## About the approximate solutions to linear and non-linear pseudodifferential reaction diffusion equations

Loading...
2019
Drin, Yaroslav
Ushenko, Yuri
Drin, Iryna
Drin, Svitlana
##### Abstract
Background. The concept of fractal is one of the main paradigms of modern theoretical and experimental physics, radiophysics and radar, and fractional calculus is the mathematical basis of fractal physics, geothermal energy and space electrodynamics. We investigate the solvability of the Cauchy problem for linear and nonlinear inhomogeneous pseudodiﬀerential diﬀusion equations. The equation contains a fractional derivative of a Riemann–Liouville time variable deﬁned by Caputo and a pseudodiﬀerential operator that acts on spatial variables and is constructed in a homogeneous, non-negative homogeneous order, a non-smooth character at the origin, smooth enough outside. The heterogeneity of the equation depends on the temporal and spatial variables and permits the Laplace transform of the temporal variable. The initial condition contains a restricted function. Objective. To show that the homotopy perturbation transform method (HPTM) is easily applied to linear and nonlinear inhomogeneous pseudodiﬀerential diﬀusion equations. To prove the solvability and obtain the solution formula for the Cauchy problem series for the given linear and nonlinear diﬀusion equations. Methods. The problem is solved by the NPTM method, which combines a Laplace transform with a time variable and a homotopy perturbation method (HPM). After the Laplace transform, we obtain an integral equation which is solved as a series by degrees of the entered parameter with unknown coeﬃcients. Substituting the input formula for the solution into the integral equation, we equate the expressions to equal parameter degrees and obtain formulas for unknown coeﬃcients. When solving the nonlinear equation, we use a special polynomial which is included in the decomposition coeﬃcients of the nonlinear function and allows the homotopy perturbation method to be applied as well for nonlinear non-uniform pseudodiﬀerential diﬀusion equation. Results. The result is a solution of the Cauchy problem for the investigated diﬀusion equation, which is represented as a series of terms whose functions are found from the parametric series. Conclusions. In this paper we ﬁrst prove the solvability and obtain the formula for solving the Cauchy problem as a series for linear and nonlinear inhomogeneous pseudodiﬀerential equations
Поняття фрактала є однiєю з основних парадигм сучасної теоретичної та експериментальної фiзики, радiофiзики та радiолокацiї, а дробове числення є математичною основою фрактальної фiзики, геотермальної енергiї та космiчної електродинамiки та iнших. Ми дослiджуємо розв’язнiсть задачi Кошi для лiнiйних та нелiнiйних неоднорiдних псевдодиференцiальних рiвнянь дифузiї. Рiвняння мiстить дробову похiдну за часовою змiнною типу Рiмана–Лiувiлля, визначену Капуто, та псевдодиференцiальний оператор, який дiє за просторовими змiнними i побудований за однорiдним, невiд’ємного порядку однорiдностi, негладким у початку координат символом, достатньо гладким за межами початку координат. Неоднорiднiсть рiвняння залежить вiд часової i просторових змiнних та допускає перетворення Лапласа за часовою змiнною. Початкова умова мiстить обмежену функцiю. Мета: показати, що метод гомотопiчної пертурбацiї HPTM (homotopy perturbation transform method) легко застосовувати до лiнiйних та нелiнiйних неоднорiдних псевдодиференцiальних рiвнянь дифузiї. Довести розв’язностi та отримання формули для розв’язку у виглядi ряду задачi Кошi для вказаних лiнiйних та нелiнiйних рiвнянь дифузiї. Методи. Задача розв’язується методом НPTM, який поєднує перетворення Лапласа (Laplaсe transform) за часовою змiнною i метод гомотопiчної пертурбацiї (HPM – homotopy perturbation method). Пiсля перетворення Лапласа отримуємо iнтегральне рiвняння, розв’язок якого шукаємо у виглядi ряду за степенями введеного параметра з невiдомими коефiцiєнтами. Пiсля пiдстановки введеної формули для розв’язку у iнтегральне рiвняння прирiвнюємо вирази бiля однакових степенiв параметра i отримуємо формули для невiдомих коефiцiєнтiв. При розв’язуваннi нелiнiйного рiвняння використовується спецiальний полiномiал, який входить в коефiцiєнти розкладу нелiнiйної функцiї i дозволяє застосувати метод гомотопiчної пертурбацiї i для нелiнiйного неоднорiдного псевдодиференцiального рiвняння дифузiї. Результатом є розв’язок задачi Кошi для дослiджуваного рiвняння дифузiї, який подається у виглядi ряду, членами якого є знайденi функцiї з параметричного ряду. В цiй працi вперше доведена розв’язнiсть та отримана формула для розв’язку задачi Кошi у виглядi ряду для лiнiйних та нелiнiйних неоднорiдних псевдодиференцiальних рiвнянь дифузiї.
##### Keywords
Laplace transform, Homotopy perturbation transform method, fractional reactiondiﬀusion equation, Caputo time-fractional derivative, pseudodiﬀerential operator, article, перетворення Лапласа, гомотопiчний пертурбацiйний метод, фрактал, дробова похiдна за Капуто, псевдодиференцiальний оператор, стаття
##### Citation
About the approximate solutions to linear and non-linear pseudodifferential reaction diffusion equations / Ya. Drin, Yu. Ushenko, I. Drin, S. Drin // Могилянський математичний журнал. - 2019. - Т. 2. - С. 41-45.