Korteweg–de Vries solitoniyhtälön diskretointi- ja aikaintegrointimenetelmien vertailua

Abstract

Solitoni on tunnettu ilmiönä jo 1800-luvun alkupuolelta lähtien. Se on eräänlainen muotonsa säilyttävä ja vakionopeudella etenevä aalto. 1800-luvun loppupuolella esitettiin osittaisdifferentiaaliyhtälön kuvaamaan tällaista matalassa ja kapeassa kanavassa esiintynyttä solitoniaaltoa. Tätä Kortewegin ja de Vries’n mukaan nimettyä osittaisdifferentiaaliyhtälöä tutkivat numeerisesti ensimmäistä kertaa Zabusky ja Kruskal vuonna 1965.

Osittaisdifferentiaaliyhtälöiden ratkaisuun tarvitsee usein käyttää numeerisia menetelmiä. Tämän työn alkupuoli käsittelee yleisesti tarvittavia matemaattisia menetelmiä sekä KdV-yhtälön analyyttistä tarkastelua. Loppupuolella tutkitaan KdV-yhtälön mallintamista tietokoneen avulla. Zabuskyn ja Kruskalin käyttämien menetelmien lisäksi kokeillaan montaa muutakin tapaa KdV-yhtälön mallintamiseen. Näistä menetelmistä vertaillaan laskentatehokkuutta sekä menetelmän tarkkuutta.

Zabuskyn ja Kruskalin käyttämä paikkadiskretointi todettiin mallinnuksissa tarkimmaksi, mutta ei kuitenkaan mallinnusaikaa tarkastellen tehokkaimmaksi. Aikaintegroinneista Runge-Kutta-menetelmät todettiin parhaiksi.

Menetelmien vertailun lisäksi niistä parhaiksi havaittuja sovellettiin muutaman erikoistapauksen, kuten kolmen aallon törmäyksen, mallintamiseen.