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摘要 利用一种基于符号计算的代数方法,结合 Maple环境中的 Epsilon软件包,求解Klein-Gordon 方程,获得了若干其它方法不曾给出的形式更为丰富的新的显式行波解,其中包括孤波解、三角函数解、Jacobi椭圆函数周期解和Weierstrass椭圆函数周期解.本文用F-展开法求得Klein-Gordon 方程的新周期波解和孤波解.
关键词 Klein-Gordon 方程;Jacobi椭圆函数周期解;三角函数解
【分类号】:O175.29
1. 引言
非线性波方程被广泛的应用于物理、工程技术和数学的众多分支当中,如非线性光学、量子论、流体力学、弹性理论和凝聚态物理等.随着非线性科学的蓬勃发展.传统的求解非线性波方程的方法主要有逆散射法, Ba cklund法, Darboux变换法, Hirota双线性法[1], Painlevé 展开法等.近年来 ,结合计算机代数和符号计算,人们发展了许多求解非线性波方程的新方法,如双曲函数法[2],齐次平衡法[3], Jacobi椭圆函数展开法[4],包络变换法[5],ADM方法和利用分支理论直接积分的方法等.最近,一种新的基于符号计算的代数方法,与绝大多数方法相比,该方法不仅可用于构造各种行波解,包括孤波解、三角函数周期解、有理函数解、Jacobi和 Weierstrass椭圆函数周期解.
2.Klein-Gordon 方程的新解
为了求 Klein-Gordon 方程
(1)
的解,设
, (2)
把(2)代入(1),得
, (3)
设 为的函数:
, (4)
而 满足:
. (5)
把(4)和(5)代入(3)并整理,得
(6)
令的系数为零,得
(7)
(8)
(9)
解方程组(7)-(9),得
,为任意常数. (10)
容易验证辅助方程(5)有如下解:
(1)若,,时:
(2)若,,时:
得到Klein-Gordon 方程的Jacobi椭圆函数解为:
其中.
当时,可以得到Klein-Gordon 方程的双曲函数解:
当时, 可以得到Klein-Gordon 方程的三角函数周期解:
参考文献:
[1] 傅海明,戴正德.(3+1)维孤子方程的周期孤波解[J].东北师范大学学报:自然科学版,2011,43 (1):16-19.
[2]李志斌,张善卿.非线性波方程准确孤立波解的符号计算 [J].数学物理学报, 1997, 17 (1) : 81~89 .
[3]WANGM L, ZHOU YB, LI ZB. Application of homogeneous balance method to exact solutions of nonlinear equations in mathematical physics. Phys LettA, 1996, 213:67 - 75.
[4]刘式适 ,傅遵涛 ,刘式达等. Jacobi椭圆函数展开法及其在求解非线性波动方程中的应用 [J].物理学报 , 2001, 50 (11) : 2068 -2073 .
[5]傅海明,戴正德.一个(2+1)-维激光方程的孤波解[J].西北师范大学学报:自然科学版,2009,45 (1):44-47.
关键词 Klein-Gordon 方程;Jacobi椭圆函数周期解;三角函数解
【分类号】:O175.29
1. 引言
非线性波方程被广泛的应用于物理、工程技术和数学的众多分支当中,如非线性光学、量子论、流体力学、弹性理论和凝聚态物理等.随着非线性科学的蓬勃发展.传统的求解非线性波方程的方法主要有逆散射法, Ba cklund法, Darboux变换法, Hirota双线性法[1], Painlevé 展开法等.近年来 ,结合计算机代数和符号计算,人们发展了许多求解非线性波方程的新方法,如双曲函数法[2],齐次平衡法[3], Jacobi椭圆函数展开法[4],包络变换法[5],ADM方法和利用分支理论直接积分的方法等.最近,一种新的基于符号计算的代数方法,与绝大多数方法相比,该方法不仅可用于构造各种行波解,包括孤波解、三角函数周期解、有理函数解、Jacobi和 Weierstrass椭圆函数周期解.
2.Klein-Gordon 方程的新解
为了求 Klein-Gordon 方程
(1)
的解,设
, (2)
把(2)代入(1),得
, (3)
设 为的函数:
, (4)
而 满足:
. (5)
把(4)和(5)代入(3)并整理,得
(6)
令的系数为零,得
(7)
(8)
(9)
解方程组(7)-(9),得
,为任意常数. (10)
容易验证辅助方程(5)有如下解:
(1)若,,时:
(2)若,,时:
得到Klein-Gordon 方程的Jacobi椭圆函数解为:
其中.
当时,可以得到Klein-Gordon 方程的双曲函数解:
当时, 可以得到Klein-Gordon 方程的三角函数周期解:
参考文献:
[1] 傅海明,戴正德.(3+1)维孤子方程的周期孤波解[J].东北师范大学学报:自然科学版,2011,43 (1):16-19.
[2]李志斌,张善卿.非线性波方程准确孤立波解的符号计算 [J].数学物理学报, 1997, 17 (1) : 81~89 .
[3]WANGM L, ZHOU YB, LI ZB. Application of homogeneous balance method to exact solutions of nonlinear equations in mathematical physics. Phys LettA, 1996, 213:67 - 75.
[4]刘式适 ,傅遵涛 ,刘式达等. Jacobi椭圆函数展开法及其在求解非线性波动方程中的应用 [J].物理学报 , 2001, 50 (11) : 2068 -2073 .
[5]傅海明,戴正德.一个(2+1)-维激光方程的孤波解[J].西北师范大学学报:自然科学版,2009,45 (1):44-47.