黃春

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教師教育系，四川 遂寧 629000）

分?jǐn)?shù)階偏微分方程是由整數(shù)階微分方程推廣而來(lái),它能更準(zhǔn)確地描述實(shí)際現(xiàn)象和深刻反映物體內(nèi)部的性質(zhì).分?jǐn)?shù)階偏微分方程在流體力學(xué)、等離子物理學(xué)、生物學(xué)、通信、化學(xué)等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.因此分?jǐn)?shù)階偏微分方程的精確解和數(shù)值解對(duì)于研究現(xiàn)實(shí)生活中的非線性現(xiàn)象有著重要意義.構(gòu)建分?jǐn)?shù)階偏微分方程精確解的方法主要包括：exp-函數(shù)法[1-2],(G'/G)-展開(kāi)法[3-4],首次積分法[5-6],Riccati函數(shù)展開(kāi)[7-8]等.

本文擬用Riemann-Liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)[9]與Riccati函數(shù)展開(kāi)法相結(jié)合,構(gòu)建空時(shí)分?jǐn)?shù)階Burgers方程精確解,該方法簡(jiǎn)潔高效.文中的分?jǐn)?shù)階微分算子是修正的Riemann-Liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)：

其中Γ(·)為Gamma函數(shù),定義為Riemann-Liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)具有如下性質(zhì)：

1 方法描述

給定分?jǐn)?shù)階偏微分方程：

步驟1 作分?jǐn)?shù)階復(fù)變換

其中K,L為常數(shù),方程(4)轉(zhuǎn)化為只含變量ξ常微分方程

步驟2 假設(shè)方程(5)有如下形式的解：

其中Ф=Ф(ξ)滿足如下形式的Riccati方程

這里的σ為任意常數(shù),ai(i=0,1,2,...,n)為待定系數(shù).正整數(shù)n可由齊次平衡原則確定.

根據(jù)常數(shù)σ的不同取值,確定如下三種類型的解：

(1)當(dāng)σ＜0時(shí),

(2)當(dāng)σ＞0時(shí),

(3)當(dāng)σ =0時(shí),

步驟3 將(7)式和(6)式代入(5)式后合并Ф的同冪次項(xiàng),得到關(guān)于ai(i=1,2,....,n)的代數(shù)方程組,利用Maple計(jì)算參數(shù),進(jìn)而得到原方程不同類型的精確解.

2 運(yùn)用與結(jié)果

考慮如下的空時(shí)分?jǐn)?shù)階Burgers方程[10]：

其中ω,η是常數(shù),x表示空間位置,t表示時(shí)間.

對(duì)方程(9)作復(fù)變換,原方程轉(zhuǎn)化為整數(shù)階常微分方程：

其中C為積分常數(shù),平衡方程(10)中的u2和u',得n=1.

將(11)式和(7)式代入(10)式,令Фi的系數(shù)為0,得到關(guān)于a0,a1的代數(shù)方程組,借助Maple軟件得到a0,a1,σ的值；

于是得到原方程在不同情形下的解：

情形1 當(dāng)σ＜0時(shí),方程(9)有如下孤立波解：

情形2 當(dāng)σ＞0時(shí),方程(9)有如下周期波解：

情形3 當(dāng)σ=0時(shí),方程(9)有如下有理函數(shù)解：

圖1 孤立波解u1(ξ)

圖2 孤立波解u2(ξ)

圖3 周期波解u3(ξ)

圖4 周期波解u4(ξ)

為了更直觀的理解這些解,借助Maple軟件得到部分解的數(shù)值模擬圖像如圖1-4所示.系數(shù)α==1,ω =1,C=1,K=1,L=4,圖 1、圖 2分別為孤立波解 u1(ξ)、u2(ξ).系數(shù)=1,ω =1,C=1,K=1,L=1,圖3、圖4分別為周期波解u3(ξ)、u4(ξ).

3 結(jié)論

文中借助修正的Riemann-Liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)結(jié)合Riccati函數(shù)展開(kāi)法構(gòu)建空時(shí)分?jǐn)?shù)階Burgers方程的新精確解,其中包括孤立波解,周期波解,有理函數(shù)解.并對(duì)部分解作出三維圖示,這些解對(duì)于理解復(fù)雜的非線性物理現(xiàn)象和分?jǐn)?shù)階偏微分方程的原理很有幫助,該方法簡(jiǎn)潔高效,是求解一類分?jǐn)?shù)階偏微分方程行之有效的方法.