بيت » Method of Characteristics (math)

Method of Characteristics (math)

1790
  • Joseph-Louis Lagrange
  • Gaspard Monge

A technique for solving first-order and hyperbolic second-order partial differential equations (PDE). The method reduces a PDE to a family of ordinary differential equations (ODEs) along specific curves called ‘characteristics’. Along these curves, the PDE simplifies, allowing the solution to be found by integrating the system of ODEs. It is particularly powerful for problems involving transport and wave propagation.

The core idea of the الطريقة of characteristics is to find curves in the domain of the PDE along which the solution’s behavior is simpler. For a first-order quasilinear PDE of the form [latex]a(x,y,u)u_x + b(x,y,u)u_y = c(x,y,u)[/latex], the method involves solving a system of ODEs called the characteristic equations: [latex]frac{dx}{dt} = a[/latex], [latex]frac{dy}{dt} = b[/latex], and [latex]frac{du}{dt} = c[/latex]. By solving this system, one can trace back the value of the solution [latex]u[/latex] from a point [latex](x,y)[/latex] to the initial data curve.

For hyperbolic equations, there are multiple families of characteristic curves. For the one-dimensional wave equation [latex]u_{tt} – c^2 u_{xx} = 0[/latex], the characteristics are the straight lines [latex]x pm ct = text{constant}[/latex]. Information, or the values of the solution, propagates along these lines. This is the mathematical basis for d’Alembert’s solution, which shows the solution as a sum of right- and left-traveling waves.

A significant feature of the method when applied to nonlinear equations is its ability to predict and handle the formation of shock waves or discontinuities. If the characteristic curves, which carry constant values of the solution, intersect, it implies that the solution is trying to take on multiple values at the same point. This signals the breakdown of a smooth solution and the formation of a shock, a phenomenon common in gas dynamics and traffic flow.

UNESCO Nomenclature: 1102
– Analysis

النوع

Software/Algorithm

Disruption

Substantial

الاستخدام

Widespread Use

Precursors

  • theory of ordinary differential equations (odes)
  • geometric interpretation of derivatives
  • formulation of first-order pdes by d’alembert and euler
  • parametric representation of curves

التطبيقات

  • fluid dynamics for solving the euler equations and modeling shock waves
  • traffic flow analysis
  • gas dynamics and supersonic flow
  • nonlinear wave propagation
  • optimal control theory (hamilton-jacobi-bellman equation)

براءات الاختراع:

NA

Potential Innovations Ideas

!!مستويات !!! العضوية مطلوبة

يجب أن تكون عضوًا !!! مستويات!!! للوصول إلى هذا المحتوى.

انضم الآن

هل أنت عضو بالفعل؟ سجّل الدخول هنا
Related to: method of characteristics, first-order pde, hyperbolic pde, ode reduction, lagrange-charpit method, shock waves, transport equation, wave propagation

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

متاح للتحديات الجديدة
مهندس ميكانيكي، مدير مشروع أو بحث وتطوير
تطوير المنتج الفعال

متاح لتحدي جديد في غضون مهلة قصيرة.
تواصل معي على LinkedIn
تكامل الإلكترونيات المعدنية والبلاستيكية، التصميم حسب التكلفة، ممارسات التصنيع الجيدة (GMP)، بيئة العمل، الأجهزة والمواد الاستهلاكية متوسطة إلى عالية الحجم، الصناعات الخاضعة للتنظيم، شهادات CE وFDA، التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، Solidworks، الحزام الأسود Lean Sigma، شهادة ISO 13485 الطبية

نحن نبحث عن راعي جديد

 

هل شركتك أو مؤسستك متخصصة في التقنية أو العلوم أو الأبحاث؟
> أرسل لنا رسالة <

احصل على جميع المقالات الجديدة
مجاني، لا يوجد بريد عشوائي، ولا يتم توزيع البريد الإلكتروني ولا إعادة بيعه

أو يمكنك الحصول على عضويتك الكاملة -مجانًا- للوصول إلى جميع المحتويات المحظورة >هنا<

Historical Context

(if date is unknown or not relevant, e.g. "fluid mechanics", a rounded estimation of its notable emergence is provided)

Related Invention, Innovation & Technical Principles

Scroll to Top

قد يعجبك أيضاً