一维偏微分方程的一般形式

在MATLAB中可以使用pdepe求解器求解一维PDE,要求一维PDE具有下面的形式:

\(c(x,t,u,\frac{\partial u}{\partial x})\frac{\partial u}{\partial t}={x}^{-m}\frac{\partial}{\partial x}({x}^{m}f(x,t,u,\frac{\partial u}{\partial x}))+s(x,t,u,\frac{\partial u}{\partial x})\) (1-1)*

其中,\({t}_{0}\leq t\leq{t}_{f}\)\(a\leq x\leq b\)。区间[a,b]必须是有界区间。m可以是0、1或2,分别表示平面对称、柱面对称和球面对称。如果m>0,则a必须大于或等于0。

在方程(1-1)中,\(f(x,t,u,\partial u/\partial x)\)为通量项(flux term),\(s(x,t,u,\partial u/\partial x)\)为源项(source term)。相对于时间t的偏导数必须与对角矩阵\(c(x,t,u,\partial u/\partial x)\)相乘。矩阵的对角元素为0或正数。元素为0对应于椭圆型方程,否则对应于抛物型方程。必须至少有一个抛物型方程。如果x的值表示网格节点,则对应于抛物型方程的元素c会在该处变成0。

假设初始时刻为t=t0,初始条件的形式为

\(u(x,{t}_{0})={u}_{0}(x)\) (1-2)

在边界x=a或x=b处,对于所有的t,解满足形如下式的边界条件。

\(p(x,t,u)+q(x,t)f(x,t,u,\frac{\partial u}{\partial x})=0\) (1-3)

其中,q(x,t)为对角矩阵,该矩阵的元素为0或非0值。