Вы здесь

Многоликий солитон

Многоликий солитон

1. Получим решение уравнения (4.7) геометрически, придав показательной функции е-ω0t, которую записывают также в виде exp(ω0t), геометрический смысл, аналогичный геометрическому смыслу тригонометрических функций.

Построим на плоскости (х, у) график гиперболы у = 1/х и обозначим буквой S площадь криволинейного треугольника ОО'А (рис. П1).

Тогда проекция точки А на ось Ох и есть x(S) = ехр(S). Это определение можно пояснить по-другому. Площадь ОО'А равна площади О'Ах(S)1, так как эти фигуры получаются вычитанием равновеликих треyгольников OAx(S) И OO'1 из одной и той же фигуры OO'Ax(S). Площадь O'Ax(S)1 по обычному определению есть натуральный логарифм: S = logex(S) = ln x(S), а x(S) = exp(S) — это просто обратная функция. Ясно теперь, что число е определяется условием е = x(1).

Если точка А движется по гиперболе так, что площадь S равномерно растет со временем, т. е. S = ω0t, то x(S) = exp(ω0t), а y(S) = 1/x(S) = exp(-ω0t). С помощью этого построения легко найти производную показательной функции. Площадь ΔS бесконечно малого прямоугольника x(S)AA'x(S + ΔS) равна [x(S + ΔS) - x(S)]y(S) = ΔS, откуда следует, что

[x(S + ΔS) - x(S)]1/ΔS = 1/y(S) = x(S),

т. е. Δ(eS)/ΔS = еS. Когда S = ω0t, то отсюда следует, что

 Δ(eS)/Δt = Δx/Δt = ω0eω0t,

т. е. х' = ω0х. Точно так же у' = -ω0у, и мы показали, что у = ехр (-ω0t) — решение уравнения (4.7). Самое общее решение можно получить, если взять S = ω0(t + t0), т. е. просто сдвинуть начало отсчета времени.

Аналогия с геометрическим определением тригонометрических функций cos(ω0t) и sin(ω0t) теперь должна быть ясной. Они определялись как проекции на координатные оси точки, движущейся по окружности единичного радиуса. Поэтому площадь сектора, «заметаемого» радиусом, также равномерно нарастала со временем: S = ω0t.

Еще ближе аналогия тригонометрических функций с гиперболическими функциями. Построим на таком же рисунке, как и рис. П1 взаимно перпендикулярные оси ОУ и ОХ (рис. П2).

Поделенные на проекции X(S) и Y(S) точки А на эти оси называются гиперболическим синусом и гиперболическим косинусом аргумента S и обозначаются следующим образом:

Эти функции похожи на sin S и cos S. Ясно, что их легко выразить через ехр (S) и ехр (-S), но полезно знать и геометрическое определение, исходя из которого можно найти все основные свойства показательной и гиперболических функций.

Самое главное свойство показательной функции, которое можно было бы взять за определение, выражается очень просто: eS1+S2 = eS1 • eS2. Доказывается оно геометрическим рассуждением, провести которое мы предлагаем читателю. Покажите также, что sh S = 1/2 (eS - e-S), ch S = 1/2 (eS + e-S).

2. Найдем теперь геометрическим построением решение уравнения (4.6). Обозначим = ψ (рис. ПЗ).

Отсюда очевидно, что ψ = (π - φ)/4 и tg ψ = exp(-S)/exp(S) = exp(-2S). Приращение площади ΔS при малом смещении точки А по гиперболе можно записать как площадь малого сектора с радиусом (ОА)  (ОА') и углом -Δψ = , т. е. ΔS = -½Δψ·(ОА)2. Так как (ОА) = ехр(S)/cos ψ, то отсюда следует, что

Возвращаясь к углу φ, находим, что

Чтобы получить отсюда уравнение (4.6), достаточно положить S = ½ω0t. Тогда φ' = 2ω0cos(φ/2), а условие tgψ = exp(-2S) дает

Мы показали, что угол φ(t) зависимость которого от t определена этим уравнением, удовлетворяет уравнение (4.6). Общее решение уравнения (4.6) можно найти сдвигом начала отсчета времени, т. е. заменой в формуле (4.9) t на t + t0. Если угол φ близок к π, то для α = (π - φ)/4 получим из (4.9), что α = ехр(-ω0t) (так как tg α α). Таким образом, α удовлетворяет уравнению (4.7).

3. В заключение приведем некоторые солитонные уравнения и их простейшие решения.

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Многоликий солитон» автора Филиппов Александр на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „ПРИЛОЖЕНИЯ“ на странице 1. Приятного чтения.