Научная статья на тему 'Симметрии и интегрируемость по Лаксу обобщенного уравнения Прудмана - Джонсона'

Симметрии и интегрируемость по Лаксу обобщенного уравнения Прудмана - Джонсона Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
82
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
GENERALIZED PROUDMAN-JOHNSON EQUATION / LOCAL SYMMETRY OF DIFFERENTIAL EQUATION / INVARIANT SOLUTION / DIFFERENTIAL COVERING / BäCKLUND TRANSFORMATION / ОБОБЩЁННОЕ УРАВНЕНИЕ ПРУДМАНА ДЖОНСОНА / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ НАКРЫТИЕ / ЛОКАЛЬНЫЕ СИММЕТРИИ / ИНВАРИАНТНЫЕ РЕШЕНИЯ / ПРЕОБРАЗОВАНИЕ БЭКЛУНДА

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Oleg I. Morozov

Изучаются локальные симметрии обобщённого уравнения Прудмана Джонсона. Симметрии дифференциального уравнения в частных производных могут использоваться для нахождения его инвариантных решений.В частности, если <р есть производящая функция симметрии для уравнения Н = 0, то ϕ инвариантные решениясуть решения переопределённой совместной системы H = 0, ϕ = 0. Показано, что алгебра Ли локальных симмет-рий обобщённого уравнения Прудмана-Джонсона является бесконечной. Найдены некоторые случаи, когда редуцированное при помощи симметрий уравнение сводится к обыкновенным дифференциальным уравнениям, которые интегрируются в квадратурах, что позволяет построить соответствующие точные решения. Дифференциальные накрытия (или структуры продолжения Волквиста Истабрука, или представления нулевой кривизны, или интегрируемые расширения и так далее) весьма важны в геометрии уравнений в частных производных. Теория дифференциальных накрытий есть естественный язык для работы с обратной задачей теории рассеивания в случае солитонных уравнений, преобразований Бэклунда, операторов рекурсии, нелокальных симметрий и нелокальных законов сохранения, преобразований Дарбу и деформаций нелинейных уравнений. В последнем разделе статьи показано, что при некоторых значениях параметра, входящего в уравнение Прудмана Джонсона, оно обладает дифференциальным накрытием. Это свойство также называется интегрируемостью по Лаксу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

We study local symmetries of the generalized Proudman-Johnson equation. Symmetries of a partial differential equation may be used to find its invariant solutions. In particular, if <р is a characteristic of a symmetry for a PDE Н = О then the <р-invariant solution of the PDE is a solution to the compatible over-determined system Н = О, < р = О. We show that the Lie algebra of local symmetries for the generalized Proudman-Johnson equation is infinite-dimensional. Reductions of equation with respect to the local symmetries provide ordinary differential equations that describe invariant solutions. For a certain value of the parameter entering the equation we find some cases when the reduced ODE is integrable by quadratures and thus allows one to construct exact solutions. Differential coverings (or Wahlquist-Estabrook prolongation structures, or zero-curvature representations, or integrable extensions, etc.) are of great importance in geometry of PDEs. The theory of coverings is a natural framework for dealing with inverse scattering constructions for soliton equations, Bäcklund transformations, recursion operators, nonlocal symmetries and nonlocal conservation laws, Darboux transformations, and deformations of nonlinear PDEs. In the last section we show that in the case of a certain value of the parameter entering the equation it has a differential covering. This property is referred to as a Lax integrability.

Текст научной работы на тему «Симметрии и интегрируемость по Лаксу обобщенного уравнения Прудмана - Джонсона»

Ovil Aviation High Technologies

Vol. 20, No. 02, 2017

UDC 512.816, 517.957

SYMMETRIES AND LAX INTEGRABILITY OF THE GENERALIZED PROUDMAN-JOHNSON EQUATION

O.I. MOROZOV1

1 Department of Applied Mathematics, AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

We study local symmetries of the generalized Proudman-Johnson equation. Symmetries of a partial differential equation may be used to find its invariant solutions. In particular, if (p is a characteristic of a symmetry for a pde H = 0 then the ^-invariant solution of the pde is a solution to the compatible over-determined system H = 0, (p = 0. We show that the Lie algebra of local symmetries for the generalized Proudman-Johnson equation is infinite-dimensional. Reductions of equation with respect to the local symmetries provide ordinary differential equations that describe invariant solutions. For a certain value of the parameter entering the equation we find some cases when the reduced ode is integrable by quadratures and thus allows one to construct exact solutions. Differential coverings (or Wahlquist-Estabrook prolongation structures, or zero-curvature representations, or integrable extensions, etc.) are of great importance in geometry of pdes. The theory of coverings is a natural framework for dealing with inverse scatteri ng constructions for soliton equations, Backlund transformations, recursion operators, nonlocal symmetries and nonlocal conservation laws, Darboux transformations, and deformations of nonlinear pdes. In the last section we show that in the case of a certain value of the parameter entering the equation it has a differential covering. This property is referred to as a Lax integrability.

Key words: generalized Proudman-Johnson equation, local symmetry of differential equation, invariant solution, differential covering, Backlund transformation.

INTRODUCTION

In this paper we consider the generalized Proudman-Johnson equation, [1, 2, 3, 4], in its potential form

WfcX — ^ ^XX + ^ + ^ ^XXX' (1)

Equation (1) with a — —1 was derived from the Navier-Stokes equations for incompressible viscous fluid by assuming a special similarity form on the velocity field; see [1] and the references therein. When e — 0, equation (1) gets the form of the generalized Hunter-Saxton equation

+ a u^. (2)

Thus equation (1) may be considered as a dispersive deformation of (2). In [5] it was shown that equation (2) is linearizable and integrable by quadratures, see also [6]. In the present paper we consider case £ ^ 0. In this case after the scaling u ^ e u, t ^ e-11 equation (1) acquires the form

W^x — ^ ^xx + ^ ux + ^xxx. (3)

We show that the Lie algebra of local symmetries for equation (3) is infinite-dimensional. Reductions of equation (3) with respect to the local symmetries provide ordinary differential equations that describe invariant solutions of (3). For a — 1 we find some cases when the reduced ode is integrable by quadratures and thus allows one to construct exact solutions of (3).

Finally, we show that in the case of a — 2 equation (3) has a differential covering, [7, 8, 9].

1

This property is referred to as a Lax integrability. The Lax integrability of (2) in the case of a — - was

established in [10], see also [11].

We follow definitions and notation of [7, 8, 9].

Том 20, № 02, 2017_Научный Вестник МГТУ ГА

Vol. 20, No. 02, 2017 Civil Aviation High Technologies

1. LOCAL SYMMETRIES

Local symmetries of equation (3) are solutions у = x,u, ut, ux) to its linearization DtDx(<p) = и D2((p) + uxx (p + 2 a ux Dx((p) + D3(p), where Dt and Dx are restictions of the total derivatives Dt = d/dt + £ ui+1j d/duij and Dx = д/дх +

„ dl+iu

£ uij+1 d/dU[j on (3). Here and below we denote U[j = и t.,t, Xi_iX = t ..

i times j times

The direct computations give the following result.

Theorem 1. The local symmetry algebra of equation is infinite-dimensional. In the case of а Ф

1 it is generated by the vector fields with characteristics

ф(А) = A ux + A', ^0 = ut, ^1 = 2 t ut + x ux + u,

where A = A(t) and В = B(t) below are arbitrary functions of t, and primes denote derivatives of functions of one argument w.r. t. their arguments. The structure of a Lie algebra is given by the relations

[y(A),y(B)} = 0, {фо,у(А)} = -у(А'), №-,y(A)} = -cp(A - 2 t А'), [faM = -2 ^ In the case of a = 1 the symmetry algebra is extended by the vector field with the characteristic

= t2 ut + t x ux + t и + x. The additional relations of the extended Lie algebra read

i$2,V(A)} = A-t2 А'), {фо,^} = -Ф1, №1,^2} = -2 ф2.

2. INVARIANT SOLUTIONS

Symmetries of a partial differential equation may be used to find its invariant solutions. In particular, if у is a characteristic of a symmetry for a pde H(t,x,u,ut,ux, ...,Ui j) = 0, then the ^-invariant solution of the pde is a solution to the compatible over-determined system H = 0, у = 0.

For equation (3) we consider ^-invariant solutions. The condition ^1 = 2 t ut + x ux + u = 0 holds whenever

и = t-1/2 w(z), z = x t-1/2, (4)

where w is an arbitrary function of z.

Substituting for (4) into (3) yields the following ode:

w''' + (w+1 z) w'' + a (w')2 + w' = 0. (5)

It is convenient to change the dependent variable in (5) via the transformation w(z) = r(z) -

- z, then we have

2

Ovil Aviation High Technologies

Vol. 20, No. 02, 2017

& — 2

rm + r r" + a (r')2 + (a — 1) r'--— = 0. (6)

We note that in the case of a = 1 the order of this equation may be reduced by two. Indeed, in this case equation (6) has the form

/ r2 z2y + T — ~Q) =0'

This equation may be integrated twice, then up to the change of the independent variable z ^ z + c it obtaines the form of Riccati's equation

1 z2

r'= r2+ +p, (7)

2 8

where ft is an arbitrary constant. Then substituting for r(z) = 2 q'(z)/q(z) into (7) yields Weber's equation, [13, 14],

1

R" = ig (z2 + 8 ft) q. (8)

The scaling z = s of the independent variable gives the normal form

d2v (1 _

s2 + B) v

ds2

= (-^ s2+ß)v (9)

of equation (8) with v(s) = q(z). It was proven in [15] that equation (9) is integrable by quadratures i

whenever ft = - + n with n El. Therefore for any ft of this form we may integrate equation (7) and

then find function w(z) that defines the invariant solution (4) of equation (3) with a = 1. For example, in the cases n = 0 and n = 1 we have, respectively,

2 exp ( —1 z2)

w =-1-

Ф(1 z) + C

and

w

4 (Ф(\ z) + C)

11 z (Ф(^ z) + C) + 4exp( — 4 z2)

where C is an arbitrary constant and

$(() = i exp ( — t2) dr. Jo

LAX INTEGRABILITY IN THE CASE OF a = 2

Vol. 20, No. 02, 2017

Civil Aviation High Technologies

Differential coverings (or Wahlquist-Estabrook prolongation structures, [16], or zero-curvature representations, [17], or integrable extensions, [18], etc.) are of great importance in geometry of pdes. The theory of coverings is a natural framework for dealing with inverse scattering constructions for soliton equations, Backlund transformations, recursion operators, nonlocal symmetries and nonlocal conservation laws, Darboux transformations, and deformations of nonlinear pdes, [7, 8, 9]. In this section we show that in the case of a = 2 equation (3) admits a covering. We have the following result, whose proof is a direct computation:

Theorem 2. System

_ 2 I

tfx = R + n ux,

2 l (10)

qt = u q2+ux q+- (uxx + u ux)

defines a differential covering for equation (3) with a = 2.

The structure algebra of this covering is generated by the vector fields dq, q dq, q2 dq, and is therefore isomorphic to the Lie algebra W).

Excluding u from (10) yields equation

tftx = Rxxx + 2 Rx — 8 R Rx + Rxx Rx'

(qt + 2 q3-qxx). (11)

In other words, system (10) defines a Backlund transformation between equations (3) and (11).

REFERENCES

1. Proudman I., Johnson K. Boundary-layer growth near a rear stagnation point. J. Fluid Mech, 1962, pp. 161-168.

2. Okamoto H., Zhu, J. Some similarity solutions of the Navier-Stokes equations and related topics. Taiwanese J. Math, 2000, A, pp. 65-103.

3. Chen X., Okamoto H. Global existence of solutions to the Proudman-Johnson equation. Proc. Japan Acad. 2000. pp. 149-152.

4. Chen X., Okamoto H. Global existence of solutions to the generalized Proudman-Johnson equation. Proc. Japan Acad., 2002. A, pp. 136-139.

5. Morozov O.I. Contact equaivalence of the generalized Hunter-Saxton and the Euler-Poisson equation. 2004. Preprint www.arXiv.org: math-ph/0406016/

6. Morozov O.I. Linearizability and integrability of the generalized Calogero-Hunter-Saxton equation. Scientific Bulletin of the Moscow State Technical University of Civil Aviation, 2006, issue 114, pp. 34-42. (in Russian)

7. Krasil'shchik I.S., Vinogradov A.M. Nonlocal symmetries and the theory of coverings. Acta Appl. Math. 1984, pp. 79-86.

8. Krasil'shchik I.S., Lychagin V.V., Vinogradov A.M. Geometry of jet spaces and nonlinear partial differential equations. Gordon and Breach, New York. 1986.

9. Krasil'shchik I.S., Vinogradov A.M. Nonlocal trends in the geometry of differential equations: symmetries, conservation laws, and Backlund transformations. Acta Appl. Math. 1989, pp. 161-209.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10. Beals R., Sattinger D.H., Szmigielski J. Inverse scattering solutions of the Hunter-Saxton equation. Applicable Analysis, 2001, issue 3-4, pp. 255-269.

11. Reyes E.G. The soliton content of the Camassa-Holm and Hunter-Saxton equations. Proceedings of Institute of Math., NAS of Ukraine, 2002, Part I, pp. 201-208.

12. Baran H., Marvan M. Jets. A software for differential calculus on jet spaces and diffieties. Available online at http://jets.math.slu.cz

Civil Aviation High Technologies

Vol. 20, No. 02, 2017

13. Abramowitz M., Stegun I.A., (Eds). Handbook of mathematical functions, 10th print, National Bureau of Standards, 1972.

14. Whittaker E.T., Watson G.N. A course of modern analysis. 4th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1927, Reprinted 2002.

15. Kovacic J. An algorithm for solving second order linear homogeneus differential equations, J. Symbolic Comput, 1986, pp. 3-43.

16. Wahlquist H.D., Estabrook F.B. Prolongation structures of nonlinear evolution equations. J. Math. Phys., 1975, vol. 16, no. 1, pp. 1-7.

17. Zakharov V.E., Shabat A.B. Integration of nonlinear equations of mathematical physics by the method of inverse scattering, II, Funct. Anal. Appl, 1980, pp. 166-174.

18. Bryant R.L., Griffiths Ph.A. Characteristic cohomology of differential systems (II): conservation laws for a class of parabolic equations, Duke Math. J., 1995, pp. 531-676.

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Oleg I. Morozov, Doctor in phys.-math. sciences, professor of Department of Applied Mathematics, AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland, oimorozov@gmail.com.

СИММЕТРИИ И ИНТЕГРИРУЕМОСТЬ ПО ЛАКСУ ОБОБЩЕННОГО УРАВНЕНИЯ ПРУДМАНА - ДЖОНСОНА

О.И. Морозов1

1 Кафедра прикладной математики, Университет Науки и Технологии, г. Краков, Польша

Изучаются локальные симметрии обобщённого уравнения Прудмана - Джонсона. Симметрии дифференциального уравнения в частных производных могут использоваться для нахождения его инвариантных решений. В частности, если ф есть производящая функция симметрии для уравнения Н = 0, то р — инвариантные решения суть решения переопределённой совместной системы H = 0, р = 0. Показано, что алгебра Ли локальных симмет-

рий обобщённого уравнения Прудмана-Джонсона является бесконечной. Найдены некоторые случаи, когда редуцированное при помощи симметрий уравнение сводится к обыкновенным дифференциальным уравнениям, которые интегрируются в квадратурах, что позволяет построить соответствующие точные решения. Дифференциальные накрытия (или структуры продолжения Волквиста - Истабрука, или представления нулевой кривизны, или интегрируемые расширения и так далее) весьма важны в геометрии уравнений в частных производных. Теория дифференциальных накрытий есть естественный язык для работы с обратной задачей теории рассеивания в случае солитонных уравнений, преобразований Бэклунда, операторов рекурсии, нелокальных симметрий и нелокальных законов сохранения, преобразований Дарбу и деформаций нелинейных уравнений. В последнем разделе статьи показано, что при некоторых значениях параметра, входящего в уравнение Прудмана - Джонсона, оно обладает дифференциальным накрытием. Это свойство также называется интегрируемостью по Лаксу.

Ключевые слова: обобщённое уравнение Прудмана - Джонсона, дифференциальное накрытие, локальные симметрии, инвариантные решения, преобразование Бэклунда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Proudman I., Johnson K. Boundary-layer growth near a rear stagnation point. J. Fluid Mech. 1962. pp. 161-168.

2. Okamoto H., Zhu, J. Some similarity solutions of the Navier-Stokes equations and related topics. Taiwanese J. Math., 2000, A, pp. 65-103.

3. Chen X., Okamoto H. Global existence of solutions to the Proudman-Johnson equation. Proc. Japan Acad., 2000, pp. 149-152.

4. Chen X., Okamoto H. Global existence of solutions to the generalized Proudman-Johnson equation. Proc. Japan Acad., 2002, A, pp. 136-139.

Vol. 20, No. 02, 2017

Civil Aviation High Technologies

5. Morozov O.I. Contact equaivalence of the generalized Hunter-Saxton and the Euler-Poisson equation. 2004. Preprint www.arXiv.org: math-ph/0406016/

6. Морозов О.И. Линеаризуемость и интегрируемость обобщенного уравнения Калод-жеро - Хантера - Сакстона // Научный Вестник МГТУ ГА. 2006. № 114. С. 34-42.

7. Krasil'shchik I.S., Vinogradov A.M. Nonlocal symmetries and the theory of coverings. Acta Appl. Math., 1984, pp. 79-86.

8. Krasil'shchik I.S., Lychagin V.V., Vinogradov A.M. Geometry of jet spaces and nonlinear partial differential equations. Gordon and Breach, New York, 1986.

9. Krasil'shchik I.S., Vinogradov A.M. Nonlocal trends in the geometry of differential equations: symmetries, conservation laws, and Backlund transformations. Acta Appl. Math., 1989, pp. 161-209.

10. Beals R., Sattinger D.H., Szmigielski J. Inverse scattering solutions of the Hunter-Saxton equation. Applicable Analysis, 2001, issue 3-4, pp. 255-269.

11. Reyes E.G. The soliton content of the Camassa-Holm and Hunter-Saxton equations. Proceedings of Institute of Math., NAS of Ukraine, 2002, Part I, pp. 201-208.

12. Baran H., Marvan M. Jets. A software for differential calculus on jet spaces and diffieties. Available online at http://jets.math.slu.cz

13. Abramowitz M., Stegun I.A., (Eds). Handbook of mathematical functions, 10th print, National Bureau of Standards, 1972.

14. Whittaker E.T., Watson G.N. A course of modern analysis. 4th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1927, Reprinted 2002.

15. Kovacic J. An algorithm for solving second order linear homogeneus differential equations, J. Symbolic Comput., 1986, pp. 3-43.

16. Wahlquist H.D., Estabrook F.B. Prolongation structures of nonlinear evolution equations. J. Math. Phys., 1975, vol. 16, no. 1, pp. 1-7.

17. Zakharov V.E., Shabat A.B. Integration of nonlinear equations of mathematical physics by the method of inverse scattering, II, Funct. Anal. Appl., 1980, pp. 166-174.

18. Bryant R.L., Griffiths Ph.A. Characteristic cohomology of differential systems (II): conservation laws for a class of parabolic equations, Duke Math. J., 1995, pp. 531-676.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Морозов Олег Игоревич, доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры прикладной математики Университета Науки и Технологии, Краков, Польша, oimorozov@gmail.com.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.