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网上有关“孤子解和解析解的区别在哪? ”话题很是火热,小编也是针对孤子解和解析解的区别在哪?寻找了一些与之相关的一些信息进行分析,如果能碰巧解决你现在面临的问题 ,希望能够帮助到您。
感觉建了这个知乎号不能只阴阳怪气,那写一篇我比较熟悉的领域的答案吧 。
关于孤子与孤子解的释义
首先,题目里问了问了孤子和孤子解 ,我先解释下为什么会有这两种说法。
其实实际的学术用途上并没有严格意义上的界定。但孤子解(x-soliton solution这种)是一个已知系统,即已知(偏微分)方程(组)的解 。我知道这听起来像废话,但指明这一点是为了和下一段的孤子做比较。
而孤子这个词物理上用的比较多。因为孤子解的定义是“localized、且形状不随时间发展改变 ,与其它孤子冲突也不改变上述性质的解”,在物理上比较难确定的就是“不随时间xxxx”这一点。因为有些物理现象(比如宇宙学里的一些孤子理论),你没法从时间的负无限(接上例 ,宇宙诞生)开始观测,观测到时间的正无限(接上与上上例) 。所以从物理的角度讲,你也没法知道这段时间有孤子解特性的东西在更大的时间尺度上还是不是孤子解。所以这种情况下可能会用孤子(soliton)去称呼这类物理现象。
更白话一点就是 ,有方程的,有hamiltonian,数学研究里的,会用孤子解这个说法 。观测到的 ,现实里现象的,还在构建理论的,多用孤子这个泛称。
当然 ,实际使用中不会有人纠结你词说的对不对,也不是写八股文没必要死扣字眼。写这一部分的原因是为了强调“物理观测中的孤子与定义上的孤子有小小的区别 ”这一点 。
有名的孤子系统:KdV方程与KP方程
首先来看KdV方程与KP方程的解的大概图示:
KdV的2-soliton解之前的回答已经放出很多图了,随便找了一张。这里只是为了简单示例选取了2-soliton解 ,理论上是可以通过Backlund Transformation(或者叫Darboux Dressing)得到任意n-soliton解的[1],也就是n个孤子在这如下图般互相粘合又分离。显而易见,这是一个一维微分方程(或者叫常微分方程ODE) 。
KdV方程的2-soliton解
来自加拿大brock university数学系。
而KP方程一般被认为是KdV的二维扩张。但他的扩张指的是无数个KdV的soliton在二维空间里排在一起形成波浪式的解 ,而不是在 x,y 两个方向上同时拥有KdV的性质形成类似dromion式的解 。如果读者没看懂这一段没关系,看下面的图就一目了然了。
KP方程的解。红线勾描的部分如果放到1维平面中就是KdV的1-soliton解。
来自Anjum Iqbal&I. Naeem 。现实生活中类似于KP方程soliton解的例子可以参照其他答主的钱塘江大潮之类的。
dromion-like的2维“解”。即红蓝两线外形都与KdV相同 。KP方程的解不是此类,放这图是因为为了区分两者。
来自Chun-Long Zheng。
有些有数学知识的读者可能问了 ,你说的什么维度扩张,按画出来的图看上去好像是对的,那数学上你怎么证明KP方程 \partial_{x}\left(\partial_{t} u+u \partial_{x} u+\epsilon^{2} \partial_{x x x} u\right)+\lambda \partial_{y y} u=0 可以reduce到KdV方程 \partial_{t} u+\partial_{x}^{3} u-6 u \partial_{x} u=0 呢?其实我们不仅能实现公式的reduction/generalization,甚至能实现整个KP hierarchy到整个KdV hierarchy的reduction/generalization 。有兴趣可以阅读On the constrained KP hierarchy。
(值得一提的是离散版的reduction/generalization也已经完成了 ,但离科普比较远就不讲了)
KdV hierarchy
在介绍KdV hierarchy前,需要简单介绍下lax pair。lax pair指的就是满足 L_t = [A,L]= AL-LA 关系的这一对(pair of)算子 L 与 ;与可积系统的关系由匈牙利裔美国数学家lax peter发现 。我知道很多有物理背景的朋友看到这个式子已经条件反射的亢奋起来了,没错这个lax pair确实和薛定谔方程(或者说海森堡绘景)有点联系。具体的在之后的lax pair章节或者逆散乱章节再介绍。
KdV方程(以及KdV hierarchy)就可以用lax pair来表示 。例如KdV方程: L=\partial^{2}+u ,A=\partial^{3}+\frac{3}{2} u \partial+\frac{3}{4} u^{\prime} ;又例如Boussinesq方程: L=\partial^{3}+u \partial+v, A=\partial^{2}+\frac{2}{3} u \leftrightarrow u_{tt}=-\frac{1}{3} u_{xxxx}-\frac{4}{3}\left(u u_x\right)_{x} 。这两例可以自行计算下,证明上面写的都是真的。Boussinesq方程可能会比较tricky,有空写下。
这里的方程系数coefficient可能和其他地方看到的不一样 。但通过变数变换得到平常看到的版本。例如把上面的Boussinesq方程中的 u(x,t) = u(2x_新, \frac{4}{\sqrt{3}}t_新) ,就能得到常见版本u_{tt}=- u_{xxxx}-\left(u u_x\right)_{x}
这段开始正式开始介绍KdV hierarchy。众所周知,数学家们最喜欢的事中就有推广和分类 。那么,有没有别的类似于KdV方程性质 ,有着这样soliton解特性的方程呢?答案是有的,甚至可以像计算机里的数字生成器一样随意生成。KdV hierarchy就要用之前介绍的lax pair来表示。
KdV hierarchy: L_t = [P_m, L] , L=\partial^{n}+u_{n-2} \partial^{n-2}+\cdots+u_{1} \partial+u_{0} (n为偶数时 ,没有 u_1\partial 项);其中 P_m=(L^\frac{m}{n})_+ ;再其中 ()_+ 代表着括号内算子 \Sigma_{i=-\infty}^{\infty} a_i \partial^{i}_x 中, i 为正的部分 。
所以我们只要输入任意的正整数 n,m ,就能得到关于 u 的类KdV方程。这就是一个类KdV方程生成机,所以我们叫它KdV hierarchy。(证明略)
有些不是相关领域的读者可能会问 ,为什么还有 \partial^{-1}这种东西? (某算子)^\frac{1}{3} 这种又是啥?
其实 \partial^{-1} 的定义是从 \partial^{-1}\partial = 1 (单位元)而来的 。所以可知 \partial^{-1} 表示的其实就是积分。但需要注意的是正阶微分算子的一些计算法则对它不适用(毕竟它是积分不是微分) 。基于部分积分,我们可以得到如下关系( \phi 为任意函数): \partial^{-1} \phi=\sum_{i=0}^{\infty}(-1)^{i}\left(\partial^{i} \phi\right) \partial^{-i-1} 。(证明略)
拓展阅读:伪微分算子(Pseudo-differential operator),pseudo(伪)一词就来自负阶微分算子。
那么算子的分数阶又代表着什么呢?其实也很简单 ,和上面一样的思考方法:两个算子间的关系 (A)^3 = B 的话, A = B^{\frac{1}{3}} 。
介绍完了KdV hierarchy,接下来就来看2个通过KdV hierarchy构造具体方程的例子(之前的KdV和Boussinesq方程)。
KdV: n=2,m=3 。
所以 n=2 时 ,L=\partial^{2}+u 。求 P_3 = (L^{\frac{3}{2}})_+ 前,我们先求 L^{\frac{1}{2}} 。因为 L 的 \partial 最高次是2,所以可以假设一个ansatz: L^{\frac{1}{2}}=\partial+\sum_{i=0}^{\infty} a_{-i} \partial^{-i} 。然后根据 L^{\frac{1}{2}}L^{\frac{1}{2}}= (\partial+\sum_{i=0}^{\infty} a_{-i} \partial^{-i})^2 = L=\partial^{2}+u ,通过比对 \partial 的同阶系数可以求出各项 a_{-i} ,继而得到了 L^{\frac{1}{2}} 。这里直接给出计算结果: a_{0}=0,a_{-1} = \frac{u}{2},a_{-2}=-\frac{u_x}{4},a_{-3}=\frac{1}{8}(u_{xx}+u^2),... 。
其实只要求到 a_{-2} 就行了,因为我们只是想求出 P_3 = (L^{\frac{3}{2}})_+ = (L^{\frac{1}{2}} L)_+ 。由于 L^{\frac{1}{2}} 乘 L ( \partial 最高阶数为2) ,所以取 L^{\frac{1}{2}} L 的+ 阶数时, L^{\frac{1}{2}} 只要算到 \partial 的-2阶。
所以-2阶后省略的 L^{\frac{1}{2}}=\partial+\frac{u}{2} \partial^{-1}-\frac{u_x}{4} \partial^{-2}+o\left(\partial^{-3}\right) 。代入 P_3 得到 P_{3}=\partial^{3}+\frac{3}{2} u \partial+\frac{3}{4} u_x 。往前翻翻KdV的lax pair,你会发现一样。
Tips:给真的自己去算了的读者一点建议。在计算 L^{\frac{1}{2}}L^{\frac{1}{2}}= (\partial+\sum_{i=0}^{\infty} a_{-i} \partial^{-i})^2 = L=\partial^{2}+u 的时候,会得到类似 q_{-1}\partial^{-1}(q_{-1}\partial^{-1}) 的项 。在处理此类项的时候建议运用前几段说过的基于部分积分得到的关系式 ,把负次的 \partial 移到最右边。我没记错的话 \partial^2,\partial^0,\partial^{-1} 阶和这种需要右移的项都没啥关系,足够求出 a_0 到 a_2 了。
Boussinesq: n=3,m=2 。照猫画虎同理可得,日后写 。
有什么用 ,能当饭吃么,etcetera,etcetera
有些读者(特别是不是数学专业的)可能会问 ,你讲了这么多这这那那的,你们对这个东西进行理论研究到底有啥用?引用我的supervisor在面试时说的话:you are asking questions like a physicist. 对于数学家来说纯粹图个乐子;对于物理学家来说貌似还是有点用的,M理论里膜的brane就被认为是soliton。能级稍微低一点的 ,Complex topological soliton with real energy in particle physics[2] 。再低一点的,超导Soliton in Two-Band Superconductor [3] 。我不懂物理很久了都是随手瞎找的文章,类似的文章还挺多(巨多 ,挺意外的。。 。)的。
但你要问soliton theory乃至integrable system的理论研究对日常吃喝拉撒有啥帮助,对干爆美帝霸权有啥帮助的,不好意思那确实没啥帮助。所以soliton theory在国内的研究者也不多,发展历史路径上也基本没啥中国名字 ,在国内环境中属于随缘发展的那一类 。
关于“孤子解和解析解的区别在哪?”这个话题的介绍,今天小编就给大家分享完了,如果对你有所帮助请保持对本站的关注!
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