形式陈述
一单位集中热量经过时间 后怎样分布?对整空间热方程公理库偏微分方程Partial differential equation · PDE含未知多元函数及其偏导数的方程。 ,热核是
它是 个相互独立的一元正态 $N(0,2t)$ 密度公理库正态分布Normal distribution · Gaussian distribution · 高斯分布具有指数平方密度、在仿射变换与独立求和下封闭的概率分布族。的乘积,因此非负、积分为一,联合协方差为 。对 $L^p(\mathbb R^d)$公理库L^p 空间L-p space · Lebesgue space按几乎处处相等取商的积分范数空间;从尖峰和完备性走到共轭指数的对偶表示,并证明有限测度下的反身性。、,定义
这个卷积公理库连续函数卷积Continuous convolution · Function convolution在欧氏空间中以平移乘积的 Lebesgue 积分定义函数卷积。在每个正时间给出光滑解,满足 。对共轭指数 ,Gaussian 核及其各阶导数都属于 ;Hölder 不等式公理库Hölder 不等式Hölder's inequality共轭指数下函数乘积的 L¹ 范数由各自的 Lᵖ 范数乘积控制。因而保证每个 处的积分绝对收敛,包括 两个端点。若 、,则 于 ;若 有界且一致连续,则一致恢复初值;在有界初值的连续点,逐点恢复也成立。
有界连续初值对应的这个解,在每个有限时间带上有界的经典解类中唯一。无界空间中若完全不限制解的增长,不能只凭初值和方程宣称唯一。
直觉
核的宽度按 增长,中心高度按 降低,两者配合保持总热量不变。热量不是以一个锐利波前向外移动:每个正时间,Gaussian 在任意远处都严格为正。
从频率看,越细的起伏对应越大的频率,衰减也越快。热流的平滑来自这种有尺度差别的衰减,而不是把全部频率同时乘上一个常数。
例子与边界
一段均匀热区怎样扩散
在一维取 。记标准正态分布函数为 ,换元得到
例如 、 时,。原平台中心已经略微降温;与此同时,区间外立刻出现正温度。总热量仍为
在端点 ,当 时,。初值在该单点取一还是零都不改变卷积;对跳跃不能要求以任意点值方式处处恢复。
不要把扩散系数与方差差一个二
若方程是 ,则把 换成 ,核的协方差为 。标准 Brownian 运动的协方差为 ,其生成元相应是 。两种约定都正确,但不能在同一个计算中混用。
热方程还不具有可稳定求解的反向演化。正时间衰减的高频因子若倒过来,就会指数放大微小噪声;正向平滑不意味着可以从模糊后的数据稳定地恢复全部细节。
推论与应用
Fourier 模态给出核的形状
对足够光滑且衰减的初值,按本站Fourier 归一化公理库Fourier 变换Fourier transform · 傅里叶变换把非周期函数分解为连续频率成分,并将卷积和平移不变算子转为频域乘法。,空间变换给
每个频率满足一个标量常微分方程,所以
Gaussian 的逆变换正好得到 。直接求导也能独立核验:
对 限制在任意远离零的紧区间上,核的各阶导数都是 Gaussian 乘多项式,有足够的可积控制,可把求导移进与上述 输入的卷积。由此将构造推广到粗糙初值,同时保留正时间光滑性。
初值、质量与半群分别核验
是宽度 的近似恒等核公理库近似恒等核Approximate identity · Approximation to the identity总质量固定、绝对质量向原点集中且没有放大失控的卷积核族,使局部平均在有限 Lp 范数中恢复输入。,因此有限 和一致连续初值的恢复直接来自该定理。对有界函数的一个连续点,用近处振荡加远处 Gaussian 尾也可直接证明点态恢复。
核的正性和单位质量还给出收缩性。对 ,Minkowski 积分不等式公理库Minkowski 不等式Minkowski inequality$L^p$ 范数满足三角不等式。和空间平移不改变范数给出 ; 时直接积分本质上界得到同一结论。若 ,乘积绝对积分等于 ,所以Fubini 定理公理库Fubini 定理Fubini's theorem在适当可积条件下,多重积分等于任意次序的迭代积分。允许交换两个积分,得到 。若 且不几乎处处为零,则 对全部 成立;这是全空间核的严格正性,不是任意边界问题都保留全部质量的声明。
频率因子相乘给
这叫半群性质:先扩散 ,再扩散 ,等于直接扩散 。 是恒等算子,不能把 直接代进 Gaussian 密度公式。
唯一性必须选一个增长类
对同一有界连续初值的两个有界经典解,差 初值为零且满足热方程。在有限时间带上令 ,考虑
括号本身满足热方程。在大球的侧边界,选半径使 ,则 ;初始面上也小于零。抛物最大值原理公理库抛物最大值原理Parabolic maximum principle · Heat equation comparison principle热方程型不等式的上界由初始面和侧边界控制,终时面不是输入边界;严格时间扰动给出比较与唯一性。给内部 。对固定点让 得 ,再对 重复,得到唯一性。
持续热源由Duhamel 原理公理库热方程的 Duhamel 原理Duhamel principle for the heat equation把各时刻注入的空间热源先演化到共同终时再积分,构造受迫热方程的解,并区分经典解与积分意义的 mild 解。叠加;有边界的区域则要换成满足边界条件的热核。自由空间核本身不能保证有限容器的零温度或零通量边界。
参考资料