Differensial tenglamalar kafedrasi ro’ziqulov azizjonning “issiqlik o’tkazu vchanlik tenglamasini maple paketi yordamida yechish”

§. Issiqlik tarqalish tenglamasi yechimi uchun maksimal qiymat prinsipi.

Chegaraviy va Koshi masalasi yechimining yagonaligi
Ushbu va keyingi mavzularda biz alohida ta’kidlanmasa, o’zgarmas koeffitsiyentli
w_t = a² w. + /3w_x +yw (1.2.1)
issiqlik tarqalish masalasini qaraymiz. Ushbu tenglamada
w( x, t) = e^i+Mu( x, t)
almashtirish bajarib
ц = Ae^uc+^Mu + e^u+^Mu , w = ue^u+^Mu + e^+^Mu , w = pe^u + 2ue^u + eT*u
ft t~ x I x~ xx г г x xx
bo’lib, ularni yuqoridagi tenglamaga qo’sak , unga teng kuchli bo’lgan u = a ²u_xx + (2 ua² + /3)u_x + (pa² + fi/л- X + y)u tenglamaga kelamiz. Agar bu tenglamada
U = ^-^T^, л = г
2a² ’ 4a²
15

u_t = a ²u_xx (1.2.2)
sodda ko’rinishga keladi. Demak (1.2.1) va (1.2.2) differensial tenglamalar bir vaqtda yechimga ega yoki ega bo’lmaydi. Shuning uchun (1.2.2) ko’rinishdagi tenglama yechimini tadqiq qilish yetarlidir. Quyidagi teoremada (1.2.2) issiqlik tarqalish tenglama yechimining ekstremal qiymatlari haqida so’z yuritiladi.

1. 
   Teorema (Maksimal qiymat prinsipi). Agar u(x,t) funksiya yopiq
   

1. 
   < t < T ,0 < x < £ sohada aniqlangan va uzluksiz differensiallanuvchi bo’lib,
   

1. 
   < t < T,0 < x < £ sohada (1.2.2) tengllani qanoatlantirsa, u holda u(x,t) funksiya
   

o ’zining eng katta va eng kichik qiymatiga yo boshlang ’ich t = 0 vaqtda yoki sohaning chegaraviy nuqtalari x = 0 yoki x = £ nuqtalarda erishadi.
Endi biz maksimal qiymat prinsipidan kelib chiqadigan natijalarga to’xtalamiz. Ushbu natijalardan eng muhimi chegaraviy masala yechimining yagonaligini isbotlashga tatbiqi hisoblanadi. Quyida biz yagonalik teoremasini keltiramiz.

2. 
   Teorema. (1-chegaraviy masala yechimining yagonaligi)
   

u = + f (x,t), 0 < x < £,t > 0 (1.2.3)
issiqlik tarqalish tenglamasi
u( x,0) =
(1.2.4)
boshlang ’ich shart va
u(0,t) = u(t), u(£,t) = u₂(t) (1.2.5)
chegaraviy shartlarni qanoatlantiruvchi va 0 < x < £,0 < t < T sohada aniqlangan, ikkinchi tartibgacha uzluksiz differensizllanuvchi yechimi yagonadir.
Endi maksimal qiymat prinsipidan to’g’ridan to’g’ri kelin chiqadigan natijalarni keltiramiz:

1. 
   Natija. Agar (1.2.2) tenglamaning ikkita щ(x,t) va u₂(x,t) yechimlari
   

uchun
u₂ (x,0) > u (x,0),
u₂ (0, t) > u (0, t), u₂ (£, t) > u (£, t) tengsizliklar o ’rinli bo ’lsa u holda barcha 0 < x < £,0 < t < T lar uchun
u₂ (x, t) > u (x, t)
tengsizlik o ’rinli bo ’ladi.

2. 
   Natija. Agar (1.2.2) tenglamaning uchta u(x,t), u₂(x,t) va u₃(x,t) yechimlari uchun
   

u (x,0) < u₂ (x,0) < u₃ (x,0), u (0, t) < u₂ (0, t) < u₃ (0, t), u (£, t) < u₂ (£, t) < u₃ (£, t) tengsizliklar o ’rinli bo ’lsa u holda barcha 0 < x < £,0 < t < T lar uchun
u (x, t) < u₂ (x, t) < u₃ (x, t)
tengsizlik o ’rinli bo ’ladi.

3. 
   Natija. Agar ixtiyoriy s> 0 soni va (1.2.2) tenglamaning ikkita u(x,t) va u₂ (x, t) yechimlari uchun
   

|u₂ (x,0) - u (x,0)| < £,
\u₂ (0, t) - u (0, t)| < s, \u₂ (£, t) - u (£, t)| < s tengsizliklar o ’rinli bo ’lsa u holda barcha 0 < x < £,0 < t < T lar uchun
\u₂ (x,t) - u (x,t) < s
tengsizlik o ’rinli bo ’ladi.

3. 
   Natija issiqlik tarqalish tenglamasiga qo’yilgan 1-tur chegaraviy masala yechimi unga qo’yilgan chegaraviy va boshlang’ich shartlarga uzluksiz bog’liqligini, ya’ni chegaraviy masala yechimining turg’unligini ifodalaydi.
   

Fizikada issiqlikning to’g’ri chiziq bo’ylab cheksizlikka yoki yetarlicha katta oraliqqa tarqalish masalasi muhim ahamiyatga ega hisoblanadi. Issiqlikning to’g’ri chiziq bo’ylab cheksizlikka tarqalish tenglamasiga qoyiladigan masala yechimi yagona bo’lishi uchun unga boshlang’ich shartdan tashqari yana qo’shimcha shartlar talab qilinadi. Bu masalada sterjen uchlari cheksizlikda deb faraz qilinganligi uchun chegaraviy shartlar qatnashmaydi. Odatda bu masala Koshi
masalasi deb yuritiladi. Ushbu masalada yechimning qaralayotgan sohada chegaralanganligi muhim ahamiyatga ega.

3. 
   Ta’rif. Agar shunday M > 0 son topilib, ixtiyoriy - да <x<+да va t > 0
   

uchun
|u(x, t)| < M
tengsizlik bajarilsa, u holda u(x, t) funksiyaga shu sohada chegaralangan deyiladi.

4. 
   Ta’rif. -да< x <+да,t > 0 sohada
   

u_t = a ²u_xx (1.2.6)
issiqlik tarqalish tenglamasining
u(x,0) = ^(x), -да<x<+да (1.2.7)
boshlang’ich shartni qanoatlantiruvchi uzluksiz va chegaralangan yechimini topish masalasiga issiqlik tarqalish tenglamasiga qo’yilgan Koshi masalasi deyiladi.
Endi ushbu masala yechimining yagonalik teoremasini keltiramiz.

3. 
   Teorema. -да< x <+да,t > 0 sohada (1.2.6) tenglamaning (1.2.7) boshlangich shartni qanoatlantiruvchi uzluksiz va chegaralangan yechimi yagonadir.
   

Bu mavzuning asosiy mohiyati xuddi chegaraviy masalaning limitik holi sifatida uchlari cheksizlikda bo’lgan chegaralanmagan sterjenda issiqlikning tarqalish masalasi, ya’ni Koshi masalasi qo’yilishi va uni yechish usuli bilan tanishishdan iborat. Avvalgi mavzularda biz issiqlik tarqalish tenglamasiga qo’yilgan uch turdagi chegaraviy masalalar hamda Koshi masalasining qo’yilishi, ular yechimining yagonaligi masalasini hal etilishi bilan tanishgan edik.
Ayytilgandek biz uchlari cheksizlikda bo’lgan chegaralanmagan sterjenda issiqlikning tarqalish masalasining uzluksiz chegaralangan yechimini topish masalasi bilan tanishamiz. Ushbu fizik masala matematik model sifatida quyidagicha yoziladi:

5. 
   Ta’rif.
   

u_t = a²u_xx, -да<x<+да,t > 0 (1.2.8)
issiqlik tarqalish tenglamasining
u(x,0) = ^(x), -ад<x<+ад (1.2.9)
boshlang’ich shartlarni qanoatlantiruvchi uzluksiz va chegaralangan yechimini topish masalasiga chegaralanmagan sterjenda issiqlik tarqalish tenglamasi uchun Koshi masalasi deyiladi.
Bu masala issiqlik tarqalayotgan sterjenning uzunligi ahamiyatga ega bo’lmagan va asosiy e’tibot sterjen ichki nuqtalaridagi temperaturaning yetarlicha kichik vaqt intervalidagi holatiga qaratilgan fizik masalalarda hosil bo’ladi. Endi bu masalaning yechimini topish bilan shug’ullanamiz.
(1.2.8)-(1.2.9) Koshi masalasining nolmas chegaralangan yechimini o’zgaruvchilarni ajratish usulida izlaymiz, ya’ni yechimni
u( x, t) = X (x)T (t) (1.2.10)
ko’rinishda izlaymiz. (1.2.10) ifodani (1.2.8) ga qo’yib xuddi Fur’e usulidagi kabi quyidagi tenglamalarni olamiz:
— = -^T- = -Л.
X a T
Bu tenglama esa o’z navbatida ikkita
T '+a ²Л²Т = 0, (1.2.11)
X "+Л² X = 0 (1.2.12)
oddiy differensial tenglamalarga ajraladi. Bu oddiy differensial tenglamalarni yechish bilan biz tanishmiz:
T_A(t) = Q(A)e~^(Aa)21, X,(x) = C2(l)eⁱ^, bunda Q(Л) va C₂(Л) ixtiyoriy chekli doimiylar. Bularga va (1.2.10) ga asosan

8. 
   tenglamaning chegaralangan yechimi uchun
   

u_x (x, t) = СЛ-^(Лг)21+Л ifodani hosil qilamiz. (1.2.8) chiziqli tenglama bo’lganligi uchun bu yechimlarning Л bo’yicha yig’indisi ham yana yechim bo’ladi:
u(x, t) = j С(Л)e-^{(Л)2 t+iЛc}dЛ. (1.2.13)
-ад
Yechimning bu ko’rinishidagi noma’lum С (Л) koeffitsiyentlarni (1.2.9) boshlang’ich shartdan foydalanib topamiz
+ад
i(x,0) = p(x) = j С(Л)e^iЛ:dЛ. (1.2.14)
u (
ад
(1.2.14) da teskari Fur’e almashtirishlarini qo’llash bilan noma’lum koeffitsiyentlarni topamiz:
1 +ад
С (Л) = — j p(s)e^iMds. (1.2.15)
2m
С(Л) koeffitsiyentlarning (1.2.15) ifodasini (1.2.13) ga qo’yish bilan qo’yilgan

8. 
   -( 1.2.9) Koshi masalasi yechimini hosil qilamiz
   

2.