Équation de Whitham
# Équation de Whitham

En physique mathématique l'équation de Whitham est une équation générale décrivant une onde de gravité dispersive non-linéaire de $surface^,.$ Elle a été établie par Gerald Whitham en 1967.

## Formulation

Elle s'écrit de la manière suivante :

${\frac {\partial }{\partial t}}s(x,t)+\alpha s(x,t){\frac {\partial }{\partial x}}s(x,t)+\int _{\mathbb {R} }K(x-\xi ){\frac {\partial }{\partial \xi }}s(\xi ,t)\;\mathrm {d} \xi =0.$

C'est une équation intégro-différentielle de la variable $s(x,t)$ donnant l'altitude de la surface dans un référentiel quelconque. Le noyau $K(x-\xi )$ est spécifique du problème traité.

## Ondes de gravité sur une surface

* Pour les ondes de surface telles que l'onde de Stokes de nombre d'onde $k$ on a c(k)=√(g/k tanh⁡(kh)){\textstyle c(k)={\sqrt {{\frac {g}{k}}\tanh(kh)}}} et α=3/2 √(g/h){\textstyle \alpha ={\frac {3}{2}}{\sqrt {\frac {g}{h}}}} où $c(\cdot )$ est la vitesse de phase, $g$ la gravité et $h$ la profondeur du milieu au repos. Ainsi, $K(\omega )={\mathcal {F}}\{c(x)\}(\omega )$, soit la transformée de Fourier de $c$⁣ ;
* On obtient l'équation de Korteweg-de Vries à partir du développement de $c(k)$ pour des ondes de grande longueur rapportée à l'amplitude $kh\ll 1$, soit c(k)=√(gh)(1−1/6 $k^2h^2){\textstyle$ c(k)={\sqrt {gh}}\left(1-{\frac {1}{6}}k^{2}h^{2}\right)}, K(x)=√(gh)(δ(x)+1/6 $h^2δ^{′′}(x)){\textstyle$ K(x)={\sqrt {gh}}\left(\delta (x)+{\frac {1}{6}}h^{2}\, \delta ^{\prime \prime }(x)\right)} où $\delta (\cdot )$ est la fonction de Dirac et α=3/2 √(g/h){\textstyle \alpha ={\frac {3}{2}}{\sqrt {\frac {g}{h}}}}.
* Bengt Fornberg et Gerald Whitham ont étudié le noyau $K(\cdot )$ adimentionné par $g$ et $h$ avec $c(k)={\frac {\nu ^{2}}{\nu ^{2}+k^{2}}}$, $K(x)={\frac {\nu }{2}}\mathrm {e} ^{-\nu x}$ et $\alpha ={\frac {3}{2}}$. La relation intégro-différentielle qui en résulte peut être réduite à l'équation aux dérivées partielles appelée équation de Fornberg–Whitham, soit $\left({\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}-\nu ^{2}\right)\left({\frac {\partial }{\partial t}}s(x,t)+{\frac {3}{2}}s(x,t){\frac {\partial }{\partial x}}s(x,t)\right)+{\frac {\partial }{\partial x}}s(x,t)=0.$Certaines solutions exhibent des discontinuités de la dérivée première (en anglais peakon) et d'ondes de choc (déferlement), ces dernières étant absentes des solutions de l'équation de Korteweg-de $Vries^,.$
