贝克隆德变换 是两个非线性偏微分方程之间的一对变换关系[1] 。
两个非线性偏微分方程
F
1
(
u
,
x
,
t
,
u
x
,
u
t
,
u
x
x
,
u
t
t
,
u
x
t
,
u
t
t
)
=
0
,
{\displaystyle F_{1}(u,x,t,u_{x},u_{t},u_{xx},u_{tt},u_{xt},u_{tt})=0,}
F
2
(
w
,
ξ
,
η
,
w
ξ
,
w
η
,
w
ξ
,
w
ξ
ξ
,
w
ξ
η
,
w
η
η
)
=
0
{\displaystyle F_{2}(w,\xi ,\eta ,w_{\xi },w_{\eta },w_{\xi },w_{\xi \xi },w_{\xi \eta },w_{\eta \eta })=0}
之间的贝克隆德变换,指的是这样一对关系
ϕ
1
(
u
,
x
,
t
,
u
x
,
u
t
,
w
,
ξ
,
η
,
w
ξ
,
w
η
)
=
0
,
{\displaystyle \phi _{1}(u,x,t,u_{x},u_{t},w,\xi ,\eta ,w_{\xi },w_{\eta })=0,}
ϕ
2
(
u
,
x
,
t
,
u
x
,
u
t
,
w
,
ξ
,
η
,
w
ξ
,
w
η
)
=
0.
{\displaystyle \phi _{2}(u,x,t,u_{x},u_{t},w,\xi ,\eta ,w_{\xi },w_{\eta })=0.}
贝克隆德变换是求非线性偏微分方程 精确解的一种重要的变换。
1876年瑞典数学家贝克隆德 发现正弦-戈尔登方程 的不同解u、v
u
x
t
=
sin
u
.
{\displaystyle u_{xt}=\sin u.\,}
v
x
t
=
sin
v
.
{\displaystyle v_{xt}=\sin v.\,}
之间有如下关系:[2]
v
x
=
u
x
−
2
β
sin
(
u
+
v
2
)
v
t
=
−
u
t
+
2
β
sin
(
v
−
u
2
)
{\displaystyle {\begin{aligned}v_{x}&=u_{x}-2\beta \sin {\Bigl (}{\frac {u+v}{2)){\Bigr )}\\v_{t}&=-u_{t}+{\frac {2}{\beta ))\sin {\Bigl (}{\frac {v-u}{2)){\Bigr )}\end{aligned))\,\!}
这就是正弦-戈尔登方程的贝克隆德自变换。
将贝克隆德自变换第一式对t取微商,二式对x微商:
b
t
1
:=
(
1
/
2
)
∗
u
x
t
−
(
1
/
2
)
∗
v
x
t
=
β
∗
c
o
s
(
(
1
/
2
)
∗
u
+
(
1
/
2
)
∗
v
)
∗
(
(
1
/
2
)
∗
u
t
+
(
1
/
2
)
∗
v
t
)
{\displaystyle bt1:=(1/2)*u_{xt}-(1/2)*v_{xt}=\beta *cos((1/2)*u+(1/2)*v)*((1/2)*u_{t}+(1/2)*v_{t})}
b
t
2
:=
(
1
/
2
)
∗
u
x
t
+
(
1
/
2
)
∗
v
x
t
=
c
o
s
(
(
1
/
2
)
∗
u
−
(
1
/
2
)
∗
v
)
∗
(
(
1
/
2
)
∗
u
x
+
(
1
/
2
)
∗
v
x
)
/
β
{\displaystyle bt2:=(1/2)*u_{xt}+(1/2)*v_{xt}=cos((1/2)*u-(1/2)*v)*((1/2)*u_{x}+(1/2)*v_{x})/\beta }
消除v即得
u
x
t
=
sin
u
.
{\displaystyle u_{xt}=\sin u.\,}
;
消除u项即得
v
x
t
=
sin
v
.
{\displaystyle v_{xt}=\sin v.\,}
贝克隆德变换常用于求正弦-戈尔登方程 、高维广义Burger I型方程、高维广义Burger II型方程的精确解:[3]
Sine-gordon kink2d Sine-gordon 3D animation1 Sine-gordon 3D animation2 利用正弦-戈尔登方程 的自贝克隆德变换解正弦-戈尔登方程:
由贝克隆德自变换
v
x
=
u
x
−
2
β
sin
(
u
+
v
2
)
{\displaystyle v_{x}=u_{x}-2\beta \sin({\frac {u+v}{2)))}
令v=0,得
u
x
=
2
β
sin
(
u
2
)
{\displaystyle u_{x}=2\beta \sin {\Bigl (}{\frac {u}{2)){\Bigr )))
,显然
2
∗
β
=
u
[
x
]
/
s
i
n
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
{\displaystyle 2*\beta =u[x]/sin((1/2)*u)}
,两边对x积分,得:
2
∗
β
∗
x
=
2
∗
l
n
(
c
s
c
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
−
c
o
t
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
)
{\displaystyle 2*\beta *x=2*ln(csc((1/2)*u)-cot((1/2)*u))}
对贝克隆德自变换第二式作同样运算得:
2
∗
t
/
β
=
2
∗
l
n
(
c
s
c
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
−
c
o
t
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
)
{\displaystyle 2*t/\beta =2*ln(csc((1/2)*u)-cot((1/2)*u))}
经过三角函数运算,二式简化为
2
β
∗
x
=
2
∗
l
n
(
t
a
n
(
u
/
4
)
)
{\displaystyle 2\beta *x=2*ln(tan(u/4))}
2
t
/
β
=
2
∗
l
n
(
t
a
n
(
u
/
4
)
)
{\displaystyle 2t/\beta =2*ln(tan(u/4))}
二式相加得:
2
∗
b
e
t
a
∗
x
+
2
∗
t
/
b
e
t
a
=
4
∗
l
n
(
t
a
n
(
(
1
/
4
)
∗
u
)
)
{\displaystyle 2*beta*x+2*t/beta=4*ln(tan((1/4)*u))}
,
分离u得正弦-戈尔登方程 的一个解析解:
u
(
x
,
t
)
=
4
∗
a
r
c
t
a
n
(
e
β
2
∗
x
+
t
2
β
)
{\displaystyle u(x,t)=4*arctan(e^{\frac {\beta ^{2}*x+t}{2\beta )))}
又从
2
∗
t
/
β
=
2
∗
l
n
(
c
s
c
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
−
c
o
t
(
(
1
/
2
)
∗
u
)
)
{\displaystyle 2*t/\beta =2*ln(csc((1/2)*u)-cot((1/2)*u))}
直接接求u得另外两个解析解:
u
(
x
,
t
)
=
2
∗
a
r
c
t
a
n
(
2
∗
e
x
p
(
(
1
/
2
)
∗
(
β
2
∗
x
+
t
)
/
β
)
/
(
1
+
(
e
x
p
(
(
1
/
2
)
∗
(
β
2
∗
x
+
t
)
/
β
)
)
2
)
)
{\displaystyle u(x,t)=2*arctan(2*exp((1/2)*(\beta ^{2}*x+t)/\beta )/(1+(exp((1/2)*(\beta ^{2}*x+t)/\beta ))^{2}))}
u
(
x
,
t
)
=
−
2
∗
a
r
c
t
a
n
(
(
(
e
x
p
(
(
1
/
2
)
∗
(
β
2
∗
x
+
t
)
/
β
)
)
2
−
1
)
/
(
1
+
(
e
x
p
(
(
1
/
2
)
∗
(
β
2
∗
x
+
t
)
/
β
)
)
2
)
)
{\displaystyle u(x,t)=-2*arctan(((exp((1/2)*(\beta ^{2}*x+t)/\beta ))^{2}-1)/(1+(exp((1/2)*(\beta ^{2}*x+t)/\beta ))^{2}))}
可积系统
KdV方程
^ Inna Shignareve and Carlos Lizarraga-Celaya, Solving Nonlinear Partial Differential Equations with Maple and Methematica, p46, Springer
^ 阎振亚著《复杂非线性波的构造性理论及其应用》6页科学出版社2007年
^ 阎振亚著《复杂非线性波的构造性理论及其应用》106-111页科学出版社2007年