Preview

Вестник НИЯУ МИФИ

Расширенный поиск

Уравнение Кортевега – де Вриза – Бюргерса с нелинейным источником: редукция, тест Пенлеве, первые интегралы и аналитические решения

https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.4.3

EDN: FTZRKZ

Аннотация

Изучается уравнение Кортевега – де Вриза – Бюргерса с нелинейным источником. Задача Коши для этого уравнения в общем случае не решается методом обратного преобразования рассеяния. Однако, уравнение допускает группу преобразований сдвига по независмым переменным и поэтому рассматривается с учетом переменных бегущей волны. Для исследования аналитических свойств нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения применяются три шага теста Пенлеве. Показано, что в общем случае уравнение не проходит тест Пенлеве. Из анализа существования ряда Лорана для общего решения дифференциального уравнения получены условия на параметры математической модели при которых уравнение проходит тест Пенлеве и, следовательно, выполняются необходимые условия существования общего решения для четырех случаев нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения. Принимая во внимание значения индексов Фукса найдены первый интеграл соответствующего нелинейного обыкновенного дифференцишльного уравнения. Показано, что общие решения одного из нелинейных обыкновенных  дифференциальных уравнений выражаются через эллиптическую функцию Вейерштрасса, а решения  другого уравнения имеет решение представимые через трансценденты первого уравнения Пенлеве при определенных параметрических ограничениях на параметры уравнения. Обсуждается взаимосвязь между тестом Пенлеве и специальными методами нахождения точных решений нелинейных дифференциальных уравнений. Специальные методы используются для построения аналитических решений с одной и двумя произвольными постоянными. Получены точные решения с двумя произвольными постоянными, выраженными через эллиптическую функцию Вейерштрасса. С помощью метода логистических функций найдены точные решения уравнения Кортевега-де Вриза-Бюргерса с нелинейным источником с одной произвольной постоянной. Показано, что семейство уравнений, для которых найдены точные решения, значительно расширяется в случае использования специальных методов.

Об авторе

Н. А. Кудряшов
Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Россия


Список литературы

1. Korteweg D. J., de Vries G. On the Change of Form of Long Waves advancing in a Rectangular Canal and on a New Type of Long Stationary Wave // Philosophical Magazine Series 5, 1895. V.39 (240), P. 422-443, doi.org/10.1080/14786449508620739.

2. Russel J. S. Report on Waves // Report of the 14th Meeting of the British Association for the Advancement of Science, York, September 1844 (London 1845), P. 311 – 390.

3. Zabusky N.J. , Kruskal M.D. Interaction of "Solitons" in a collisionless plasma and the recurrence of initial states // Physical Review Letters, 1965. V. 15, iss. 6. P. 240 – 243, doi : 10.1103/PhysRevLett.15.240.

4. Gardner C. S., Greene J. M. , Kruskal M. D., Miura R. M. Method for solving the Korteweg-deVries equation // Physical Review Letters, 1967. V.19, P. 1095 – 1097. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1095.

5. Kudryashov N.A. Exact soliton solutions of the generalized evolution equation of wave dynamics // Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 1988. V. 52. iss. 3. P 361 – 365. doi : 10.1016/0021-8928(88)90090-1.

6. Kudryashov N. A. On "new travelling wave solutions" of the KdV and the KdV-Burgers equations // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009. V.14. iss. 5. P. 1891 – 1900. doi : 10.1016/j.cnsns.2008.09.020.

7. Feng Zh., Wang X. The first integral method to the two-dimensional Burgers-Korteweg-de Vries equation // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 2003. V. 308, iss.2 – 3, P.173 – 178. doi : 10.1016/S0375-9601(03)00016-1.

8. Feng Zh. The first-integral method to study the Burgers-Korteweg-de Vries equation // Journal of Physics A: Mathematical and General, 2002. V.35, iss.2. P. 343 – 349. doi: 10.1088/0305-4470/35/2/312.

9. Bona J.L. Travelling-wave solutions to the Korteweg-de Vries-Burgers equation // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh: Section A Mathematics, 1985. V. 101, iss.3-4. P. 207 – 226. doi: 10.1017/S0308210500020783.

10. Parkes E.J. , Duffy B.R. Travelling solitary wave solutions to a compound KdV-Burgers equation // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 1997. V.229. iss. 4. P. 217 – 220. doi: 10.1016/S0375-9601(97)00193-X.

11. El-Ajou A., Arqub O. Abu, Momani Sh. Approximate analytical solution of the nonlinear fractional KdV-Burgers equation: A new iterative algorithm // Journal of Computational Physics, 2015. V.293. P. 81 – 95. doi : 10.1016/j.jcp.2014.08.004.

12. Parkes E.J. Exact solutions to the two-dimensional Korteweg-de Vries-Burgers equation // Journal of Physics A: Mathematical and General, 1994. V. 27. iss.13, P. L497 – L501. doi : 10.1088/0305-4470/27/13/006.

13. Soliman A.A. A numerical simulation and explicit solutions of KdV-Burgers’ and Lax’s seventh-order KdV equations // Chaos, Solitons and Fractals, 2006. V.29. iss. 2. P. 294 – 302, doi : 10.1016/j.chaos.2005.08.054.

14. Feng Zh. On explicit exact solutions to the compound Burgers-KdV equation // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 2002.V. 293 . iss.1-2. P.57 – 66. doi: 10.1016/S0375-9601(01)00825-8.

15. Kudryashov N.A. On types of nonlinear nonintegrable equations with exact solution // Physics Letters A, 1991. V. 155. iss.4-5. P. 269 – 275. doi:10.1016/0375-9601(91)90481-M.

16. Kudryashov N.A. Logistic function as solution of many nonlinear differential equations // Applied Mathematical Modelling, 2015. V. 39. iss.18. P. 5733 – 5742. doi:10.1016/j.apm.2015.01.048.

17. Kudryashov N.A. Painleve analysis and exact solutions of the Korteweg-de Vries equation with a source // Applied Mathematics Letters, 2015. V. 41. P. 41 – 45. doi:10.1016/j.aml.2014.10.015.

18. Fisher R.A. The wave of adance of advantageous genes // Annals of eugenics, 1937. V.7. P. 335 – 369.

19. McCue S.W., El-Hachem M., Simpson M. J. Exact sharp-fronted travelling wave solutions of the Fisher-KPP equation // Applied Mathematics Letters, 2021, V.114. Article number: 106918. doi : 10.1016/j.aml.2020.106918.

20. Lu B.Q., Xiu B.Z., Pang Z.L., Jiang X.F. Exact traveling wave solution of one class of nonlinear diffusion equations // Physics Letters A, 1993,175, 2, 113 – 115, doi = 10.1016/0375-9601(93)90131-I.

21. Kudryashov N.A. Exact solutions of a family of Fisher equations. Theoretical and Mathematical Physics, 1993. V.94. iss. 2. P. 211 – 218. doi : 10.1007/BF01019332.

22. Aggarwal S.K. Some numerical experiments on fisher equation // International Communications in Heat and Mass Transfer, 1985. V.12. iss. 4. P.417 – 430. Doi: 10.1016/0735-1933(85)90036-3.

23. Broadbridge P., Bradshaw-Hajek B.H. Exact solutions for logistic reaction–diffusion equations in biology // Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Physik, 2016. V.67, no.4 P.1-13. doi : 10.1007/s00033-016-0686-3.

24. Kudryashov N. A. Exact solitary waves of the Fisher equation // Physics Letters, Section A: General Atomic and Solid State Physics, 2005. V.342. №.1-2. P.99 – 106. doi :10.1016/j.physleta.2005.05.025.

25. Ebadi Gh., Biswas A. Application of the -expansion method for nonlinear diffusion equations with nonlinear source // Journal of the Franklin Institute, 2010. V.347. №.7. P.1391 – 1398, doi : 10.1016/j.jfranklin.2010.05.013.

26. Hayek M. Exact and traveling-wave solutions for convection-diffusion-reaction equation with power-law nonlinearity // Applied Mathematics and Computation, 2011. V. 218. iss. 6. P.2407 – 2420, doi : 10.1016/j.amc.2011.07.034.

27. Petrovskii S., Shigesada N. Some exact solutions of a generalized Fisher equation related to the problem of biological invasion // Mathematical Biosciences, 2001. V.172. № 2. P.73 – 94, doi : 10.1016/S0025-5564(01)00068-2.

28. Kowalevski S. Sur le probleme de la rotation d’un corps solide autour d’un point fixe //Acta Mathematica, 1889. V.12. №1. P. 177 – 232. doi:10.1007/BF02592182.

29. Kowalevski S. Sur une propriété du systém d’ uations différentielles qui définit la rotation d’un corps solide autour d’un point fixe // Acta Mathematica, 1890, V.14. №1. P. 81 – 93. doi:10.1007/BF02413316.

30. Ablowitz M.J., Ramani A., Segur H. A. Сonnection between nonlinear evolution equations and ordinary differential equations of P-type. I // Journal of Mathematical Physics,1979. V.21. iss.4. P.715 – 721. doi:10.1063/1.524491.

31. Ablowitz M.J., Ramani A., Segur H. Nonlinear evolution equations and ordinary differential equations of painleve type // Lettere al Nuovo Cimento, 1978. V.23. iss. 9. Р. 333-338. doi:10.1007/BF02824479.

32. Ablowitz M.J., Ramani A.,Segur H. A connection between nonlinear evolution equations and ordinary differential equations of P-type. II // Journal of Mathematical Physics, 1979. V. 21, iss.5. P. 1006 – 1015, doi=10.1063/1.524548.

33. Kudryashov N. A. Painleve analysis of the Sasa–Satsuma equation // Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics, 2024. V. 525, doi: 10.1016/j.physleta.2024.129900.

34. Kudryashov N. A. Painleve analysis of the resonant third-order nonlinear Schrödinger equation // Applied Mathematics Letters, 2024. V.158. doi : 10.1016/j.aml.2024.109232.

35. Drazin P.G., Johnson R.S. Solitons: An Introduction. Cambridge: Cambridge University Press, 1989. 226 p.

36. Ablowitz M.J., Clarkson P.A. Solitons Nonlinear Evolution Equations and Inverse Scattering. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. 516 p.

37. Kudryashov N. A. Mathematical model of propagation pulse in optical fiber with power nonlinearities // Optik, 2020. V. 212(4). doi: 10.1016/j.ijleo.2020.164750.

38. Kudryashov N. A. Simplest equation method to look for exact solutions of nonlinear differential equations // Chaos, Solitons and Fractals, 2005. V.24, №5. P.1217 – 1231, doi: 10.1016/j.chaos.2004.09.109.

39. Kudryashov N.A. One method for finding exact solutions of nonlinear differential equations // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2012. V.17. № 6. P. 2248 – 2253. doi : 10.1016/j.cnsns.2011.10.016.

40. Vitanov N. K., Dimitrova Z. I., Kantz H. Modified method of simplest equation and its application to nonlinear PDEs // Applied Mathematics and Computation, 2010. V.216, № 9. P.2587 – 2595. doi : 10.1016/j.amc.2010.03.102.

41. Ahmed H. M., El-Sheikh M.M.A.,Arnous Ah. H. , Rabie W.B. Construction of the Soliton Solutions for the Manakov System by Extended Simplest Equation Method // International Journal of Applied and Computational Mathematics, 2021. V.7(6). doi = 10.1007/s40819-021-01183-3.

42. Zayed E.M.E., Shohib R..M.A., Al-Nowehy A.-G. On solving the (3+1)-dimensional NLEQZK equation and the (3+1)-dimensional NLmZK equation using the extended simplest equation method //Computers and Mathematics with Applications, 2019. V.78. №10, P.3390 – 3407, doi: 10.1016/j.camwa.2019.05.007.

43. Vitanov N. K. Modified method of simplest equation for obtaining exact solutions of nonlinear partial differential equations: History, recent developments of the methodology and studied classes of equations // Journal of Theoretical and Applied Mechanics (Bulgaria), 2019. V.49. iss.2. P. 107 – 122.

44. Vitanov N. K.,Dimitrova Z.I. Modified method of simplest equation applied to the nonlinear Schrodinger equation // Journal of Theoretical and Applied Mechanics (Bulgaria), 2018. V.48, iss.1. P.59 – 68. Doi: 10.2478/jtam-2018-0005.

45. Zayed E.M.E., Shohib R.M.A. Optical solitons and other solutions to Biswas–Arshed equation using the extended simplest equation method // Optik, 2019. V.185. P. 626 – 635. doi : 10.1016/j.ijleo.2019.03.112.

46. Chen Ch., Jiang Y.-Lin. Simplest equation method for some time-fractional partial differential equations with conformable derivative // Computers and Mathematics with Applications, 2018. V.75. №8, P.2978 –- 2988. doi : 10.1016/j.camwa.2018.01.025.

47. Biswas A., Mirzazadeh M.,Savescu M., Milovic D., Khan K. R., Mahmood M.F. ,Belic M. Singular solitons in optical metamaterials by ansatz method and simplest equation approach // Journal of Modern Optics, 2014. V.61, iss.19. P. 1550 – 1555. doi : 10.1080/09500340.2014.944357.

48. Vitanov N. K. On modified method of simplest equation for obtaining exact and approximate solutions of nonlinear PDEs: The role of the simplest equation // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2011. V.16. iss.11. P.4215 – 4231. doi : 10.1016/j.cnsns.2011.03.035.

49. Antonova A. O. , Kudryashov N. A. Generalization of the simplest equation method for nonlinear non-autonomous differential equations // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2014, V.19. iss.11. P.4037 – 4041. doi: 10.1016/j.cnsns.2014.03.035.

50. Zayed E.M.E., Shohib R.M.A., Al-Nowehy A.l-Gh. Solitons and other solutions for higher-order NLS equation and quantum ZK equation using the extended simplest equation method // Computers and Mathematics with Applications, 2018. V.76, №9. P.2286 – 2303. doi : 10.1016/j.camwa.2018.08.027.

51. Khalique Ch. M. Solutions of a generalized complexly coupled Korteweg-de Vries system using simplest equation method // Proceedings – 2014 International Conference on Computational Science and Computational Intelligence, CSCI 2014. P. 223 – 225, doi: 10.1109/CSCI.2014.123.

52. Kudryashov N. A., Loguinova N.B. Extended simplest equation method for nonlinear differential equations // Applied Mathematics and Computation, 2008. V.205, №1, P.396 – 402. doi: 10.1016/j.amc.2008.08.019.

53. Seadawy Aly R. ,Yasmeen A., Raza N., Althobaiti S. Novel solitary waves for fractional (2+1)-dimensional Heisenberg ferromagnetic model via new extendedgeneralized Kudryashov method // Physica Scripta, 2021. V.96(12). doi: 10.1088/1402-4896/ac30a4.

54. Zayed E. M. E., El-Shater M., Arnous Ah. H., Yildirim Y.,Hussein L., Jawad A. J. M., Veni S.S., Biswas A. Quiescent optical solitons with Kudryashov’s generalized quintuple-power law and nonlocal nonlinearity having nonlinear chromatic dispersion with generalized temporal evolution by enhanced direct algebraic method and sub-ODE approach // European Physical Journal Plus, 2024. V.139 (10). doi: 10.1140/epjp/s13360-024-05636-8.

55. Zhou J. , Ju L., Zhao Sh., Zhang Y. Exact Solutions of Nonlinear Partial Differential Equations Using the Extended Kudryashov Method and Some Properties // Symmetry, 2023. V.15. iss.12. doi : 10.3390/sym15122122.

56. Ekici M. Exact Solutions to Some Nonlinear Time-Fractional Evolution Equations Using the Generalized Kudryashov Method in Mathematical Physics // Symmetry, 2023. V.15, iss.10. Article id.1961. doi : 10.3390/sym15101961.

57. Arnous Ah., Biswas A.,Yildirim Y., Zhou Q., Liu W., Alshomrani A. S., Alshehri H.M. Cubic–quartic optical soliton perturbation with complex Ginzburg–Landau equation by the enhanced Kudryashov’s method // Chaos, Solitons and Fractals, 2022, V.155. doi = 10.1016/j.chaos.2021.111748.

58. Rabie W. B., Ahmed H.M., Hashemi M. S., Mirzazadeh M., Bayram M. Generating optical solitons in the extended (3 + 1)-dimensional nonlinear Kudryashov’s equation using the extended F-expansion method // Optical and Quantum Electronics, 2024. V.56 (5). doi = 10.1007/s11082-024-06787-9.

59. Cinar M.,Secer A., Ozisik M., Bayram M. Optical soliton solutions of (1 + 1)-and (2 + 1)-dimensional generalized Sasa-Satsuma equations using new Kudryashov method // International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2023. V.20(2). doi = 10.1142/S0219887823500342.

60. Ali Kh.K., Mehanna M.S., Abdel-Aty A.-H., Wazwaz A.-M. New soliton solutions of Dual mode Sawada Kotera equation using a new form of modified Kudryashov method and the finite difference method, // Journal of Ocean Engineering and Science, 2024. V.9. iss.3. P.207 – 215. doi :10.1016/j.joes.2022.04.033.

61. Ozisik , M., Secer A.,Bayram M. On the investigation of chiral solitons via modified new Kudryashov method // International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2023. V.20 (7). doi : 10.1142/S0219887823501177.

62. Zayed E.M.E.,Gepreel Kh.A., Alngar M.E.M. Addendum to Kudryashov’s method for finding solitons in magneto-optics waveguides to cubic-quartic NLSE with Kudryashov’s sextic power law of refractive index // Optik, 2021. V. 230. Doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166311.

63. Rabie W. B., Ahmed H.M. Construction cubic-quartic solitons in optical metamaterials for the perturbed twin-core couplers with Kudryashov’s sextic power law using extended F-expansion method //Chaos, Solitons and Fractals, 2022. V.160. doi = 10.1016/j.chaos.2022.112289.


Рецензия

Для цитирования:


Кудряшов Н.А. Уравнение Кортевега – де Вриза – Бюргерса с нелинейным источником: редукция, тест Пенлеве, первые интегралы и аналитические решения. Вестник НИЯУ МИФИ. 2025;14(4):298-317. https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.4.3. EDN: FTZRKZ

For citation:


Kudryashov N.A. The Korteweg – de Vries – Burgers equation: with nonlinear source, reduction, the Painlevé test, first integrals and analytical solutions. Vestnik natsional'nogo issledovatel'skogo yadernogo universiteta "MIFI". 2025;14(4):298-317. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.4.3. EDN: FTZRKZ

Просмотров: 36


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2304-487X (Print)