📄Работа №215281

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА НЕЕДИНСТВЕННОСТИ РЕШЕНИЙ ЗАДАЧИ ШОУОЛТЕРА – СИДОРОВА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЕФОРМАЦИИ ДВУТАВРОВОЙ БАЛКИ

📝
Тип работы Дипломные работы, ВКР
📚
Предмет информационные системы
📄
Объем: 54 листов
📅
Год: 2022
👁️
Просмотров: 6
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
ℹ️ Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.

📋 Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ХОФФА 10
1.1. Предварительные сведения 10
1.2. Построение фазового пространства 16
1.3. Неединственность решений задачи Шоуолтера – Сидорова . . 19
1.4. Выводы по первой главе 23
2. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ХОФФА 24
2.1. Алгоритм численного решения задачи Шоуолтера – Сидорова 24
2.2. Описание программы 26
2.3. Вычислительный эксперимент 30
2.4. Выводы по второй главе 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 49

📖 Введение

Широко используемая математическая модель процесса деформации двутавровой балки основывается на обобщенном уравнении Хоффа
2.5. — △)ut + аои + аи + а2и + ... + ак- 1и + аки + = у. (0.1)
Отклонения балки от вертикали представляет неизвестная функция и = и(х, t), х Е Q С Rn, t Е R+. Продольную нагрузку на балку и свойства материала балки характеризуют параметр А Е R+ и параметры аiЕ R, i = 0, к, соответственно, а у = у(х,1) является внешней нагрузкой на балку (боковая при п = 1).
В данной работе будем рассматривать задачу Шоуолтера – Сидорова:
А (и(х, 0) — ио(х)) + (ихх(х, 0) — иохх(х)) = 0, х Е (0,1) (0.2)
для уравнения Хоффа (0.1) в одномерном случае при к = 1
Аut + Uxxt = аи + ви3, t Е (0, Т), (0.3)
с условием Дирихле
u(x,t) = 0, х Е д^,t Е (0,Т). (0.4)
Целью работы является исследование вопроса неединственности решений для математической модели деформации двутавровой балки с начальным условием Шоуолтера – Сидорова в одномерном случае. Для достижения поставленной цели необходимо реализовать следующие задачи:
1) исследовать математическую модель Хоффа;
2) найти условия существования и единственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
3) найти условия существования нескольких решений задачи Шоуолте¬ра – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
4) разработать численный метод нахождения решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
5) разработать и реализовать программу нахождения численного решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа. Провести ряд вычислительных экспериментов, используя разработанную программу;
6) разработать интерфейс пользователя для программы нахождения численного решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одно-мерном случае.
В специальным образом подобранных функциональных банаховых пространствах возможно редуцировать начально-краевую задачу (0.2), (0.4)для уравнения (0.3)к задаче Шоуолтера – Сидорова
L (u(x, 0) — u0(x)) = 0 (0-5) для абстрактного полулинейного уравнения соболевского типа
Lu = Mu + N(u), ker L = 0. (0.6)
В работах [25, 28]замечено, что в силу вырожденности уравнения (0.6)решение задачи Коши
u(x, 0) = u0(x) (0-7)
для него не существует при произвольном начальном значении. Тогда как задача Шоуолтера – Сидорова (0.5)позволяет избежать трудностей изучения задачи Коши, однако возможна неединственность решения задачи (0.5), (0.6)[3, 37, 44].
В рамках научной школы Г.А. Свиридюка модель Хоффа исследовалась с разных сторон и с помощью различных методов. Например, в работах [36, 43]проводилось исследование уравнения Хоффа с аддитивным белым шумом в пространствах дифференциальных форм. В работе Загребиной С.А. рассматривалась многоточечная начально-конечная задача для линейной модели Хоффа [9]. Работа Н.А. Манаковой посвящена изучению оптимального управления процесса деформации [18], а в работе [16]исследовалось оптимальное управление решениями начально-конечной задачи для линейной модели Хоффа. В статье С.А. Загребиной и П.О. Пивоваровой рассматривалось устойчивость линейных уравнений Хоффа на графе [8].
М.А. Сагадеева и А.В. Генералов исследовали численное решение нестационарного линеаризованного уравнения Хоффа на геометрическом графе [41], а Ф.Л. Хасан в своей работе показал существование ограниченных на полуоси решений линеаризованного уравнения Хоффа в квазисоболевых про странствах [34]. О прямой и обратной задачах для уравнений Хоффа на графе посвящена работа А.А. Баязитовой и Г.А. Свиридюка [29], а в работе [2] исследована задача Шоуолтера – Сидорова для обобщенных уравнений Хоффа, заданных на конечном связном ориентированном графе.
Вопросы неединственности решений уравнений и систем уравнений, сводящихся к полулинейным уравнениям вида (0.6) и связи неединственности решений с существованием в фазовом пространстве уравнений (0.6) сборок и складок Уитни были освещены в следующих работах [5, 3, 39]. В работах [28, 5] было показано, что задача Шоуолтера – Сидорова для уравнения Корпусова – Плетнера – Свешникова может иметь два разных решения, а для системы уравнений Плотникова – три. В работе Бокаревой Т.А. для модели распространения нервного импульса в мембране и для модели автокаталитической реакции с диффузией было показано существование 2-сборки Уитни и 1-сборки Уитни соответственно. В статье Манаковой Н.А. и Гавриловой О.В. для модели распространения нервного импульса в мембране, основанной на вырожденной системе уравнений Фитц Хью – Нагумо, были выявлены условия существования неединственности решения задачи [39]. В статье [32] было проведено численное исследование задачи оптимального управления для вырожденной многокомпонентной математической модели распространения нервного импульса в системе нервов. Статья [33] посвящена изучению математической модели реакции - диффузии в трубчатом реакторе, заданной на геометрическом графе, где доказываются существование и единственность решения задачи Шоуолтера – Сидорова в слабом обобщенном смысле и существование оптимального управления слабыми обобщенными решениями рассматриваемой задачи. Также в статье Манаковой Н.А. и Гавриловой О.В. выявлены условия существования, единственности или множественности решений задачи Шоуолтера – Сидорова в зависимости от параметров системы для математической модели автокаталической реакции с диффузией, основанной на вырожденной системе уравнений брюсселятора.
Уравнения, неразрешенные относительно старшей производной, впервые были получены при изучении задач динамики тел с полостями, содержащими в себе жидкость. Исследования в данной области продолжили в своих работах С.В. Озеен, Ф.К.Ж. Одквист, У. Буссинеск и многие другие. В 40-х годах прошлого столетия С.Л. Соболев был первым, кто начал систематическое изучение начально-краевых задач для уравнений вида
L u.= Mu, (0.8)
где L и M дифференциальные операторы в частных производных по «пространственным» переменным. Поэтому уравнениями соболевского типа часто называют уравнения вида (0.6), (0.8) и их конкретные интерпретации (0.3)[14, 20, 23, 1]. В следствии того, что уравнения соболевского типа являются самостоятельной частью неклассических уравнений математической физики, интерес исследователей к этим уравнениям постоянно увеличивается. Данное явление способствует выходу большего числа публикаций, посвященных им [7, 10, 11, 21].
Уравнение (0.3) относится к широкому классу уравнений соболевского типа. Наиболее действенным и популярным подходом к изучению таких уравнений является метод фазового пространства Г.А. Свиридюка [24], основы которого были заложены при изучении полулинейного уравнения соболевского типа первого порядка. Сам метод заключается в редукции сингулярного уравнения (0.8) к регулярному, определенному на некотором специальным образом построенном подмножестве B, понимаемом как фазовое пространство (многообразие). Дальнейшее изучение морфологии (простоты или наличия особенностей) фазового многообразия B позволяет не только находить достаточные условия существования решения задачи (0.6), (0.7), но и исследовать вопрос единственности решения задачи (0.5), (0.6).
В данной работе для реализации численного решения задачи используется метод Галеркина. В случае вырожденных полулинейных уравнений (0.6) метод Галеркина является наиболее подходящим, так как он позволяет учитывать вырожденность уравнения для определенных параметров. Суть метода заключается в построении приближенных решений модели, коэффициенты которой удовлетворяют системе алгебро-дифференциальных уравнений с соответствующими начальными условиями. Впервые для полулинейных уравнений соболевского типа этот метод был рассмотрен Г.А. Свиридюком и Т.Г. Сукачевой [22]. В случае вырожденных полулинейных уравнений для нахождения приближенных решений метод Галеркина использовался в работах [46, 17, 12, 40]. М.А. Сагадеевой и С.А. Загребиной для начально-конечной задачи для неавтономного эволюционного уравнения соболевского типа. Н.А. Манаковой данный метод применялся с методом декомпозиции для изучения оптимального управления решений полулинейных уравнений соболевского типа. В работе А.А. Замышляевой и О.Н. Цыпленковой метод Галеркина использовался при оптимальном управлении для задачи Шоуолтера – Сидорова – Дирихле для уравнения Буссинеска – Лява высокого порядка. В работе [31] Гавриловой О.В. с помощью данного метода проводилось численное исследование модели автокаталической реакции с диффузией в вырожденном случае на конечном связном ориентированном графе с условием Шоуолтера – Сидорова, а в работе С.И. Кадченко и Е.А. Солдатовой – численное исследование стохастической модели Баренблатта – Желтова – Кочиной [13].
В данном исследовании будет рассмотрен вопрос неединственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для уравнения Хоффа (0.3) в случае ав< 0. При этом мы ограничимся условием ¿1ткег(А + Д) = 1, который заведомо выполняется при п = 1.
Работа, кроме введения и списка литературы, содержит две главы. В первой главе приводится аналитическое исследование модели Хоффа. В п.1 приведены предварительные теоретические сведения и вывод уравнения Хоффа. В п.2 проводится редукция задачи (0.2), (0.3) к абстрактной задаче (0.5), (0.6) и ее исследование, в п.3 найдены условия неединственности решений задачи (0.2) – (0.4). Во второй главе содержится численное исследование модели Хоффа. В п.1 описывается алгоритм численного метода, в п.2 приводится описание программного комплекса, а в п.3 результаты вычислительных экспериментов при различных начальных условиях

Возникли сложности?

Нужна качественная помощь преподавателя?

👨‍🎓 Помощь в написании

✅ Заключение

В выпускной квалификационной работе было проведено исследование математической модели деформации двутавровой балки, основанное на уравнение Хоффа, в одномерном случае. Найдены условия неединственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для математической модели деформации двутавровой балки. Разработан численный метод исследования задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа. Проведены вычислительные эксперименты. В рамках работы были реализованы следующие задачи:
1) исследована математическая модель Хоффа;
2) найдены условия существования и единственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
3) найдены условия существования нескольких решений задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
4) разработан численный метод нахождения решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа в одномерном случае;
5) разработана и реализована программа нахождения численного решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа.
6) разработан интерфейс пользователя для программы нахождения численного решения задачи Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа.

Нужна своя уникальная работа?
Срочная разработка под ваши требования
Рассчитать стоимость
ИЛИ

📕 Список литературы

1. Александрян, Р.А. Спектральные свойства операторов, порожденных системами дифференциальных уравнений типа Соболева / Р.А. Александрян // Труды Московского математического общества. – 1960. – Т. 9. – С. 455–505.
2. Баязитова, А.А. Задача Шоуолтера – Сидорова для модели Хоффа на геометрическом графе / А.А. Баязитова // Известия Иркутского государственного университета. Серия Математика. – 2011. – Т. 4, № 1. – С. 2–8.
3. Бокарева, Т.А. Сборки Уитни фазовых пространств некоторых полулинейных уравнений типа Соболева / Т.А. Бокарева, Г.А. Свиридюк // Математические заметки. – 1994. – Т. 55, № 3. – С. 3–10.
4. Гаврилова, О.В. О неединственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для одной математической модели деформации двутавро¬вой балки / О.В. Гаврилова, Н.Г. Николаева, Н.А. Манакова // Южно¬Уральская молодежная школа по математическому моделированию. – 2021. – С. 67–71.
5. Гильмутдинова, А.Ф. О неединственности решений задачи Шоуолтера – Сидорова для одной модели Плотникова / А.Ф. Гильмутдинова // Вестник СамГУ. – 2007. – № 9. – С. 85–90.
6. Гильмутдинова, А.Ф. Исследование математических моделей с феноменом неединственности: дис канд. физ.-мат. наук / А.Ф. Гильмутдинова; Юж.-Урал. гос. ун-т. – Челябинск, 2009. – 123 c.
7. Демиденко, Г.В. Уравнения и системы, не разрешенные относительно старшей производной / Г.В. Демиденко, С.В. Успенский. – Новосибирск: Научная книга, 1998.
8. Загребина, С.А. Устойчивость линейных уравнений Хоффа на графе / С.А. Загребина, П.О. Пивоварова // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2010. – № 5. – С. 11–16.
9. Загребина, С.А. Многоточечная начально-конечная задача для линейной модели Хоффа / С.А. Загребина // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2012. – № 11. – С. 4–12.
10. Загребина, С.А. Устойчивость в моделях Хоффа / С.А. Загребина, П.О. Москвичева. – Saarbrucken: LAMBERT Academic Publishing, 2012.
11. Замышляева, А.А. Линейные уравнения соболевского типа высокого порядка / А.А. Замышляева. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012.
12. Замышляева, А.А. Обратная задача для уравнения соболевского типа второго порядка / А.А. Замышляева, А.С. Муравьев // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2015. – Т. 2, № 3. – C. 5–12.
13. Кадченко, С.И. Численное исследование стохастической модели Баренблатта – Желтова – Кочиной / С.И. Кадченко, Е.А. Солдатова, С.А. Загребина // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2016. – Т. 9, № 2. – C. 117–123.
14. Костюченко, А.Г. Задача Коши для уравнений типа Соболева – Гальпер- на / А.Г. Костюченко, Г.И. Эскин // Труды Московского математического общества. – 1961. –Т. 10. – С. 273–285.
15. Манакова, Н.А. Задачи оптимального управления для уравнения Осколкова нелинейной фильтрации / Н.А. Манакова // Дифференциальные уравнения. – 2007. – T. 43, №9. – C. 1185-1192.
16. Манакова, Н.А. Оптимальное управление решениями начально¬конечной задачи для линейной модели Хоффа / Н.А. Манакова, А.Г. Дыльков // Математические заметки. – 2013. – Т. 94, № 2. – С. 225–236.
17. Манакова, Н.А. Метод декомпозиции в задаче оптимального управления для полулинейных моделей соболевского типа / Н.А. Манакова // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2015. – Т. 8, № 2. – C. 133–137.
18. Манакова, Н.А. Математические модели и оптимальное управление процессами фильтрации и деформации / Н.А. Манакова // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2015. – Т. 8, № 3. – С. 5–24.
19. Манакова, Н.А. Полулинейные модели соболевского типа. Неединственность решения задачи Шоуолтера – Сидорова / Н.А. Манакова, О.В. Гаврилова, К.В. Перевозчикова // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 84–100.
20. Осколков, А.П. Нелокальные задачи для одного класса нелинейных операторных уравнений, возникающих в теории уравнений типа / С.Л. Со-болев, А.П. Осколков // Записки научных семинаров ЛОМИ. – 1991. – Т. 198. – С. 31–48.
21. Сагадеева, М.А. Дихотомии решений линейных уравнений соболевского типа / М.А. Сагадеева. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012.
22. Свиридюк, Г.А. О галеркинских приближениях сингулярных нелинейных уравнений типа Соболева / Г.А. Свиридюк, Т.Г. Сукачева // Известия вузов. Математика. – 1989. – № 10. – С. 44–47.
23. Свиридюк, Г.А. Задача Коши для одного класса полулинейных уравнений типа Соболева / Г.А. Свиридюк, Т.Г. Сукачева // Сибирский математический журнал. – 1990. – Т. 31, № 5. – С. 109–119.
24. Свиридюк, Г.А. Фазовые пространства одного класса операторных полулинейных уравнений типа Соболева / Г.А. Свиридюк, Т.Г. Сукачева // Дифференциальные уравнения – 1990. – Т. 26, № 2. – С. 250–258.
25. Свиридюк, Г.А. Полулинейные уравнения типа Соболева с относительно секториальным оператором / Г.А. Свиридюк // ДАН. – 1993. – Т. 329, № 3. – С. 274–277.
26. Свиридюк, Г.А. Фазовое пространство начально-краевой задачи для уравнения Хоффа / Г.А. Свиридюк, В.О. Казак // Математические за¬метки. – 2002. – Т. 71, № 2. – С. 292–297.
27. Свиридюк, Г.А. Сборка Уитни в фазовом пространстве уравнения Хоффа / Г.А. Свиридюк, И.К. Тринеева // Известия Вузов. Математи¬ка. – 2005. –№ 10. – С. 54–60.
28. Свиридюк, Г.А. О складке фазового пространства одного неклассического уравнения / Г.А. Свиридюк, А.Ф. Карамова // Дифференциальные уравнения. – 2005. – Т. 41, № 10. – С. 1476–1581.
29. Свиридюк, Г.А. О прямой и обратной задачах для уравнений Хоффа на графе / Г.А. Свиридюк, А.А. Баязитова // Вестник СамГУ. – 2009. – Т. 1, № 18. – С. 6–17.
30. Хенри, Д. Геомерическая теория полулинейных параболических уравнений / Д. Хенри. – М.: Мир, 1985. – 376 c.
31. Gavrilova, O.V. Numerical Study of a Mathematical Model of an Autocatalytic Reaction with Diffusion in a Tubular Reactor / O.V. Gavrilova // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2018. – V. 5, № 3. – P. 24–37.
32. Gavrilova, O.V. A Numerical Study of the Optimal Control Problem for Degenerate Multicomponent Mathematical Model of the Propagation of a Nerve Impulse in the System of Nerves / O.V. Gavrilova // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2020. – V. 7, № 1. – P. 47–61.
33. Gavrilova, O.V. Optimal Control Over Solutions of a Multicomponent Model of Reaction-Diffusion in a Tubular Reactor / O.V. Gavrilova // Bulletin of the South Ural State University. Series: Mathematics. Mechanics. Physics. – 2020. –V. 12, № 1. –P. 4–23.
34. Hasan, F.L. The Bounded Solutions on a Semiaxis for the Linearized Hoff Equation in Quasi-Sobolev Spaces / F.L. Hasan // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2017. – V. 4, № 1. – P. 27–37.
35. Hoff, N.J. Creep Buckling / N.J. Hoff // Journal of the Aeronautical Science. – 1956. – № 7. – P. 1–20.
36. Kitaeva, O.G. Invariant Manifolds of the Hoff Model in «Noise» Spaces / O.G. Kitaeva // Bulletin of the South Ural State University. Series:
Mathematical Modelling and Programming. – 2021. – V. 14, № 4. – P. 24–35.
37. Manakova, N.A. Non-Classical Equations of Mathematical Physics. Phase Spaces of Semilinear Sobolev Equations / N.A. Manakova, G.A. Sviridyuk // Bulletin of the South Ural State University. Series: Mathematics. Mechanics. Physics. – 2016. –V. 8, № 3. –P. 31–51.
38. Manakova, N.A. Numerical Investigation for the Start Control and Final Observation Problem in Model of an I-Beam Deformation / N.A. Manakova, K.V. Vasiuchkova // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2017. – V. 4, № 2. – P. 26–40.
39. Manakova, N.А. About Nonuniqueness of Solutions of the Showalter – Sidorov Problem for One Mathematical Model of Nerve Impulse Spread in Membrane / N.А. Manakova, O.V. Gavrilova // Bulletin of the South Ural State University. Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software. – 2018. –V. 11, № 4. –P. 161–168.
40. Manakova, N.A. Numerical Investigation of the Optimal Measurement for a Semilinear Descriptor System with the Showalter–Sidorov Condition: Algorithm and Computational Experiment / N.A. Manakova, O.V. Gavrilova, K.V. Perevozchikova // Differential Equations and Control Processes. – 2020. –№ 4. –P. 115–126.
41. Sagadeeva, M.A. Numerical Solution for Non-Stationary Linearized Hoff Equation Defined on Geometrical Graph / M.A. Sagadeeva, A.V. Generalov // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2018. – V. 5, № 3. – P. 61–74.
42. Sagadeeva, M.A. Optimal Control of Solutions of a Multipoint Initial-Final Problem for Non-Autonomous Evolutionary Sobolev Type Equation / M.A. Sagadeeva, S.A. Zagrebina, N.A. Manakova // Evolution Equations and Control Theory. – 2019. –V. 8, № 3. –P. 473–488.
43. Shafranov, D.E. Numerical Solution of the Hoff Equation with Additive "White Noise"in Spaces of Differential Forms on a Torus / D.E. Shafranov // Journal of Computational and Engineering Mathematics. – 2021. – V. 8, № 2. – P. 46–55.
44. Sviridyuk, G.A. About One Showalter Problem / G.A. Sviriduk // Differential Equations. – 1989. –V. 23, № 2. –P. 338–339.
45. Sviridyuk, G.A. Linear Sobolev Type Equations and Degenerate Semigroups of Operators / G.A. Sviridyuk, V.E. Fedorov. – Utrecht: VSP, 2003.
46. Zamyshlyaeva, A.A. Optimal Control of Solutions of the Showalter– Sidorov–Dirichlet Problem for the Boussinesq–Love Equation / A.A. Zamyshlyaeva, O.N. Tsyplenkova // Differential Equations. – 2013. –V. 49, № 11. –P. 1356–1365.

🛒 Оформить заказ

Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.

©2026 Cервис помощи студентам в выполнении работ