Chương 1 KIÊN THỨC CƠ SỞ 1.1 Tính hyperbolic, hyperbolic ngặt Cho hệ luật bảo toàn có dạng ut [f(wl,=0, œ£cR, t>0 (1.1) dược gọi là hyperbolic néu nêu ma trận Jacobi A(n)=(22)1<¡j<p nhận p giá trỊ riêng cùng với một hệ p véc-tơ riêng tương ứng r1(0),?a2(u),.,rp(u) độc lập tuyến tính. Và nếu tất cả giá trị riêng là phân biệt: Ai(u) < Àa(u) <. < Ap(u) thì hệ (1.1) được gọi là hyperbolic ngặt. Bài toán đối với hệ (1.1) thỏa mãn điều kiện đầu u(œ,0) = ug(), «ER.2) Trong đó up là một hàm cho trước.
Dược gọi là bài toán Cauchy Học viên: Trần Thông Lưu 1 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Trong trường hợp uo có dạng: Ul; z<Ð0 ug (x) = ọ (1.3) Ur, x > Bài toán Cauchy với có dạng (1.3) được gọi là bài toán Riemann.2 Các trường thuần phi tuyến, suy bién tuyến tính 1.1 Hệ tuyến tính với hệ số hằng Xét hệ tuyến tính u¿ LA. uy)“ là véc-tơ cột, A là ma trận vuông, hằng số gồm p dong, p cot. Giả thiết rằng hệ hyperbolic ngặt, nghĩa là ma tran A thừa nhận p giá tri riêng thực phân biệt Ay < Ao <. < À; ứng với mỗi giá trị riêng A; ta chọn ra một véc-tơ riêng phải r; Arg = dure (1.5) Và một véc-to riêng trai là A= pre (1.6) Nghĩa là ?„ là một véc-to riêng cua AT.
Do các giá trị riêng là phân biệt, các véc-tơ r„, l1 < k <p, tạo nên một cơ sở của RP va ta có ljrp =0, J#k Hơn nữa ta có thể chuẩn hóa các véc-tơ là sao cho lr, = 1 Su dụng kí hiệu Kronecker ta thu được ly =ð}, 1<j7k<p (1.7) Học viên: Trần Thông Lưu 2 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Bây gid ta dat Pp tu = dạ, QQ, = hu k=1 Ta có Ou Ou = Oa), Oa), Do đó hệ cấp một (1.4) tương đương với p phương trình vô hướng On}, Oa}, — + \, — =0 l <k< at Ox SE SP Nhu vậy, ta có the đi đến một biểu thức tường minh cho nghiệm u của bai toán Cauchy Ø Ou — 5+ 18.9) k=1 Nói riêng, bay gid ta xét bài toán Riemann cho hệ (1.4) với dữ kiện dau UL; x<O u(x,t) = (1.10) UR; z>0 Nếu ta định nghĩa agp và apt, 1 < k < p bởi P P uL = ) dAkLTk: UR = › OkRTk k=1 k=1 Ta thu được kL, x< Apt ap (x,t) = QkR; x > Apt Hoc viên: Tran Thông Lưu 3 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Vì vậy nghiệm u của bài toán Riemamn (1.10) có dạng tự đồng dạng u(x,t) = WP th) .11) hp Hơn nữa, với Am < #/# < Ami, u nhận giá trị hằng số m Pp u(x,t) = ».12) k=1 k=m-+1 Với quy ưóc Ap = —00, Appi = +00. Nhu vậy, ta có ( W0 = UL; T <ÀI WI, Ay < F< r2 u(œ,9) =wr(Ssuriur) = 9 cà.13) Wp—1; Ap-1 < F< Ap Wp = UR; + > Ap ` Diều này chỉ ra rằng, nói chung, gián đoạn ban đầu vỏ ra thành p sóng gián đoạn, lan truyền với tốc đặc trưng Az, 1 < k < p Chú ý rằng các trạng thái trung gian w„„ thoả mãn Wm — Wm—-1 = (dạ — AmL) rm Và do đó A (Wm — Wm-_1) = Am (Wm — Wm-_1) Nhu vậy, ngang qua moi đường gián doan # = Amt, hệ thức bước nhảy Rankine-Hugoniot được thõa mãn.2 Trường đặc trưng thuần phi tuyến, suy biến tuyến tinh: Bay gid ta xét trường hợp tổng quát. Giả sử Q C RP là một tập con mở và ƒ:Q — RP là một hàm đủ trơn tùy ý (ít nhất là thuốc lớp C? ).Ta xét hệ luật bảo toàn phi tuyến ut [ƒ(u)y =0, œ£cR, t>0.14) Học viên: Trần Thông Lưu 4 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Trong đó w = (uq,uạ,. Dễ don giản, giả sử răng hệ (1.14) là hyperbolic ngặt, nghĩa là bất kỳ u € Q ma trận Jacobi p giá tri riêng thực phân biệt Ai(u) < Àa(u) <.15) Và một véc-tơ riêng trái Ig(w)“ l,(u)ˆ A(u) = Az (4) rau)” (1.
Do các giá trị riêng là phan biệt, các vé-to I, (u),1 < k < p tạo nên một cơ sở RP và cơ sở đối ngẫu của I, (u),1<k <p, và ta có, sử dụng ký hiệu Kronecher L; (u) rp (u) = oF, ue Q1<7k<p (1.18) Trường đặc trưng thứ k được gọi là suy biến tuyến tính nếu DA (u) rz (u) = 0, Yue Q (1.19) Trên day, DA,(u) = A/(u) € L(RP;R), là dao ham của Ay (w) và có thể đồng nhất với véc-to grandient VA, (u) € RP. Ví dụ: Xét trường hợp p=1, nghĩa là ta có một luật bảo toàn vô hướng. Khi đó, Nu) = a(u) = ƒ/(u) Hoc viên: Tran Thông Lưu D Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Từ đó, luật bảo toàn vô hướng là phi tuyên thật sự nếu và chỉ nêu a:(w) = fr(u) không triệt tiêu, tức là f là hàm lôi ngặt hoặc lõm ngặt. Mặt khác, luật bảo toàn vô hướng là suy biến tuyến tính khi và chỉ khi a/(u) = f//(u) =0 Diều đó có nghĩa là a(u) = a = cơnsf Như vậy ta trỏ về trường hợp một luật bảo toàn tuyến tính.3 Sóng giãn, sôc, gián đoạn tiêp xúc Sóng giãn: Cho uz,ur € 2.
Ta sẽ khảo sát các hàm liên tục trơn từng mảnh tự đồng dạngu : (x,t) > u(z,£) là nghiện của bài toán uự + ƒ{U)„ = 0 UL; <0 (1.21) hộ t Thay u từ (1.21) vào phương trình dao ham riêng (1.20) ta được Hay Học viên: Trần Thông Lưu 6 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng (6) =a(@)r,(0(6)), A,(o(6)) =€ Nếu wv’ (€) không triệt tiêu trên một khoảng thì do các giá trị riêng là phân biệt, chỉ số k không phụ thuộc vào € trong khoảng đó. Nếu ta lay đạo ham phương trình thứ hai đối với £ ta được Dry (ø (6) + (6 =1 Và sử dụng phương trình thứ nhất thì a (§) ĐÀk (0 (6)) re (ø(6)) =1 1.22) Phương trình (1.22) không thể giải được nếu trường dic trưng thứ k là suy biến tuyến tính. Nhưng nếu trường đặc trưng thứ k là phi tuyến thức sự, thì với việc chuẩn hóa DA, (w).23) Ar (v(§)) =§ Và như vậy là đường cong tích phan của trường rz. Nhu vậy, gia sử rang trường đặc trưng thứ k là phi tuyến thực sự và hàm v là nghiệm của (1.23) se VỚI 0(Akg(ur)) = uz, v (Ap (uR)) = ur.
Như vậy doi hỏi uz va up cùng năm trên một đường cong tích phan của rz và A, tăng từ đến dọc theo đường cong này. Lý luận trên chỉ ra rằng hàm [ UL, ÿ < Àp (uz) u(œ,) = Ệ 0(Ÿ), Aw(ux) < $< Ax (ur) (1.24) |” FZ Ak (wR) Hoc viên: Tran Thông Lưu 7 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Là một nghiệm yêu tự đồng dạng của (1. ([11|) Nghiệm yêu tự đồng dạng(1.14) được gọi là một sóng k-gian. Sự ton tại của các sóng giãn được cho bởi định lý sau.
(/11)) Giả sử rằng trường đặc trưng thú k là phá tuyến thực sự uới sự chuẩn hóa. Cho trước một trạng thái u„ € Q ton tai một đường cong Ry (uz) gom các trạng thái u € Q mà có thể nối vdi uz ve bến phải bởi một sóng k- giãn. Hon thé, ton tại một phép tham chiến hóa của Ry (uy) : s + dx (s) xác định uới 0 < s < sụ,sọ đủ bé sao cho 2 oy (3, uy,) = ut + srz (uz) + Dr (uz) .25) Chứng minh : gia stv: £ + 0 (£€) là nghiệm của phương trình vi phan uw (6) = Tp (0 (6)),£ > Ag (uz) (1.26) Với dữ kiện đầu Nghiệm v ton tại trong một khoảng A; (uz) < € < A, (uz) + sọ nào đó với so > 0 đủ bé.26) ta có AO) = ay (v(©) 0° ©) = Dre (vO) rà (e6) Va từ việc chuẩn hóa ta có dn (v() _ , dg Nhu vay v thoa man Xz (0 (€)) — Ag (0 (Ag (ur))) = € — Ak (uz) Va do do, tt (1.27) ta suy ra Ap (0(§)) =€ Học viên: Trần Thông Lưu 8 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Vậy hàm v là nghiệm của (1.27) được thỏa mãn Bây giờ ta định nghĩa Ry (ut) = {0 () 2 An (ur) § S Ax (ur) + s0} Như vậy đường cong Rz (uz) là tập hop tat cả các trang thái của Q mà có thể nối với uz, về bên phải bởi một sóng k-giãn. Dat: op (8; UL) = 0 (Ag (ut) + 5), Š 8 < sọ op (Ú; uy) = ur @;, (0; up) = v (Ag (ut)) = re (0 Ag (uz))) = rr (07) Do up (€) = Dre (0 (§)) cơ (6) = Dr (v (6)) -re (v (6): Ta nhận được ở (0;ur) = Dry, (uz) Trụ (uz) - Điều này chứng minh được (1.1 Sóng sốc, điều kiện entropy Xét luật bảo toàn vô hướng ut + ƒ(u)„ = 0, z=€Rt>0 (1.
Bat đẳng thức entropy: Với mọi cặp entropy (u,f) ta đều có : uy + f(u), <0 (1.29) Dã thay rằng với mỗi hàm lôi U, ham thông lượng entropy tương ứng được cho bởi Trong đó up là một giá trị tùy ý chọn trước. Học viên: Trần Thông Lưu 9 Khéa 2015-2017 Luận văn Thạc Sĩ Chuyên ngành: Toán Ứng Dụng Định nghĩa 1. ([11| ) Một sóng sốc của (1.28) là một nghiệm yêu u của (1.28) thỏa điều kiện entropy (1.29) và có dạng u_ % < st u(x,t) = (1.30) tị, % > st Trong đó u_u+, là các hằng số cho trước, w_ # +, được gọi là các trạng thái bên trái và trạng thái bên phải , s được gọi vận tốc sốc. Như vậy một sốc (1.29) thỏa hệ thức Rankine-Hugoniot —8(u+ —u_) + (ƒ (+) — f (u-)) =0 (1.31) Dinh lý sau day cho phép kiểm tra một cách trực quan khi nào thì một nghiệm yếu có dạng (1.32) là một sóng sốc Định lý 1.
(/11]) (Tiêu chuẩn Oleinik) Một gián doan (1.30) thỏa điều kiện entropy (1.29) nếu va chỉ nếu Ƒ(0)— ƒ(u_) ` f (+) — ƒ (u_) Vu € (u4,u_) (1.32) U — UR 7 ut — U— ) Tóc | Ngoài ra, điều kiện (1.32) suy ra bat dang thúc sốc Lax ƒ'(u)>s> ƒ (uy) (1.2 Gián đoạn tiếp xúc Cho trước hai trạng thái uz,urg € Q.Ta hãy khảo sát các nghiệm gián đoạn là hang số từng mảnh của (1.14) nối uy với wr. Nhắc lại rang dọc theo đường gián đoạn x = € (t) của một nghiệm yếu u của (1.14), u thỏa mãn hệ thức bước nhảy Rankine-Hugoniot ơ[u] = [f(w)] (1.34) Trong đó o = £ (t) là toc độ lan truyền gián doan. Từ đó một hàm UL, x < At, u(x,t) = ữ (1.