disertatie bucur iulia roberta

61
1 UNIVERSITATEA DIN PITEŞTI FACULTATEA DE MATEMATICĂ-INFORMATICĂ MASTER-MATEMATICĂ APLICATĂ LUCRARE DE DISERTAŢIE Coordonator: Conf. univ. dr. BOGDAN NICOLESCU Masterand: IULIA-ROBERTA BUCUR -2012-

Upload: bucurradupl

Post on 25-Jul-2015

291 views

Category:

Documents


23 download

TRANSCRIPT

Page 1: Disertatie Bucur Iulia Roberta

1

UNIVERSITATEA DIN PITEŞTI

FACULTATEA DE MATEMATICĂ-INFORMATICĂ

MASTER-MATEMATICĂ APLICATĂ

LUCRARE DE DISERTAŢIE

Coordonator:

Conf. univ. dr. BOGDAN NICOLESCU

Masterand:

IULIA-ROBERTA BUCUR

-2012-

Page 2: Disertatie Bucur Iulia Roberta

2

UNIVERSITATEA DIN PITEŞTI

FACULTATEA DE MATEMATICĂ-INFORMATICĂ

MASTER-MATEMATICĂ APLICATĂ

METODA HOMOTOPIEI

Coordonator:

Conf. univ. dr. BOGDAN NICOLESCU

Masterand:

IULIA-ROBERTA BUCUR

-2012-

Page 3: Disertatie Bucur Iulia Roberta

3

Cuprins

Cuprins ...................................................................................................................... 3

Introducere ............................................................................................................... 4

Capitolul 1. Metoda homotopiei ............................................................................. 6

1. Descrierea metodei homotopiei ........................................................................ 6

2. Proprietăţi ale derivatei homotopiei................................................................11

Capitolul 2. Aplicaţie a metodei homotopiei pentru ecuaţia lui Blasius ...........19

1. Formularea problemei pentru ecuaţia lui Blasius ............................................19

2. Obţinerea seriei de puteri cu ajutorul tehnicilor de perturbaţie ..........21

3. Seria de puteri a lui Blasius .............................................................................23

4. Metoda homotopiei ..........................................................................................27

5. Convergenta şirului de soluţii aproximative .....................................32

Capitolul 3. Unele rezultate numerice ..................................................................35

1. Expresia analitică a soluţiei ecuaţiei lui Blasius ..............................................35

2.Convergenta soluţiei analitice explicite ..............................................53

Bibliografie .............................................................................................................61

Page 4: Disertatie Bucur Iulia Roberta

4

Introducere

1.Argument

Majoritatea problemelor din mecanica fluidelor sunt neliniare.Astfel, este importantă

dezvoltarea unor metode pentru a le rezolva.Odată cu apariţia computerelor, tehnicile

numerice pentru rezolvarea ecuaţiilor diferenţiale ordinare şi a celor cu derivate parţiale s-au

dezvoltat cu rapiditate. Din păcate,toate tehnicile de perturbaţie se bazează pe existenţa unui

parametru mic sau mare iar acest fapt restricţionează aplicarea lor problemelor neliniare,

pentru că ,în general, acest tip de probleme nu admit parametrii mici.Deseori, deşi problema

admite un parametru mic aproximaţia obţinută îşi pierde validitatea pe măsură ce valoarea

parametrului creşte.

Deşi există soft-uri performante precum MATHEMATICA,MATHLAB şi MAPLE

până de curând a fost dificilă obţinerea de soluţii analitice sau aproximatiiale acestora pentru

problemele neliniare. Liao este cel care a dezvoltat o nouă tehnică pentru rezolvarea

problemelor neliniare şi anume metodă de analiza homotopica(metoda homotopiei).Aceasta

este valida chiar dacă ecuaţia care guvernează problema neliniară (respectiv condiţiile la

limită ), nu conţine parametrii mici.De asemenea , metoda homotopiei ne oferă libertate şi

flexibilitate în alegerea funcţiilor de bază pentru a aproxima o problemă neliniară .Astfel ,

această metodă este adecvată în deosebi rezolvării problemelor neliniare din ştiinţa şi din

inginerie.

Din păcate, remarc faptul că metoda homotopiei nu este considerată interesantă de

cercetătorii romani deoarece nu am găsit articole semnate de aceştia în timpul documentarii

noastre pentru această lucrare.Considerăm că această metodă este foarte fructuoasă şi

conduce la rezultate interesante şi utile ,atât pentru cercetarile de matematică , cât şi pentru

cele din alte domenii de aplicaţii.

2. Comentarii asupra conţinutului lucrării

Primul capitol este dedicat descrierii metodei homotopiei.Debutează cu definirea

unor noţiuni introductive precum parametrul homotopiei,deformare în topologie,ecuaţie de

deformare,parametrul de control al convergentei etc.Tot în acest capitol sunt prezentate

riguros câteva proprietăţi ale derivatei homotopiei .

Page 5: Disertatie Bucur Iulia Roberta

5

În capitolul următor se construieşte pas cu pas rezolvarea unei aplicaţii cu ajutorul

metodei homotopiei şi anume soluţia analitică pentru problema lui Blasius.În primul paragraf

este formulată problema pentru ecuaţia lui Blasius. În cel de al doilea este prezentată

modalitatea de obţinere ,cu ajutorul tehnicilor de perturbaţiei, a soluţiei date de Blasius în

1903, ecuaţiei care îi poartă numele. În ultimul paragraf al acestui capitol se demonstrează că

,atât timp cât, seria aproximărilor dată de metoda homotopiei este convergentă avem atunci

că aceasta (in sensul sumei sale) este soluţie a problemei neliniare considerate.

Lucrarea se încheie cu prezentarea câtorva rezultate numerice. În primul paragraful se

arată,că dacă ,în general,şirul soluţiilor aproximative obţinut prin metoda homotopiei este

convergent, atunci, în mod necesar,limita sa este una dintre soluţiile problemei neliniare

considerate.În ultimul paragraf ,pentru a evidenţierea acestui lucru am dat ca exemplu

problema lui Blasius, i.e. vom studia convergenta soluţiei analitice explicite.

3. Observaţii privitoare la structura lucrării

Lucrarea de faţă înglobează în afară cuprinsului şi a acestei introduceri ,3 capitole şi o

bibliografie care cuprinde lucrări folosite de noi în redactarea prezentei lucrări de disertaţiei.

Capitolele sunt numerotate cu cifre arabe şi fiecare are un titlu caracteristic.Ele sunt

împărţite în paragrafe numerotate, având şi acestea câte un titlu definitoriu.La rândul lor,

paragrafele sunt formate din subparagrafe numerotate cu o grupare ce cuprinde numele

acordat, de exemplu ,”Definiţia”.”Observaţia”,”Teorema” urmată de numărul paragrafului în

care se găseşte şi numărul de ordine al acestuia în paragraf. De asemenea ecuaţiile sunt

numerotate cu o grupare ce conţine capitolul,numărul paragrafului în care se găseşte ecuaţia

şi numărul de ordine al acestuia în ecuaţie.

Bibliografia pune în evidenţă, lucrări specifice subiectului pus în discuţie,folosite

pentru redactarea acestei lucrări cum ar fi [1],[2],[3],[4] şi [6] , şi lucrări utilizate pentru

fixarea cazului general [5],[7],[8],[9] şi [10].

Page 6: Disertatie Bucur Iulia Roberta

6

Capitolul 1. Metoda homotopiei

1.Descrierea metodei homotopiei

Metoda homotopiei reprezintă o abordare analitică de obţinere a soluţiilor pentru o

mare varietate de ecuaţii neliniare, inclusiv ecuaţii algebrice. Contrar metodei de perturbaţie,

metodă de analiza homotopica (MAH) este independentă de parametrii, fie ei mici sau mări.

Această metodă ne arată o cale simplă de a asigura convergenţa soluţiilor seriilor şi, deci,

MAH este adecvată şi pentru probleme neliniare. HAM ne oferă o mare libertate în alegerea

funcţiilor de bază pentru a aproxima o problemă neliniară.

MAH se bazează pe homotopie, concept fundamental în topologie şi geometria

diferenţială, concept introdus de Poincaré. Pe scurt, cu mijloacele MAH construim o funcţie

analitică corespunzătoare unei alegeri iniţiale considerată o aproximare a soluţiei exacte a

unei ecuaţii neliniare. Alegem un operator liniar pentru a construi această funcţie analitică şi

un parametru auxiliar pentru a asigura convergenţa soluţiei seriei. Metoda se bucura de o

mare libertate în alegerea aproximărilor iniţiale şi a operatorilor liniari auxiliari. Astfel o

problemă neliniară dificilă se transformă într-un număr infinit de sub-probleme liniare

De exemplu, să considerăm o ecuaţie algebrică neliniara

În primul rând, construim homotopia :

[ ] [ ]

unde este o alegere iniţială a valorii lui , iar [ ] un parametru denumit parametrul

homotopiei.

Evident din modul de construcţia pentru homotopie, avem o combinaţie convexă dintre

valoarile si , astfel că dacă

[ ]

iar dacă avem

[ ]

Astfel , dacă creşte de la la , [ ] variaza continuu de la la

Acest tip de deformare se numeste deformare în topologie.

Page 7: Disertatie Bucur Iulia Roberta

7

Presupunând [ ] i.e.

[ ]

obţinem o familie de ecuaţii algebrice .Evident soluţia familiei de ecuaţii de mai sus depinde

de parametrul homotopiei Aşadar, familia de ecuaţii poate fi rescrisa astfel

[ ] [ ]

Propoziţia 1.1. Fie dată familia de ecuaţii .Pe măsură ce parametrul homotopiei

creşte de la la , la soluţia a ecuaţiei

.

Demonstraţie. Dacă rezultă

[ ]

şi, pentru ,ecuaţia are solutia

Dacă ,avem

[ ]

şi, pentru ,

se obţine chiar ecuaţia algebrică ,deci avem

Aşadar,pe măsură ce parametrul homotopiei creşte de la la , variază de la

valoarea iniţială la soluţia a ecuaţiei .

In continuare, vom numi familia de ecuaţii (1.1.1) ecuaţia de

deformare de ordin .Cum este o functie cu variabilă independentă chiar parametrul

homotopiei , o putem rescrie cu ajutorul unei serii Maclaurin

cu condiţia ca , şi

|

Seria (1.1.2) se numeşte seria homotopiei iar se numeşte derivata homotopiei de ordin

a lui .

Page 8: Disertatie Bucur Iulia Roberta

8

Dacă seria (1.1.2) este convergentă pentru , obţinem folosind relatia , solutia

seriei homotopiei

Din păcate, razele de convergenţă a multor serii de funcţii Maclaurin sunt mai mici decat 1.

Aşadar , a trebuit sa presupunem ca seria homotopiei este convergentă pentru .Aceasta

restricţie poate fi depăşita prin introducerea unui parametru auxiliar, după cum vom arata mai

jos.

Apelând la teorema fundamentală de calcul in ceea ce priveşte seriile Taylor, coeficientul

a seriei homotopiei (1.1.2) este unic. Aşadar ecuaţia care îl guvernează pe este unica la

rândul ei, şi poate fi dedusa direct din ecuaţia de deformare de ordin zero . Derivând o data

,în ambele părţi ale egalităţii ecuaţia de deformare de ordin zero (1.1.1) obţinem ecuaţia de

deformare de ordin 1 :

a cărei soluţie este

Derivând de doua ori ,atât la dreapta cât şi la stânga egalitaţii, ecuaţia (1.1.1) obţinem ecuaţia

de deformare de ordin 2 :

a cârei soluţie este

[ ]

În acest fel , obţinem

Observăm faptul că toate aceste ecuaţii de deformare de ordin mare sunt liniare , deci

usor de rezolvat.

Apoi, construim aproximarea seriei homotopiei de ordin 1

şi a aproximarea seriei homotopiei de ordin 2

[ ]

Observaţia 1.2.

Page 9: Disertatie Bucur Iulia Roberta

9

(i) Ecuaţia (1.1.5) este formula tangentei. Putem privi şi (1.1.6) ca fiind formula lui Newton

de ordin 2, şi similar, putem construi o familie a formulei tangentei.

(ii) Abordarea analitică de mai sus este independentă de orice parametrii , nu contează dacă

problema neliniară conţine parametrii mici/mari, întotdeauna putem introduce parametrul

homotopiei [ ] pentru a construi ecuaţia de deformare de ordin zero ca apoi sa

obţinem solutia seriei homotopiei.

(iii) Din păcate, pentru seria homotopiei, ca de exemplu (1.1.2), nu este mereu

convergentă şi deci soluţia (1.1.4) care îi corespunde poate fi divergentă. De exemplu, este

ştiut faptul că formula tangentei (1.1.5) dă deseori rezultate divergente.

Pentru a depăşi acest impas , Liao[Liao] a introdus un parametru auxiliar pentru a

construi o ecuaţie de deformare de ordin zero de forma

[ ] [ ]

Cum , ecuaţia (1.1.7) pentru devine

[ ] ,

care pentru este echivalentă cu ecuaţia unde .

Analog, derivând o data ,in ambele parţi a egalitaţii ecuaţia (1.1.7) obtinem ecuaţia de

deformare de ordin 1 :

a cărei soluţie este

Derivând de doua ori ecuaţia (1.1.7) obtinem ecuaţia de deformare de ordin 2 :

,

a cărei soluţie este

[ ]

Construim aproximarea seriei homotopiei de ordin 1

Construim aproximarea seriei homotopiei de ordin 2

[ ] =

Page 10: Disertatie Bucur Iulia Roberta

10

[ ]

Observaţia 1.3.

(i)Evident (1.1.5) si (1.1.6) sunt cazuri particulare a ecuaţiilor (1.1.7) si (1.1.8) pentru

.

Parametrul auxiliar in (1.1.5) poate fi privit ca un factor de iteraţie ce este frecvent

folosit in calculul numeric. Dacă factorul de iteraţie este bine ales , acesta asigură

convergenţa iteraţiei.Se observă că convergenţa seriei homotopiei precum (1.1.2) depinde de

valoarea lui . De fapt , parametrul auxiliar ne dă o cale simpla de a asigura convergenţa

soluţiei seriei.Din acest motiv îl vom numi pe parametrul de control al convergenţei.

Remarcăm faptul că fără a folosi parametrul convergenţei trebuie sa presupunem că

seria homotopiei (1.1.2) este convergentă.

Totuşi, folosind parametrul convergenţei o asemenea presupunere nu este necesară

pentru că , se pare ca întotdeauna putem alege o valoare potrivită pentru astfel încat soluţia

seriei homotopiei să fie convergentă.

Page 11: Disertatie Bucur Iulia Roberta

11

2. Proprietaţi ale derivatei homotopiei

În acest paragraf vom defini concepte precum derivatele homotopiei, parametrul de

control al convergenţei, ş.a.m.d pentru a descrie riguros metoda homotopiei. Mai mult, vom

demonstra câteva leme si teoreme ce privesc derivatele homotopiei şi ecuaţia de deformare.

Derivata homotopiei este folosită pentru a deduce ecuaţia de deformare de ordin mai

mare decât doi. În continuare vom da definiţii riguroase si vom demonstra câteva proprietaţi

ale derivatei homotopiei. Aceste proprietăţi sunt utile pentru a deduce ecuaţia de deformare

de ordin mare.

Definiţia 2.1. Fie o funcţie de parametrul homotopiei ,atunci

|

se numeşte derivata homotopiei de ordin a lui , unde este un numar întreg.

Definiţia 2.2. Fie [ ] o ecuaţie neliniară, o funcţie de parametrul homotopiei

[ ], a carui serie Maclaurin este

Familia de ecuaţii

[ ] [ ]

se numeşte ecuaţia de deformare de ordin zero a ecuatţei neliniare [ ] dacă, pentru

, este echivalentă cu ecuaţia originală [ ] astfel încât

şi, in plus, are evident solutţe pentru Seria (1.2.2) se numeşte homotopia seriei, seria

(1.2.3) homotopia soluţiei seriei ecuaţiei neliniare [ ] şi ecuaţiile guvernate de se

numesc ecuaţii de deformare de ordin .

Teorema 2.3.(Teorema Molabahrami –Khani). Fie seria homotopiei

atunci

Page 12: Disertatie Bucur Iulia Roberta

12

unde si sunt numere întregi.

Teorema 2.4. Fie doua funcţii independenţe de parametrul homotopiei şi

Atunci

Demonstraţie

indepentenţa de

independenţa de

operator liniar =

Teorema 2.5. Fie

serii ale homotopiei, atunci sunt verificate afirmaţiile:

unde si sunt numere intregi.

Demonstraţie

(i ) Evident (Teorema lui Taylor si definiţia derivatei homotopiei de ordin )

Page 13: Disertatie Bucur Iulia Roberta

13

(ii)

Din (i)

(iii ) Folosind regula lui Leibnitz de derivare a produsului se obţine

iar, aplicând definiţia (1.2.1)

|

∑(

|

)

∑(

|

)

∑(

|

)

(

|

)

Analog , se arată

(iv) Fie .Atunci din (iii)

Analog se obţine

Teorema 2.6. Fie un operator liniar independent de parametrul homotopiei Pentru seria

homotopiei

Page 14: Disertatie Bucur Iulia Roberta

14

avem [ ].

Demonstraţie

Cum este independent de se obţine

∑[ ]

Dar, din teorema 2.5(i) avem

[ ]

Prin egalarea celor doua relaţii se obţine concluzia.

Teorema 2.7. Pentru seria homotopiei

Avem urmatoarele relaţii de recurentă:

( ) ∑ (

) (

)

unde m este un numar întreg.

Demonstraţie

Din (1.2.1) rezultă

Cum

aplicând regula lui Leibnitz de derivare a produsului, se obţine

(

)

Page 15: Disertatie Bucur Iulia Roberta

15

(

)

(

)

∑ (

)(

)

(

)

Pentru , folosind (1.2.1) relaţia de mai sus devine

( ) ∑ (

) (

)

unde m este un numar întreg.

Teorema 2.8. Pentru seria homotopiei

avem urmatoarele relaţii de recurentă:

∑ (

)

∑ (

)

unde m este un numar întreg.

Demonstraţie

Evident , din (1.2.1)

Amintim formula lui Euler:

-

{

Din Teorema 2.4, pentru m numar întreg avem

(

) (

) (

) (

)

Page 16: Disertatie Bucur Iulia Roberta

16

(

) (

)

[ ( )

( )]

Analog se obţine

[ ( )

( )]

Conform teoremelor 2.7 si 2.4 rezultă că

( ) ∑ (

) (

)

∑ (

) (

)

şi similar rezultă

( ) ∑ (

) (

)

înlocuind cele douş expresii de mai sus in relaţiile (1.2.4) şi (1.2.5) se obţine

[∑ (

) (

)

∑ (

) (

)

]

∑ (

)

[ ( ) (

)]

∑ (

)

(

)

Page 17: Disertatie Bucur Iulia Roberta

17

∑ (

)

∑ (

)

şi analog,

[∑ (

) (

)

∑ (

) (

)

]

∑ (

)

[ ( ) (

)]

∑ (

)

[ ( ) (

)]

∑ (

)

(

)

∑ (

)

∑ (

)

Teorema 2.9. Fie doua serii ale homotopiei

astfel încât într-un domeniu [

Atunci si si .

Demonstraţie

Page 18: Disertatie Bucur Iulia Roberta

18

Egalitatea de mai sus este adevarată pentru orice [ dacă şi numai dacă

,

Dar,din teorema 2.5(i) rezultă şi astfel se obţine

,

Page 19: Disertatie Bucur Iulia Roberta

19

Capitolul 2. Aplicaţie a metodei homotopiei pentru ecuaţia

lui Blasius

1. Formularea problemei pentru ecuaţia lui Blasius

Ecuaţia lui Blasius, ca un exemplu efectiv al teoriei lui Prandtl, este legată de multe

probleme de mecanica fluidelor. Una dintre acestea este modelarea curgerii laminare a unui

fluid vâscos care formeaza un strat limită pe o placa semi-infinita scufundată într-un mediu

poros. Problema lui Blasius este formată din ecuatţe diferentială ordinară neliniară, de ordinal

trei

[

la care se ataşează condiţiile la limită

(2.1.2)

unde variabila independentă este dată

şi necunoscuta ecuaţiei este

în care este viteza la infinit a fluidului care ocupa tot timpul miscarii un domeniu

nemarginit cel putin intr-una dintre direcţiile principale de mişcare, este coeficientul

vâscozităţii cinematice şi cele doua coordonate.

Se observă că ecuaţia (2.1.1) este un caz particular al ecuaţiei Falkner-Skan

Cu ajutorul seriei lui Taylor , in 1908 Blasius a dat o soluţie a ecuaţiei neliniare

(2.1.1)

∑ (

)

unde

Page 20: Disertatie Bucur Iulia Roberta

20

∑ (

)

iar

(

)

Expresia (2.1.3) nu este adusa la forma finită,i.e. nu se poate scrie sub formă de o

combinaţie finită de compuneri de funcţii elementare, pentru că este înca o

necunoscută a problemei. Pentru un mai mare a dat o alta aproximare a soluţiei Prin

potrivirea celor doua într-un anumit punct , Blasius a obţinut rezultatul Mai

târziu,Howart , cu ajutorul tehnicilor numerice a obţinut un rezultat mai exact pentru si

anume Totuşi , chiar şi pentru , raza de convergentă a seriei de

puteri (2.1.3) este finită şi astfel,seria de puteri (2.1.3) este validă doar într-o mica regiune

după cum se observă in figura de mai jos.

Comparaţie a soluţiilor numerice cu aproximările la diferite valori a lui ,la ordinul

Curba 1- (seria de puteri a lui Blasius) Curba 2 -

Curba 3- Curba 4-

Curba 5- Curba 6-rezultatul numeric obţinut de Howarth

Page 21: Disertatie Bucur Iulia Roberta

21

2. Obţinerea seriei de puteri cu ajutorul tehnicilor de

perturbaţie

Presupunând că valoarea este data, putem obţine seria de puteri cu

ajutorul tehnicilor de perturbaţie astfel:

1.Introducem un parametru mic si considerăm urmatoarea ecuaţie neliniară

[

cu condiţiile la limită

2.Presupunem ca poate fi exprimat sub forma

Atunci prin înlocuirea relaţiei în şi obţinem o serie de ecuaţii liniare:

-ecuaţia de ordin zero:

-ecuaţia de ordin unu:

-ecuaţia de ordin doi:

(

)

Page 22: Disertatie Bucur Iulia Roberta

22

Rezolvând ecuaţiile liniare de mai sus, avem

,

Înlocuind rezultatele de mai sus in relaţia , pentru se obţine exact seria

de puteri dată de Blasius în 1908. Dar, dupş cum am menţionat , această serie

converge doar într-o regiune restrânsă chiar dacă folosim rezultatul dat de Howarth

după cum se observă in figura de mai sus.Astfel a aparut necesitatea de a se obţine

o solutie analitică pentru (2.1.1) şi (2.1.2) care ar trebui sa fie validă atat pentru valorile mici

ale lui dar şi pentru cele mari.

Page 23: Disertatie Bucur Iulia Roberta

23

3.Seria de puteri a lui Blasius

În multe cazuri, MAH poate da rezultate analitice mai bune decât cele obţinute prin

tehnicile de perturbaţie. De exemplu, Liao a aplicat MAH pentru a rezolva ecuaţia lui Blasius

şi a obţinut o familie de serii de puteri

∑ *(

)

+

[

unde este definită în şi este o funcţie

reală, definită in felul urmator

{

∑ (

) (

)

Numim funcţie de apropiere. Aceasta are urmatoarele proprietaţi:

(i) Pentru numar întreg ( ) şi

{

(ii) Pentru numar întreg ( şi (

(iii) Pentru numar întreg

unde ,

| |

unde sau ,

Page 24: Disertatie Bucur Iulia Roberta

24

(iv) Pentru numar întreg

| |

{

ă

(v) Pentru

(

)

(vi) Pentru

(

)

Conform proprietaţii (2.3.3) a funcţiei de apropiere , seria de puteri

∑ *(

)

+

[

pentru este aceeaşi cu seria de puteri a lui Blasius ,ceea ce inseamnă ca seria

de puteri a lui Blasius este un membru al familiei , aşadar este doar un caz particular

al acestei familii de aproximări.

Observatia 3.1.

(i)Valoarea este folosită în ecuaţia

(ii)Folosind condiţia putem obţine valoarea prin rezolvarea urmatoarei

ecuaţii algebrice pentru o valoare ,pentru un punct potrivit suficient de

îndepartat de punctul

|

∑ *(

)

+

(iii)Pentru un suficient de mare şi suficient de mic ecuaţia de mai sus,

pentru cinci puncte diferite din regiunea [ ] da aceeasi valoare ,care

Page 25: Disertatie Bucur Iulia Roberta

25

evident coincide cu rezultatul numeric obţinut de Howarth.Acest lucru se poate observa in

tabelul de mai jos

Tabel

Varori numerice pentru obţinute prin rezolvarea ecuaţiei

Ordinul

10 0.31222

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Observaţia 3.2.

(i)Pentru seria de puteri (2.3.4) este validă in regiuni mari , dupa cum se arată în

figura de mai sus pentru .

(ii) Fie .Pentru din ce in ce mai mic, regiunea de convergenţă a seriei de

puteri creşte. Aşadar,înmulţind seria de puteri a lui Blasius cu funcţia de

apropiere vom obţine pentru , aproximari mult mai bune decât cele

date de Acest fapt indică că metoda propusa , şi anume metoda de analiză homotopica

are într-adevşr un mare potenţial.

(iii) După cum a evidenţiat Liao, seria de puteri este convergentă în regiunea

[

]

Page 26: Disertatie Bucur Iulia Roberta

26

care devine din ce in ce mai mare pe masură ce se micşoreaza, unde este raza

de convergenţă a seriei de puteri a lui Blasius.Atunci seria de puteri poate converge în

întreg domeniul [ pentru .

(iv) Riguros vorbind, seria de puteri nu este pur analitică dar este o solutie semi-

analitică şi semi-numerică deoarece valoarea lui a fost obţinută cu ajutorul

tehnicilor numerice.

Page 27: Disertatie Bucur Iulia Roberta

27

4. Metoda de analiză homotopică

În acest paragraf vom prezenta o metodă de a obţine o solutie pur analitică a ecuaţiei

lui Blasius , o valoare analitică a lui şi anume metoda de analiză homotopică.

Fie şi două numere complexe, funcţii analitice complexe unde

ce satisfac urmatoarele condiţii

În plus,fie

seriile Maclaurin asociate celor două funcţii.

Cum şi respectiv sunt funcţii analitice în regiunea , aşadar avem

Vom numi funcţiile ăi , funcţii de scufundare şi numarul parametru de

îmbinare.

Considerăm ecuaţia neliniară

[ ]

unde este un operator diferenţial, soluţie , .

Pentru a rezolva ecuaţia neliniară de mai sus, folosind metoda de analiză homotopica ,

parcurgem urmatorii paşi:

Page 28: Disertatie Bucur Iulia Roberta

28

Construim familia de ecuaţii

[ ] [ ] [ ] [ ]

unde

(i) este un operator liniar considerat care satisface condiţia

(ii) este un parametru auxiliar

(iii) este o aproximare iniţiala

(iv) şi sunt funcţiile de scufundare definite în şi

(v) este parametrul de îmbinare

Propoziţia 4.1.

(i)

(ii

)

Demonstraţie

(i)Într-adevar,pentru p=0 ecuaţia devine

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ]

(ii) Pentru ecuaţia , devine

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

Dar din , rezultă

Page 29: Disertatie Bucur Iulia Roberta

29

[ ] [ ]

Presupunem ca sunt alese astfel încat ecuaţia are soluţia ,

pentru orice [ ] şi , in plus

[ ]

|

Observaţia 4.2.

Evident,pe masura ce creste de la 0 la 1, solutţa a ecuaţiei variază

de la aproximarea iniţiala la soluţia , chiar soluţia ecuaţiei In

topologie,acest tip de transformari continue se numesc deformări. Aşadar, vom numi

ecuaţiile deformării de ordin şi [ ] derivatele deformării de ordin .

Ecuaţiile ăi ne ofera o relaţie indirectă între aproximarea iniţială

şi , soluţia ecuaţiei

În continuare vom deduce o relaţie directă între soluţiile menţionate, ceea ce

reprezintă piatra de temelie a metodei de analiză homotopica.

Seria Maclaurin a lui în raport cu are urmatoarea expresie

∑[

[ ]

]

Presupunem că aproximarea iniţială şi operatorul liniar sunt

alese astfel încat seria Maclaurin converge pentru .Atunci

∑[

[ ]

]

Dar din şi ,avem

∑[

[ ]

]

i.e.

Page 30: Disertatie Bucur Iulia Roberta

30

unde

[ ]

Prin diferenţierea ecuaţiei de deformare de ordin zero de ori in raport cu

,avem

∑ (

) [ ]

[ ] [ ]

∑ (

)

[ ]

Mai departe, împartim relaţia prin si apoi pentru obţinem

[ ∑

]

unde

şi

[ ]

|

Ecuaţia de deformare de ordin , este liniară.În plus , cunoaştem

membrul drept al ecuaţiei dacă ştim forma aproximării de ordin . Aşadar,

folosind aproximarea iniţiala putem obtine prin recurentă termenii

Astfel,conform ecuaţiei am convertit problema neliniara într-o

secventă infinită de subprobleme liniare guvernate de ecuaţia

Diferenţe între tehnicile de perturbare şi metoda de analiză homotopică

(i) Diferenţa majoră între cele doua metode constă in faptul ca spre deosebire de tehnicile de

perturbare MAH nu ţine cont dacă ecuaţia conţine parametrii mici.

Page 31: Disertatie Bucur Iulia Roberta

31

(ii)MAH ne conferă libertate,flexibilitate în alegerea parametrului auxiliar nenul , a

funcţiilor de scufundare şi , a aproximării iniţiale şi a operatorului liniar

.Acest tip de libertate şi flexibilitate creste posibilitatea asigurării convergenţei seriei

Page 32: Disertatie Bucur Iulia Roberta

32

5. Convergenţa sirului de soluţii aproximative (2.4.11)

În continuare vom demonstra ca atât timp cat seria aproximărilor data de MAH

este convergentă atunci aceasta este soluţie a problemei neliniare considerate.

Teorema 5.1. Dacă seria

este convergentă , atunci aceasta este soluţie a ecuaţiei neliniare

Demonstraţie

Din ,avem

∑ [ ∑

]

[∑

∑ ∑

]

[∑

∑ ∑

]

[∑

∑ ∑

]

[( ∑

) ∑

] [ ∑

]

[ ∑

]

Aşadar

Pe de altă parte, din avem

∑ ∑

∑ ∑

Page 33: Disertatie Bucur Iulia Roberta

33

∑ ∑

∑ ∑

Dar din ecuaţia rezultă

[ ]

|

[ ]

|

Deci

∑ ∑

[ ]

|

[ ]

|

[ ]

|

Aşadar,

[ ]

|

Din şi condiţia ,obtinem

[ ]

|

Observăm că ,în general, pentru , nu este soluţia ecuaţiei

În continuare vom nota [ ] .Evident ne da eroarea reziduală a

ecuaţiei Atunci seria Maclaurin asociată erorii reziduale în raport cu este

( )

|

[ ]

|

Dar din , seria Maclaurin de mai sus este convergentă pentru , adică

[ ] ∑

[ ]

|

Aşadar,

Page 34: Disertatie Bucur Iulia Roberta

34

este soluţie a ecuaţiei

Observaţie 5.2.

Datorită teoremei 2.5.1 , pentru a asigura convergenţa seriei este suficient să

selectam corespunzator aproximarea iniţiala , parametrul funcţiile de scufundare

si respectiv , operatorul liniar auxiliar

Teorema 5.3. Fie

unde sunt definite în ăi respectiv .

Dacă seria

este convergentă atunci atat seria cat şi seria converg catre zero.

Demonstraţie

Evident, din ecuaţiile şi

Observaţie 5.4.

Teorema de mai sus ne ofera o modalitate simpla de a estima dacă şirul soluţiilor

aproximative este divergent , i.e. dacă seria şi/sau seria sunt divergente

atunci seria este divergentă.

Page 35: Disertatie Bucur Iulia Roberta

35

Capitolul 3.Unele rezultate numerice

1. Expresia analitică a soluţiei ecuaţiei lui Blasius

Pentru rezolvarea ecuaţiei lui Blasius , Liao a folosit un operator liniar auxiliar

şi o aproximare iniţială

pentru a construi ecuaţia de deformare de ordin 0 asociată.

Observaţia 1.1.

Operatorul liniar auxiliar se obţine direct din termenul liniar al ecuaţiei .

Acest lucru însa nu este însa necesar deoarece MAH ne ofera libertatea in alegerea

operatorilor liniari auxiliari şi a aproximarilor iniţiale .

Observaţia 1.2.

Vom arata ca folosind un operator liniar auxiliar mai general decat ,

(

)

putem obţine o familie de soluţii analitice mai bune decat cele din ecuaţia . Aceasta

solutie analitică poate converge la soluţia relaţiilor şi în toata regiunea

[ şi poate dă o valoare analitică .

Fie definit în operator liniar auxiliar, şi funcţiile de

scufundare.

Construim ecuaţia de deformare de ordin zero:

Page 36: Disertatie Bucur Iulia Roberta

36

[ ] *

+

[ [ ]

cu condiţiile la limita

[ ]

Observaţia 1.3.

i)Pentru avem

[

ii)Pentru avem

[

Considerăm

aproximarea iniţială ce satisface condiţiile la limită

Aşadar, procesul prin care variază de la 0 la 1 este chiar variaţia deformarea funcţiei

de la aproximarea iniţiala cunoscută la soluţia necunoscută a

ecuaţiilor şi

Presupunem că deformarea guvernată de ecuaţiile şi , este

suficient de netedă în raport cu astfel încat să existe derivatele deformării de ordin

[ ]

|

Din ecuaţia şi formula lui Taylor se obţine

∑ [

[ ]

]

Page 37: Disertatie Bucur Iulia Roberta

37

Evident,regiunea de convergentă a seriei de mai sus depinde de si

.

Presupunem ca atât cât şi sunt alese astfel încat seria este convergentă

pentru Atunci, din şi , pentru , se obţine

[ ]

relatie ce stabileşte o legatură între aproximarea iniţială şi solutia necunoscută

unde definim

2

[ ]

Observaţia 1.4.

Ecuaţiile care guvernează funcţia necunoscută se obţin astfel:

(i) se derivează de ori in raport cu ecuaţiile şi

(ii) se fixează şi se imparte relaţiile prin i.e.

[

cu condiţiile la limita

unde relaţia denotă derivatele parţiale în raport cu şi

*

+

[

]

Page 38: Disertatie Bucur Iulia Roberta

38

Observaţia 1.5.

i)Din ecuaţiile şi putem calcula termenul .Prin rezolvarea

ecuaţiei diferentiare ordinare cu condiţiile la limita obţinem forma funcţiei

ii)Similar, înlocuind în ecuaţia putem calcula termenul şi astfel,

în final vom obţine forma funcţiei ş.a.m.d.

iii)Prin recurentă putem calcula orice termen [

1. În acest mod ecuaţia liniară de deformare de ordin cu condiţiile la limită

poate fi rezolvată pentru orice

Folosim softul MATHEMATICA pentru a rezolva primele ecuaţii şi

În acest mod descoperim că are urmatoare expresie:

unde funcţia este definită astfel:

unde coeficienţii sunt

(

)

(

)

Page 39: Disertatie Bucur Iulia Roberta

39

(

)

ş.a.m.d.

Propoziţia 1.6.

Structura aproximării iniţială coincide cu cea a ecuaţiei , unde funcţia

reală este definită de ecuaţiile

Propoziţia 1.7.

Presupunem ca structura primelor soluţii coincide

cu structura ecuaţiei .Atunci structura soluţiei coincide cu structura

ecuaţiei

Demonstraţie

Page 40: Disertatie Bucur Iulia Roberta

40

Fie

Atunci poate fi rescrisă astfel

Astfel , pentru avem

Mai mult,

Prin derivarea ecuaţiei de doua ori în raport cu , avem

∑[

]

Din ecuaţiile şi ,rezultă

Page 41: Disertatie Bucur Iulia Roberta

41

∑ [

]

∑ [

]

∑ (

)

∑ [

]

∑ [

]

∑ [

]

∑ [

]

unde

Aşadar,

unde

şi pentru

Astfel, din ecuaţiile şi ,obţinem

∑ . ∑

/

Page 42: Disertatie Bucur Iulia Roberta

42

Prin diferenţierea ecuaţiei de mai sus în raport cu ,avem

∑ . ∑

/

unde

si pentru

Din ecuaţiile si , avem

[

]

unde

Aşadar,pentru ,avem

[

]

şi pentru , obţinem

Astfel, din ecuaţiile şi , obţinem urmatoarea ecuaţie

Page 43: Disertatie Bucur Iulia Roberta

43

( )

( )

[

]

cu condiţiile la limită

unde si

{

Pentru din ecuaţiile şi avem

∑ . ∑

/

şi respectiv

. ∑

/

Aşadar,din ecuaţia de mai sus, pentru obţinem

∑ . ∑

/ ∑

. ∑

/

∑ ∑

. ∑ ∑

/

Page 44: Disertatie Bucur Iulia Roberta

44

∑ ∑

. ∑ ∑

/

. ∑ ∑

/

. ∑ ∑

/

. ∑ ∑

/

Aşadar,

. ∑ ∑

/

Deci,

∑ ∑

. ∑

/

unde

∑ ∑ ∑

Page 45: Disertatie Bucur Iulia Roberta

45

Observăm că pentru si avem , .

Astfel,pentru ,rezultă

[

]

0∑ . ∑

/

∑ ∑

. ∑

/

1

∑ . ∑

/

∑ ∑

. ∑

/

. ∑

/

unde

(

)

Astfel, ecuaţia

Page 46: Disertatie Bucur Iulia Roberta

46

( )

( )

[

]

poate fi rescrisă în felul urmator

( )

( )

. ∑

/

Rezolvăm ecuaţia

unde si sunt numere întregi.

Cunoaştem faptul că

∫ ∑(

)

i.e.

∑(

)

Pentru ,ecuaţia devine

i.e.

∫ ∫

Deci,

Page 47: Disertatie Bucur Iulia Roberta

47

Atunci din şi avem

Prin integrarea ecuaţiei de mai sus ,obţinem

∫ ∫ ∑

∑∑

∑∑

∑ ∑

unde

Pentru ,avem

Page 48: Disertatie Bucur Iulia Roberta

48

∫ [ ]

∫ [ ]

[ ]

Aşadar,

[ ]

Prin integrarea relaţiei de mai sus obţinem

[ ] ∫

[ ]

[ ]

∑∑

[ ]

Astfel ,am obţinut

∑∑

[ ]

Atunci,

∫ ∑∑

[ ]

∑∑

[ ]

Page 49: Disertatie Bucur Iulia Roberta

49

∑∑

[ ]

∑∑∑

[ ]

∑∑ ∑

[ ]

∑∑

[ ]

∑ ∑

[ ]

unde

[ ]

[ ]

, (

)

[ (

)]-

Pentru

Aşadar,

Soluţia ecuaţiei este identică cu cea obţinuta prin superpoziţia ecuaţiei .

Astfel, din ecuaţiile şi obţinem o solutie particulară a ecuaţiei .

Page 50: Disertatie Bucur Iulia Roberta

50

∑ . ∑

/

0 ∑

∑ . ∑

/

1

∑ 0 ∑ . ∑

/

1

Aşadar,soluţia generală a ecuaşiei este

0 ∑

∑ . ∑

/

1

∑ 0 ∑ . ∑

/

1

Folosind condiţiile la limită şi avem

∑ 0

1

∑ ∑

∑ 0

∑ (

)

1

Aşadar,structura lui coincide cu structura ecuaţiei şi coeficienţii

sunt următorii:

Page 51: Disertatie Bucur Iulia Roberta

51

∑ 0

1

∑ 0

1

unde

Observaţia 1.9. Aşadar, din propoziţiile şi , soluţiile au

structura identică cu cea a ecuaţiei .În plus,fiind date formulele de recurentă şi primii

trei coeficienţi ,

putem calcula toţi coeficienţii

.

Din şi aproximarea de ordin este

Page 52: Disertatie Bucur Iulia Roberta

52

[ ]

∑ ∑

( ∑

)

(∑

) ∑

. ∑ ∑

/

Aşadar soluţia analitică explicită a ecuaţiei lui Blasius este

( ∑

[ ]

)

( ∑

)

0 (∑

) ∑

. ∑ ∑

/1

0(∑

) ∑

. ∑ ∑

/1

Page 53: Disertatie Bucur Iulia Roberta

53

2.Convergenţa soluţiei analitice explicite

În paragraful anterior, am aratat ,că dacă ,în general,şirul soluţiilor aproximative

obţinut prin MAH este convergent, atunci, in mod necesar,limita sa este una dintre soluţiile

problemei neliniare considerate.Pentru a evidenţia acest lucru vom lua ca exemplu problema

lui Blasius.

Se alege si astfel încat seria in cauză

este convergentă.Atunci trebuie sa avem

Prin trecere la limită în ecuaţia avem

*

+ [

i.e. sirul

converge la zero.

Pe de altă parte,din şi avem

[

]

∑0

1

Trecând la limită dupa în relaţia de mai sus avem

Page 54: Disertatie Bucur Iulia Roberta

54

∑0

1

∑ ∑

∑ ∑

{

[∑

]

[∑

]

[∑

]}

Dar din avem

, rezultă

{

[∑

]

[∑

]

[∑

]}

Cum avem

[∑

]

[∑

]

[∑

]

Mai mult, din si ,avem

Aşadar, cât timp seria infinită este convergentă, aceasta trebuie sa fie soluţia ecuaţiei

lui Blasius cu condiţiile la limita

Page 55: Disertatie Bucur Iulia Roberta

55

Observaţie 2.1 Seria infinită ne oferă o familie de soluţii analitice explicite

calculate în doi parametrii şi . Unele dintre soluţii converg la in

timp ce altele nu, depinde de valorile lui şi .Mai mult, unele soluţii pot sa fie ‘mai bune’

decat altele.Să observăm că MAH ne oferă posibilitatea de a alege valori ‘mai bune’ pentru

şi astfel încat seria să fie sumabilă(convergentă)şi să aibă suma chiar pe

Cu sigurantă , dacă ecuaţia converge la ,atunci derivatele de ordinul doi

în raport cu , pentru ne dau că

trebuie să fie de asemenea convergentă.

Din avem

∑ ∑

Astfel, din formulele de recurentă , se obtine

Observaţie 2.2. conţine termenul .Deci, trebuie să apartină unei submulţimi a

regiunii i.e.

Cu alte cuvinte ,suntem convinşi că seriile infinite şi sunt divergente pentru

sau

Page 56: Disertatie Bucur Iulia Roberta

56

Pentru convergenţa seriei avem:

(i)Seria este divergentă pentru sau

(ii)În ecuaţiile şi am considerat Din calcule se observă că seria

converge dacă

unde Oricum, viteza de convergentă este dependentă de valorile lui si .

(iii)Calculele ne arata că seria converge mai slab daca se afla în vecinatatea lui -2

sau 0.

(iv)Dacă seria converge suficient de repede .

(v) Pentru orice valoare a lui , exista o cea mai buna valoare care

corespunde celei mai mici viteze de convergenţă ,i.e. seria asociată converge mai

repede.

Exemplul 2.3

Pentru şi , seria converge suficient de repede catre valoarea ,

după cum se poate observa in Tabel 1.

Tabel 1

Aproximări analitice pentru ,unde

Ordinul de aproximare

Ordinul 5 0.28098

Ordinul 10 0.32992

Ordinul 15 0.33164

Ordinul 20 0.33198

Ordinul 25 0.33204

Ordinul 30 0.33205

Ordinul 35 0.33206

De asemenea, valoarea 0.33206 coincide cu rezultatul numeric obţinut de Howarth ceea ce

verifică metoda de analiză homotopica(MAH).

Convergenţa seriei are urmatoarele proprietăţi:

Page 57: Disertatie Bucur Iulia Roberta

57

(i)Calculele ne asigură că seria converge în regiunea [ la solutia a

ecuaţiei cu condiţiile la limita

(ii)Cât timp seria este convergentă spunem ca seria converge pentru

unde .

(iii)Dacă seria converge suficient de repede,atunci seria asociată converge

de asemenea suficient de repede.

Exemplul 2.4.

Pentru si , seria converge la soluţia ecuaţiei cu

condiţiile la limita cu o viteză a convergenţei satisfăcătoare astfel încat aproximarea

analitică asociată, găsita la ordinul 35 să coindă cu rezultatul numeric obţinut de Howarth

după cum putem observa în Tabelele 2-4.

Tabel 2

Erorile reziduale |

| ale aproximării analitice de la ordinul 35 pentru

aprox.

ordin 10

aprox.

ordin 20

aprox.

ordin 30

aprox.

ordin 40

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

5

Page 58: Disertatie Bucur Iulia Roberta

58

6

7

8

Medie

Tabel 3

Compararea aproximărilor analitice în cazul cu rezultatul

numeric obţinut de Howarth

aprox.

ordin 5

aprox.

ordin 10

aprox.

ordin 15

aprox.

ordin 20

aprox.

ordin 25

aprox.

ordin 30

aprox.

ordin 35

Rezulta

t

Numeri

c

0.4 0.0218

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

5.0

6.0

7.0

8.0

10

15 13.6468

20 18.6468

50 48.6468

100 98.6468

Page 59: Disertatie Bucur Iulia Roberta

59

Tabel 4

Compararea aproximărilor analitice în cazul cu rezultatul

numeric obţinut de Howarth

aprox.

ordin 5

aprox.

ordin 10

aprox.

ordin 15

aprox.

ordin 20

aprox.

ordin 25

aprox.

ordin 30

aprox.

ordin 35

Rezulta

t

numeri

c

0.4 0.1090

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8 0.8622 0.8216 0.8123

3.2 0.9259 0.8914 0.8794

3.6

4.0

4.4

5.0

6.0

7.0

8.0

10

15

20

50

100

Observaţia 2.5.

Page 60: Disertatie Bucur Iulia Roberta

60

(i)Evident, cu cât ordinul aproximării este mai mare cu atît aproximarea este mai buna.

(ii)Derivatele de ordin 1 ale seriei converg la solutia numerica obţinută de Howarth.

(iii)Unul din avantajele soluţiilor analitice asupra celor numerice este dat de ecuaţia ,

de unde putem obtine cu usurintă derivate de ordin mare ale lui .

Page 61: Disertatie Bucur Iulia Roberta

61

Bibliografie

[1] Liao SJ.,Notes on the homotopy analysis method:Some definitions and theorems,

Commun Nonlinear Science and Numerical Simulation,2009,14: 983-997.

[2] Liao SJ.,A kind of approximate solution technique which does not depend upon small

parameters-II.An application in fluid mechanics,International Journal of Non-Linear

Mechanics,1997,Vol.32,No.5:815-822.

[3] Liao S.J.,An explicit , totally analityc approximate solution for Blasius’viscous flow

problems, International Journal of Non-Linear Mechanics,1999,Vol.34:759-778.

[4] Liao S.J.,Campo A.,Analytic solutions of the temperature distribution in Blasius viscous

flow problems,J.Fluid Mechanics,2002,vol.453:411-425.

[5] Liao S.J.,A uniformly valid analytic solution of 2D viscous flow past a semi-infinite flat

plate,J.Fluid Mechanics,1999b,vol.385:101-128.

[6] Liao S.J.,An approximate solution technique not depending on small parameters:a special

example,Int. J.Non-Linear Mech. ,1995,30(3):371-380.

[7] Abell M.L.,Braselton J.P.,Mathematica by example,Academic Press.,Boston,1994

[8] Nayfeh A. H.,Problems in Perturbation,John Wiley & Sons,N.Y.,1985.

[9] Falkner V.M.,Skan S.W. , Some approximate solutions of the boundary layer,

Proc.Combr.Phil.Soc.,1937

[10] Oroveanu T.,Mecanica fluidelor vascoase,Ed. Academiei Republicii Socialiste

Romania,Bucuresti,1967.