Separace proměnných
Separace proměnných (Fourierova metoda) je postup při řešení obyčejných a parciálních diferenciálních rovnic v matematice založený na převedení nezávislé proměnné na jednu stranu a závislé proměnné na druhou stranu rovnice a následné integraci obou stran rovnice.
Separaci proměnných nelze provést u všech diferenciálních rovnic. Rovnice, u kterých separaci proměnných provést lze, bývají označovány jako separabilní (separovatelné).
Obyčejná diferenciální rovnice
Předpokládejme, že diferenciální rovnici lze zapsat ve tvaru
pro můžeme psát:
Pokud h(y) ≠ 0, můžeme rovnici upravit:
takže na každé straně rovnice je jenom jedna z proměnných x a y. S dx (a dy) můžeme pracovat jako s jinými prvky ve výrazu, aniž by nás zajímala formální definice dx jako diferenciálu.
Alternativní zápis
Místo Leibnizovy notace můžeme použít zápis
ze kterého ale není zcela zjevné, proč se tato metoda nazývá „separace proměnných“. Integrováním obou stran rovnice podle dostáváme:
nebo ekvivalentně,
díky substitučnímu pravidlu pro integrály.
Pro vyřešení rovnice stačí spočítat oba integrály. Tento postup nám umožňuje efektivně považovat derivace za zlomky, které mohou být rozděleny. To umožňuje postupovat při řešení separabilních diferenciálních rovnic podobně jako při úpravě aritmetických výrazů:
Poznámka: Při integraci rovnice (1) není třeba používat dvě integrační konstanty jako v
stačí zavést jedinou konstantu, která je jejich rozdílem: .
Příklad (I)
Obyčejnou diferenciální rovnici
můžeme zapsat jako
Pokud položíme a , můžeme tuto rovnici zapsat ve tvaru rovnice (1) výše. Tato diferenciální rovnice je tedy separabilní.
Jak je ukázáno výše, můžeme považovat a za zvláštní hodnoty, takže obě strany rovnice můžeme znásobit . Vydělením obou stran výrazem dostáváme
Tím jsou proměnné x a y separované, protože x je na pravé straně rovnice a y pouze na levé.
Integrováním obou stran dostaneme
což pomocí rozkladu na parciální zlomky převedeme na
a pak
kde C je integrační konstanta. Trocha algebra dává řešení pro y:
Naše řešení můžeme zkontrolovat zderivováním nalezené funkce podle proměnné x, kde B je libovolná konstanta. Výsledek se musí shodovat s původním problémem. (Při řešení rovnice uvedené výše musíme být opatrní při práci s absolutními hodnotami. Ukazuje se, že různá znaménka absolutní hodnoty přispívají postupně ke kladným a záporným hodnotám B. Případ B = 0 pochází z y = 1, jak je diskutováno níže.)
Nezapomeňte, že protože jsme dělili a , musíme zkontrolovat, zda řešení a není také řešením (singulárním) diferenciální rovnice (v tomto případě obě tyto funkce řešením jsou).
Příklad (II)
Populační růst je často znázorněn diferenciální rovnicí
kde je populace s ohledem na čas , je rychlost růstu a je nosná kapacita prostředí.
Pro řešení této diferenciální rovnice lze použít separaci proměnných.
Pro vyhodnocení integrálu na levé straně zlomek zjednodušíme
a pak jej rozložíme na částečné zlomky
Čímž dostaneme
Nechť .
Proto řešení logistické rovnice je
Pro nalezení , položíme a . Pak máme
Vzhledem k tomu, že , dostaneme řešení pro A
Parciální diferenciální rovnice
Metoda separace proměnných se používá také pro řešení množství lineárních parciálních diferenciálních rovnic s okrajovou a počáteční podmínkou, jako například rovnice vedení tepla, vlnová rovnice, Laplaceova rovnice a Helmholtzova rovnice.
Homogenní případ
Uvažujme jednorozměrnou rovnici vedení tepla:
|
(1) |
Hraniční podmínka je homogenní, to jest
|
(2) |
Pokusíme se hledat řešení které není identicky rovné nule, a které splňuje okrajovou podmínku ale s následující vlastností: u je součin, ve kterém je závislost u na x a t oddělena, to jest:
|
(3) |
Substitucí u zpátky do rovnice a použitím součinového pravidla dostaneme
|
(4) |
Protože pravá strana závisí pouze na x a levá strana pouze na t, obě strany jsou rovné nějaké konstantní hodnotě − λ. Tedy:
|
(5) |
a
|
(6) |
− λ zde je vlastní hodnota pro oba diferenciální operátory a T(t) a X(x) jsou odpovídající vlastní funkce.
Nyní ukážeme, že řešení pro X(x) pro hodnoty λ ≤ 0 nemůže existovat:
Předpokládejme, že λ < 0. Pak existují reálná čísla B, C taková, že
Z 2 dostaneme
|
(7) |
a proto B = 0 = C, což implikuje, že u je identicky rovno 0.
Předpokládejme, že λ = 0. Pak existují reálná čísla B, C taková, že
Z 7 odvodíme stejným způsobem jako v 1, že u je identicky rovno 0.
Proto musí existovat případ, kdy λ > 0. Pak existují reálná čísla A, B, C taková, že
a
Z 7 dostaneme C = 0 a, které pro nějaké kladné celé číslo n,
Toto je řešení rovnice šíření tepla ve speciálním případě, kdy závislost u má speciální tvar 3.
Obecně suma řešení 1 které vyhovují hraniční podmínce 2 také vyhovuje 1 a 3. Tudíž úplné řešení může být daný jako
kde Dn jsou koeficienty určené počáteční podmínkou.
Je-li dána počáteční podmínka
můžeme dostat
Toto je sinová řada rozvoje funkce f(x). Znásobením obou stran a integrováním na [0,L] dává
Tato metoda vyžaduje, aby vlastní funkce x, zde , byly ortogonální a úplné. To je obecně zaručeno Sturm-Liouvilleovou teorií.
Nehomogenní případ
Předpokládejme, že rovnice je nehomogenní
|
(8) |
s okrajovou podmínkou stejnou jako 2.
Rozšíříme h(x,t), u(x,t) a f(x,t) na
|
(9) |
|
(10) |
|
(11) |
kde hn(t) a bn můžeme vypočítat integrací, zatímco un(t) je třeba určit.
Substitujeme 9 a 10 zpátky na 8 a uvažováním ortogonality funkce sinus dostaneme
což jsou posloupnosti lineárních diferenciálních rovnic, které lze ihned řešit, například Laplaceovou transformací nebo Integrační faktor. Navíc můžeme dostat
Jestliže je okrajová podmínka nehomogenní, pak expansion 9 a 10 není povolený. Hledáme funkci v, která vyhovuje okrajové podmínce pouze a subtract na z u. Funkce u-v pak vyhovuje homogenní okrajové podmínce a lze ji řešt výše uvedenou metodou.
Separaci proměnných lze provádět i v ortogonální křivočaré souřadnicové soustavě, ale v detailech se liší od postupu v Kartézských souřadnicích. Například podmínka regularity nebo periodicity podmínka může určovat vlastní hodnoty místo okrajových podmínek. Viz např. sférické harmonické funkce.
Matice
Maticový tvar separace proměnných je Kroneckerova suma.
Jako příklad uvažujme 2D diskrétní Laplacián na regulární mřížce:
kde a jsou 1D diskrétní Laplaciány ve směru x, resp. y a jsou identity vhodné velikosti. Podrobnější informace jsou v článku Kroneckerova suma diskrétních Laplaciánů.
Reference
V tomto článku byl použit překlad textu z článku Separation of variables na anglické Wikipedii.
- POLYANIN, D. Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists. Boca Raton: Chapman & Hall/CRC Press, 2002. ISBN 1-58488-299-9.
- Tyn Myint-U, Lokenath Debnath. Linear Partial Differential Equations for Scientists and Engineers. Boston, MA: [s.n.], 2007. Dostupné online. ISBN 978-0-8176-4393-5.[nedostupný zdroj]
- TESCHL, Gerald. Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems. Svazek 140. Providence, RI: American Mathematical Society, 2012. (Graduate Studies in Mathematics). Dostupné online. ISBN 978-0-8218-8328-0.[nedostupný zdroj]
- Symbolic algebra and Mathematics with Xcas [online]. [cit. 2020-05-12]. Dostupné online.
Související články
Podrobnější informace o separaci proměnných:
Externí odkazy
- SOLDATOV, A. P. Fourier method [online]. Příprava vydání Hazewinkel, Michiel. Springer, 2001. (Encyclopedia of Mathematics). Dostupné online. ISBN 978-1-55608-010-4.
- RENZE, John; WEISSTEIN, Eric W. Separation of variables (Differential Equation) [online]. Wolfram Research. (MathWorld). Dostupné online.
- Methods of Generalized and Functional Separation of Variables at EqWorld: The World of Mathematical Equations
- Examples of separating variables to solve PDEs
- "A Short Justification of Separation of Variables"