طريقة حل المعادلات التفاضلية الجزئية
المعادلات التفاضلية الجزئية من الدرجة الأولى
المعادلات التفاضلية الجزئية الخطية هي المعادلات التي يمكن كتابتها على النحو التالي:
.(1) وبالنسبة للتابع ، ويمكن كتابة معادلة المنحنى على النحو التالي:وهذه المعادلة تقودنا إلى ما يَسمَى جملة المعادلات المساعدة للمعادلة رقم (1)، ويُعبّر عنها كالتالي:
وإذا كانت قيمة الطرف في المعادلة رقم (1) تساوي صفر عندها نُسميها معادلة متجانسة . ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية؟
" data-answer="نبدأ بتحديد جملة المساعدات:
وعليه فإن الحل العام هو:
" data-content=" السؤال:
ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية؟
الحل:نبدأ بتحديد جملة المساعدات:
وعليه فإن الحل العام هو:
" data-denotation-char="" data-editor-class="editor-1" data-id="2fec8ff8_0062_473f_9ed9_530affc94cf8" data-index="553" data-panel-type="faq" data-ref=""> السؤال:
ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية؟
الحل:نبدأ بتحديد جملة المساعدات:
وعليه فإن الحل العام هو:
وبالانتقال لمثالٍ آخر: ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية: ؟
" data-answer="بالبداية نذكر أن جملة المعادلات المساعدة هي:
ومنها نجد أن:
وعليه فإن الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية هو:
" data-content=" السؤال:ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية:
؟
الحل:بالبداية نذكر أن جملة المعادلات المساعدة هي:
ومنها نجد أن:
وعليه فإن الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية هو:
" data-denotation-char="" data-editor-class="editor-1" data-id="0891684a_45eb_40fa_ad3d_c212fe60c8b5" data-index="577" data-panel-type="faq" data-ref=""> السؤال:ما الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية التالية:
؟ الحل:بالبداية نذكر أن جملة المعادلات المساعدة هي:
ومنها نجد أن:
وعليه فإن الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية هو:
المعادلات التفاضلية الجزئية من الدرجة الثانية
إذا كان u تابعاً لمتغيرين مستقلين x و y ، فإن الشكل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية الخطية من المرتبة الثانية هو:
وكما يتضح فإن التوابع هنا تتمثل ب:
والمتغيرين المستقلين هما فقط كل من:
. ويمكن القول بأن المعادلة الخطية متجانسة إذا كان ، ويمكن للمعادلة التفاضلية الجزئية من الدرجة الثانية أن تكون متناقصة أو متزايدة أو متكافئة، فعلى سبيل المثال:- إذا كانت قيمة F أقل من 0 فهي متناقصة.
- إذا كانت قيمة F تساوي من 0 فهي متكافئة.
- إذا كانت قيمة F أكبر من 0 فهي متزايدة.
بالإضافة لما سبق يمكن حل المعادلات التفاضلية الجزئية الخطیة من المرتبة الثانية بعدة طرق وهي:
- الطريقة المباشرة
حيث يمكن تعيين الحل العام لبعض المعادلات التفاضلية الجزئية الخطیة عن طريق تكامل أحد المتغيرات المشتقة بشكل مباشر.
- طريقة فصل المتغيرات
حيث يمكن تعيين الحل العام لبعض المعادلات التفاضلية الجزئية الخطیة المتجانسة عن طريق فصل المتغيرات ومبدأ التركيب الخطي والذي ينص على أن التركيب الخطي لبعض حلول المعادلات التفاضلية الجزئية الخطیة المتجانسة هو حلٌ لها، بلغة أخرى تعني أن يتم تحويل المعادلة التفاضلية الجزئية ذات n من المتغيرات المستغلة إلي n من المعادلات التفاضلية الاعتيادية.
- طريقة سلاسل فورير
حيث يمكن استخدام هذه الطريقة لبعض المعادلات التفاضلية الجزئية الخطیة المتجانسة والتي لديها شروط ولا نستطيع إيجاد حلها بالطرق السابقة.
- طريقة المعادلة المساعدة
إذا كانت المعادلة التفاضلیة الجزئیة خطیة ومتجانسة ذات أمثال ثابتة وجمیع حدودها من نفس الدرجة مثل:
مفهوم المعادلات التفاضلية الجزئية وما يتعلق بها
المعادلات التفاضلية الجزئية هي المعادلات التي تحتوي على أكثر من متغير والمشتقات الجزئية لهذا التابع بالنسبة لمتغيراته، ومرتبة المعادلة التفاضلية هي أعلى مرتبة اشتقاق جزئي للمعادلة، فعلى سبيل المثال: ما مرتبة المعادلة التفاضلية التالية:
" data-answer="معادلة من الدرجة الثانية.
" data-content=" السؤال:ما مرتبة المعادلة التفاضلية التالية:
الحل:معادلة من الدرجة الثانية.
" data-denotation-char="" data-editor-class="editor-1" data-id="11799889_46ce_4ce8_8610_ba505e9b665a" data-index="447" data-panel-type="faq" data-ref=""> السؤال:ما مرتبة المعادلة التفاضلية التالية:
الحل:معادلة من الدرجة الثانية.
يتوجب قبل البدء بأي حلول، تحديد فيما إذا كانت المعادلة خطية أو غير خطية؛ فالمعادلة الخطية هي المعادلة التي لا تتضمن فيها المعادلة وأي حد منها أو الشروط الأولية أي حاصل ضرب من المتغيرات التابعة أو مشتقاتها.
وحل المعادلة التفاضلية الجزئية هو أي تابع يحقق المعادلة التفاضلية الجزئية، والحل العام للمعادلة التفاضلية نقصد به الحل الذي يحوي توابع اختيارية عددها يساوي مرتبة المعادلة، بينما يُعرّف الحل الخاص على أنه كل حل ينتج عن عبارة الحل العام لها بعد تعيين قيم محددة للتوابع الاختيارية التي يحتويها الحل العام بشرط أن تتوافق وشروط المسألة.
فلنأخذ مثالًا بسيطًا، المعادلة التالية على سبيل المثال التابع التالي:
هو الحل العام للمعادلة التفاضلية الجزئية:
حيث أنها معادلة من المرتبة الثانية والتابع الذي ذكرناه يحقق المعادلة ويحوي تابعين اختياريين هما .وكمثال على الحل الخاص فإن:
هو مثال على الحل الخاص للمعادلة التفاضلية الجزئية، وهذا يقودنا إلى ما يُسمى بالمعادلة الحدية وهي المسألة التي تتألف من معادلة تفاضلية جزئية بالإضافة لبعض الشروط التي تتعلق بحدود منطقة المتغيرات والتي ندرس المعادلة ضمنها.
تصنيف المعادلات التفاضلية
تُصنف المعادلات التفاضلية الجزئية بناء علي اعتبارات عدة والتصنيف ذو مفهوم مهم؛ لأن النظرية العامة وطريقة الحل عادة تُطبق على صنف معين من المعادلات، وتُصنف المعادلات التفاضلية الجزئية إلي 6 أصناف هي:
- حسب رتبة المعادلة التفاضلية الجزئية (أولى، ثانية، إلخ).
- حسب عدد المتغيرات (ذات متغيرين، ذات متغيرات).
- حسب صفة الخطية (خطية وغير خطية).
- حسب التجانس (متجانسة وغير متجانسة).
- حسب نوعية المعاملات (ثابتة أو متغيرة).
- حسب الأنماط الثلاثة الأساسية للمعادلات الخطية (متزايد، متكافئ، متناقص).
أهمية المعادلات التفاضلية الجزئية
تتأتى أهمية المعادلات التفاضلية الجزئية لأن معظم الفيزياء الرياضية توصَف بمثل هذه المعادلات؛ فعلى سبيل المثال لا الحصر:
- ديناميات الموائع.
- ديناميكيات الوسائط المستمرة.
- النظرية الكهرومغناطيسية.
- ميكانيكا الكم .
- تدفق حركة المرور.
كما ويمكن وصف غالبية الظواهر الفيزيائية من خلال المعادلات التفاضلية الجزئية، مثل:
- معادلة نافييه-ستوكس لديناميكا الموائع.
- معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية .
- معادلة الحرارة.
- معادلة الموجة.
- معادلة لابلاس.
- معادلة هيلمهولتز.
- معادلة كلاين-جوردون.
- معادلة بواسون.
- معادلة برجر.