المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر

Protozoan Diseases
28-10-2015
شروط إفساد الصوم بالإفطار.
20-1-2016
أهم الدول المنتجة للشاي
26-1-2023
أمراض بكتريا القولون التي تصيب الدجاج (Colibacillosis)
16-9-2021
سمير بن شريح الهمداني.
22-11-2017
طريق تحصيل الرضا
29-7-2016

Sine-Gordon Equation  
  
1266   03:33 مساءً   date: 23-7-2018
Author : Barone, A.; Esposito, F.; Magee, C. J.; and Scott, A. C
Book or Source : "Theory and Applications of the Sine-Gordon Equation." Riv. Nuovo Cim.1
Page and Part : ...


Read More
Date: 21-7-2018 1103
Date: 25-7-2018 1364
Date: 13-7-2018 2095

Sine-Gordon Equation

A partial differential equation which appears in differential geometry and relativistic field theory. Its name is a wordplay on its similar form to the Klein-Gordon equation. The equation, as well as several solution techniques, were known in the 19th century, but the equation grew greatly in importance when it was realized that it led to solutions ("kink" and "antikink") with the collisional properties of solitons (Perring and Skyrme 1962; Tabor 1989, p. 307). The sine-Gordon equation also appears in a number of other physical applications (Barone 1971; Gibbon et al. 1979; Bishop and Schneider 1981; Davydov 1985; Infeld and Rowlands 2000, pp. 202 and 240), including the propagation of fluxons in Josephson junctions (a junction between two superconductors), the motion of rigid pendula attached to a stretched wire, and dislocations in crystals.

 

The sine-Gordon equation is

 

 v_(tt)-v_(xx)+sinv=0,

(1)

where v_(tt) and v_(xx) are partial derivatives (Infeld and Rowlands 2000, p. 199).

The so-called double sine-Gordon equation is given by

 u_(xt)+/-[sinu+etasin(1/2u)]=0

(2)

(Calogero and Degasperis 1982, p. 135; Zwillinger 1995, p. 135).

The equation can be transformed by defining

xi = 1/2(x-t)

(3)

eta = 1/2(x+t).

(4)

Then, by the chain rule,

partial/(partialx) = (partialxi)/(partialx)partial/(partialxi)+(partialeta)/(partialx)partial/(partialeta)

(5)

= 1/2(partial/(partialxi)+partial/(partialeta))

(6)

partial/(partialt) = (partialxi)/(partialt)partial/(partialxi)+(partialeta)/(partialt)partial/(partialeta)

(7)

= 1/2(partial/(partialeta)-partial/(partialxi)).

(8)

This gives

(partial^2v)/(partialx^2) = 1/4(partial/(partialxi)+partial/(partialeta))((partialv)/(partialxi)+(partialv)/(partialeta))

(9)

= 1/4((partial^2v)/(partialxi^2)+2(partial^2v)/(partialxipartialeta)+(partial^2v)/(partialeta^2))

(10)

(partial^2v)/(partialt^2) = 1/4(partial/(partialeta)-partial/(partialxi))((partialv)/(partialeta)-(partialv)/(partialxi))

(11)

= 1/4((partial^2v)/(partialxi^2)-2(partial^2v)/(partialxipartialeta)+(partial^2v)/(partialeta^2)).

(12)

Plugging in gives

(13)

Another solution to the sine-Gordon equation is given by making the substitution v(xi,eta)=f(z), where z=xieta, giving the ordinary differential equation

(14)

However, this cannot be solved analytically, since letting g=e^(if) gives

(15)

which is the third Painlevé transcendent (Tabor 1989, p. 309).

While the equation cannot be solved in all generality, several classes of solutions can be found by making the ansatzthat the solution is of of the form

(16)

This can be physically motivated on the grounds that the identity

(17)

means that interchanging space and time variables preserves the solution, as required by the symmetry of the sine-Gordon equation (1). (Although the reason for the factor of 4 is not entirely clear.)

Plugging the ansatz (16) into the Sine-Gordon equation (1) then gives

(18)

(Lamb 1980; Infeld and Rowlands 2000, pp. 199-200, typos corrected). Since the right-hand side contains two terms, one dependent only on t and one only on x, it can be eliminated by differentiating both side with respect to both x and t. Doing this and dividing the result by  gives

(19)

which can be written in the slightly simpler form

(20)

Since the left term depends on x only and the right term depends on t only, separation of variables can be used to write

(21)

where the separation constant is assumed to be positive. Rewriting these two equations then gives

(22)

These can be integrated directly to give

(23)

where m and sqrt(m^2-1) are constants of integration which are connected through equation (◇). Clearing denominators,

(24)

The final form of the Sine-Gordon equation with the above separation is then

phi_x =

(25)

psi_t =

(26)

(Infeld and Rowlands 2000, p. 200, typos corrected), where n^2 is another constant of integration. These equations can be solved in general in terms of incomplete elliptic integrals of the first kind F(phi,k), but interesting classes of solution can be investigated by picking particularly simple values of the integration constants.

SineGordonKink

A single-soliton solution is obtained by taking k=n=0 and m>1, in which case the equations have the solutions

phi(x) =

(27)

psi(t) =

(28)

Plugging into equation (◇) then gives

v =

(29)

=

(30)

=

(31)

where beta has been defined as

(32)

If m had instead been defined with a minus sign, the same solution but with -x instead of +x would have been obtained. The positive solution is a soliton also known as the "kink solution," while the negative solution is an antisoliton also known as the "antikink solution" (Tabor 1989, pp. 306-307; Infeld and Rowlands 2000, p. 200).

A two-soliton solution exists with k=0m>1:

(33)

(Infeld and Rowlands 2000, p. 200).

A two-kink solution is given by

(34)

(Perring and Skyrme 1962; Drazin 1988; Tabor 1989, pp. 307-308).

A "breather" solution occurs for k!=0:

 v=-4tan^(-1)[m/(sqrt(1-m^2))(sin(sqrt(1-m^2)t))/(cosh(mx))].

(35)

For a fixed x,v, this is a periodic function of t with frequency  (Infeld and Rowlands 2000, pp. 200-201).


REFERENCES:

Baker, H. F. Abelian Functions: Abel's Theorem and the Allied Theory, Including the Theory of the Theta Functions. New York: Cambridge University Press, p. xix, 1995.

Barone, A.; Esposito, F.; Magee, C. J.; and Scott, A. C. "Theory and Applications of the Sine-Gordon Equation." Riv. Nuovo Cim.1, 227-267, 1971.

Bishop, A. R. and Schneider, T. (Eds.). Solitons and Condensed Matter Physics: Proceedings of a Symposium Held June 19-27, 1978. Berlin: Springer-Verlag, 1981.

Calogero, F. and Degasperis, A. Spectral Transform and Solitons: Tools to Solve and Investigate Nonlinear Evolution Equations.New York: North-Holland, 1982.

Davydov, A. S. Solitons in Molecular Systems. Dordrecht, Netherlands: Reidel, 1985.

Drazin, P. G. and Johnson, R. S. Solitons: An Introduction. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1988.

Gibbon, J. D.; James, I. N.; and Moroz, I. M. "The Sine-Gordon Equation as a Model for a Rapidly Rotating Baroclinic Fluid." Phys. Script. 20, 402-408, 1979.

Infeld, E. and Rowlands, G. Nonlinear Waves, Solitons, and Chaos, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2000.

Kaup, D. J. "Method for Solving the Sine-Gordon Equation in Laboratory Coordinates." Stud. Appl. Math. 54, 165-179, 1975.

Lamb, G. L. Jr. Elements of Soliton Theory. New York: Wiley, 1980.

Perring, J. K. and Skyrme, T. H. R. "A Model Unified Field Equation." Nucl. Phys. 31, 550-555, 1962.

Tabor, M. "The Sine-Gordon Equation." §7.5.b in Chaos and Integrability in Nonlinear Dynamics: An Introduction. New York: Wiley, pp. 305-309, 1989.

Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 417, 1995.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.