Кіріспе
Математикада, сәйкес асимптотикалық кеңею әдісі – теңдеу немесе теңдеулер жүйесінің шешіміне жуықтап анықтау табудың жиі қолданылатын тәсілі. Бұл әдіс ерекше бұзылған дифференциалдық теңдеулерді шешуде кеңінен қолданылады. Ол тәуелсіз айнымалының мәндер диапазонының бір бөлігінде ғана жарамды (яғни, дәл) болатын бірнеше шамамен алынған шешімдерді табуды және содан кейін осы шешімдерді біріктіріп, тәуелсіз айнымалының барлық мәндер диапазоны үшін жарамды болатын жалғыз шамамен алынған шешімді құруды қамтиды. Орыс тіліндегі әдебиеттерде бұл әдістер "аралық асимптотика" деп белгілі болған және Яков Зельдович пен Григорий Баренблатттың еңбектерінде ұсынылған.
Әдіс туралы жалпы түсінік
Бірден бұзылған проблемалардың кең класында, домен екі немесе одан көп субдомендерге бөлінуі мүмкін. Олардың бірінде, көбінесе ең ірісінде, шешім проблеманы тұрақты бұзылыс ретінде қарастыру арқылы (яғни салыстырмалы түрде кішкентай параметрді нөлге теңеу арқылы) алынған асимптотикалық қатармен дәл жуықталады. Қалған субдомендер бір немесе бірнеше кішкентай аймақтардан тұрады, онда бұл жуықтау дұрыс болмайды, себебі проблемадағы бұзылу мүшелері онда мардымсыз емес. Бұл аймақтар жалпы алғанда өтпелі қабаттар деп аталады, ал домен шекарасында (қолданулардағыдай көбінесе) немесе домен ішінде орналасқан жағдайда тиісінше шекаралық қабаттар немесе ішкі қабаттар деп аталады. Өтпелі қабат(тар)да асимптотикалық қатар түріндегі жуықтау алу үшін, доменнің осы бөлігін жеке бұзылу проблемасы ретінде қарастыру қажет. Бұл жуықтау ішкі шешім деп аталады, ал екіншісі – сыртқы шешім, олардың өтпелі қабат(тар)қа қатынасына байланысты осылай аталған. Сыртқы және ішкі шешімдер "үйлестіру" деп аталатын әдіс арқылы біріктіріледі, осылайша бүкіл домен үшін жуық шешім алынады.
Композиттік ерітінді
Бүкіл салада жарамды, сәйкес келетін, құрама шешімді алу үшін жиі қолданылатын әдіс – бірыңғай әдіс. Бұл әдісте ішкі және сыртқы жуықтамаларды қосып, олардың қабаттасқан мәнін алып тастаймыз, әйтпесе ол екі рет есептеледі. Қабаттасқан мән – ішкі шекара қабаты шешімінің сыртқы шегі және сыртқы шешімнің ішкі шегі; бұл шектер жоғарыда тең екені анықталды. Сондықтан, осы шекті мәндер есебінің соңғы жуықталған шешімі мынадай: Бұл өрнек сәйкесінше және екенінде, және O(1) болғанда, дұрыс келеді.
Note that this expression correctly reduces to the expressions for and when is and O(1), respectively.
Дұрыс
Бұл соңғы шешім мәселенің бастапқы дифференциалдық теңдеуін қанағаттандырады (оны және оның туындыларын бастапқы теңдеуге қою арқылы көрсетіледі). Сондай-ақ, осы соңғы шешімнің шекаралық шарттары мәселеде берілген мәндермен сәйкес келеді, тұрақты көбейтуге дейін. Бұл шешімнің бірегейлігіне байланысты, сәйкес асимптотикалық шешім тұрақты көбейтуге дейін нақты шешіммен толықтай сәйкес екенін көрсетеді. Бұл әрқашан осылай бола бермейді, қалған барлық мүшелер біркелкі түрде нөлге жақындауы керек. Біздің шешіміміз қолдағы мәселені жақсы жуықтап қана қоймай, мәселенің нақты шешімін де жақын түрде ұсынады. Осы нақты мәселенің нақты шешімі табылады, ол көбейту тұрақтысымен шамамен алынған шешіммен бірдей формаға ие. Шамамен алынған шешім – нақты шешімнің қуаты бойынша биномдық кеңеюіндегі бірінші мүше.
Not only does our solution successfully approximately solve the problem at hand, it closely approximates the problem's exact solution. It happens that this particular problem is easily found to have exact solution
which has the same form as the approximate solution, by the multiplying constant. The approximate solution is the first term in a binomial expansion of the exact solution in powers of .
Шекаралық қабаттың орналасуы
Қолайлысы, шекаралық қабаттың , және үлкен екендігін көреміз, ол бұрын болжағандай, -қа жақын орналасқан. Егер біз оны екінші ұшында деп есептеп, қайта масштабтау жасағанда, нәтижедегі сәйкестік шартын орындау мүмкін емес еді. Көптеген мәселелер үшін осы сияқты сынақ-қателік әдісі шекаралық қабаттың нақты орнын анықтаудың жалғыз жолы болып табылады.
Шредингерге ұқсас екінші реттік дифференциалдық теңдеулер
Дингл мен Мюллер Кирстен Шредингер сияқты екінші реттік дифференциалдық теңдеулердің шешімдері мен сипаттамалық сандарының (жолақ шекаралары) асимптотикалық кеңеюін шығару үшін, әсіресе Матье теңдеуі (нағыз мысал), Ламе және эллипсоидтық толқын теңдеулері, сопақ және созылған сфералық толқын теңдеулері, сондай-ақ анармониялық потенциалдар теңдеулері үшін, ортақ жарамдылық аймағында шешімдерді сәйкестендіру арқылы асимптотикалық кеңею әдісін жасады және кеңінен қолданды.
Конвекция-диффузия теңдеулері
Смолуховскийдің конвекциялық диффузиялық теңдеуінің жуық шешімін табу үшін сәйкес асимптотикалық кеңею әдістері әзірленді, бұл екінші реттік дифференциалдық теңдеудің ерекше бұзылысы болып табылады. Бұл мәселе, әсіресе, сызықтық ағын өрістеріндегі коллоидты бөлшектер контекстінде зерттелді, онда айнымалысы сынақ бөлшегінің айналасындағы жұптық тарату функциясымен беріледі. Төмен Пеклет санының лимитінде конвекциялық диффузиялық теңдеу, ағын өрісі бөлшектер арасындағы қашықтықта сызықтық болғандықтан, шексіз қашықтықта сингулярлық көрсетеді (әдетте алыс өріс шекаралық шарты орналастырылатын жер). Бұл мәселені Ян Дхонт көрсеткендей, кеңістіктік Фурье түрлендіруі арқылы шешуге болады. Бұл мәселені шешудің тағы бір тәсілін Алессио Закконе және оның әріптестері әзірледі, ол шекаралық шартты шекаралық қабатқа орналастырудан тұрады, сыртқы қабаттағы жұптық тарату функциясының тұрақты мәнін қабылдау арқылы (бірінші реттік жуықтауда), конвекцияның басымдығына байланысты. Бұл сызықтық ағын өрісінде өзара әрекеттесетін екі коллоидты бөлшектің кездесу жиілігі туралы жуық теорияға әкеледі, бұл теория толық сандық шешіммен жақсы сәйкес келеді. Пеклет саны бірден едәуір үлкен болғанда, шексіз қашықтықтағы сингулярлық енді пайда болмайды және сәйкес асимптотика әдісі бүкіл домендегі жұптық тарату функциясының толық шешімін құру үшін қолданылуы мүмкін.