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定理Theorem

Hopf–Lax公式

Hopf–Lax formula · Hopf-Lax quadratic formula

对二次Hamilton量和全局Lipschitz初值,以最小二次代价构造唯一黏性解,证明极小点位移、半群和误差界,并手算正负绝对值初值。

从初始位置 y 移动到当前点 x,距离越远,二次移动代价越高;但初始值 g(y) 也可能更低。Hopf–Lax公式在所有出发点中选取总代价最小的一项。最优出发点可以不唯一,包络因此可以出现尖点;函数值本身仍有严格定义和唯一性保证。

形式陈述 ​

本页采用二次Hamilton量的完整版本 ​

设 g:Rn→R 为全局 L-Lipschitz函数,不要求有界。定义

(1)(Stg)(x)=miny∈Rn[g(y)+|x−y|22t](t>0),S0g=g.

这是二次Hamilton量 H(p)=|p|2/2 的 Hopf–Lax公式。令 U(t,x)=Stg(x),则它是

(2)Ut+12|DxU|2=0,U(0,x)=g(x)

的黏性解。式(2)属于Hamilton–Jacobi方程。

每个极小点 y∗ 都满足

(3)|x−y∗|≤Lt.

并且

(4)|U(t,x)−U(t,x′)|≤L|x−x′|,|U(t,x)−U(s,x)|≤L22|t−s|.

所以每个有限时间窗上 U 都全局时空Lipschitz。由自主Hamilton量的比较定理,它在这个解类中唯一。

一般凸Hamilton量需要其共轭代价及增长假设;本页把全部证明限于(1),不将下面的二次常数无条件搬到任意H。

直觉

抛物面包络与有限搜索范围 ​

固定 y 时,g(y)+|x−y|2/(2t) 是一张以 y 为中心的抛物面。所有这些抛物面的下包络给出 U。t 较小时移动昂贵,最优出发点靠近 x;较大时允许更远的低初值参与竞争。

(3)给出了比这幅图更精确的结论:计算某个 x 的值,只需搜索半径 Lt 的闭球。但它不保证球内只有一个极小点,也不保证随 x 变化时最优标签连续。

极小点存在,以及为什么不是只有2Lt界 ​

由初值Lipschitz,令 r=|x−y|,有

g(y)+r22t≥g(x)−Lr+r22t⟶+∞(r→∞).

因此可把极小化限制在足够大的闭球内,由极值定理取得最小值。仅将极小值与 y=x 比较,会先给 r≤2Lt,还不是(3)。

要取得尖锐界,若极小点距离 r>0,朝 x 移动 h:yh=y∗+h(x−y∗)/r,0<h<r。极小性和 g 的Lipschitz界给

0≤g(yh)−g(y∗)+(r−h)2−r22t≤Lh−rth+h22t.

除以 h 后令 h↓0,得到 r≤Lt。当 r=0 时结论直接成立。这一步没有假定 g 在极小点可微。

例子与边界

正绝对值被填成一段抛物线 ​

一维取 g(y)=|y|。当 x>t,极小点为 y=x−t;当 x<−t,极小点为 y=x+t;当 |x|≤t,极小点为零。因此

(5)U+(t,x)={x2/(2t),|x|≤t,|x|−t/2,|x|≥t.

在接缝 x=±t,两边函数值、空间导数和时间导数分别吻合,所以 t>0 时它为 C1 并逐点满足(2)。初始尖点被一段越来越宽的抛物线取代。

负绝对值保留尖点和两个最优标签 ​

若 g(y)=−|y|,则

(6)U−(t,x)=−|x|−t/2.

当 x>0,极小点为 y=x+t;当 x<0,为 y=x−t。在 x=0,y=t 与 y=−t 都是极小点,并且只有这两个。

(6)不可在尖点处经典求导,但上下接触测试已给出正确的黏性选择:上接触斜率 p∈[−1,1] 产生 −1/2+p2/2≤0,下接触不存在。不能因为有两个极小标签,就把唯一的包络值误认为两个不同PDE解。

灰虚线是各自初值,蓝线是精确最小值;右图零点的两个最优标签给出同一个函数值。

两式都满足 |U±(t,x)−g(x)|≤t/2,且确有取等点。错误候选 |x|−t/2 虽在 x≠0 逐点满足方程,却不等于(5),并在零点违反超解条件。

推论与应用

半群来自两段二次代价的精确拼接 ​

对 s,t>0,固定出发点 y 和终点 x,中间点 z 的代价满足

minz[|z−y|22s+|x−z|22t]=|x−y|22(s+t),z∗=ty+sxs+t.

直接配方可核验该等式。再对 y 取下确界,便有

(7)St(Ssg)=St+sg.

不要求最优标签唯一;每一层都以最小值而非挑选规则定义。

将 x,y 同时平移 h,二次代价不变,初值变化至多 L|h|;交换两点即证(4)的空间界。另由配方和试探点 y=x,对任意L-Lipschitz函数 f 有

(8)f(x)−L2t2≤Stf(x)≤f(x).

用(7)作用在 Ssg 上得到时间界。因此 U(t,⋅)→g 全空间一致,初值不是只在逐点意义下勉强取得。

上接触:与任意短直线比较 ​

设 ϕ 在 (t,x) 从上接触 U,其中 t>0。由半群,任意固定向量 v 和小 h>0 满足

U(t,x)≤U(t−h,x−hv)+h2|v|2.

接触条件又给 ϕ(t,x)−ϕ(t−h,x−hv)≤U(t,x)−U(t−h,x−hv)。合并、除以 h 并取极限:

ϕt+v⋅Dxϕ≤|v|22.

取 v=Dxϕ,得到 ϕt+|Dxϕ|2/2≤0,次解条件成立。

下接触:跟随真正最优的短一步 ​

若 ϕ 从下接触,选半群短一步的极小点 zh=x−hvh。因为 U(t−h,⋅) 仍为L-Lipschitz,(3)给 |vh|≤L,从而 zh→x。等式与接触条件给

ϕ(t,x)−ϕ(t−h,x−hvh)≥h2|vh|2.

取一列 h↓0 使 vh→v,利用 C1 测试函数的统一一阶展开,得到

ϕt+v⋅Dxϕ≥|v|22.

记 p=Dxϕ,移项后

ϕt+|p|22≥|v−p|22≥0.

超解条件得证。至此存在性、正则界和初值都已证明,再由比较得到唯一性。

用已知初值误差控制整个包络 ​

若 ‖g−g~‖∞≤e,则每个候选代价相差至多 e,取最小值后仍有 ‖Stg−Stg~‖∞≤e。这是公式本身可直接验证的稳定性,也与比较定理一致。

对(5),空间梯度在 |x|<t 等于 x/t、外部为 ±1;对(6),左右梯度为 1,−1。这些具体函数分别对应已有熵解中的稀疏扇与静止激波。这里的迁移只认证这两个可逐段核验的模型,不把它扩大成未证明的一般对应定理。

参考资料
  • Lenya Ryzhik,Mean Field Games lecture notes,§2,Theorem2.6,印刷pp.17–18;“Hopf-Lax formula as a viscosity solution”,pp.26–27:最小代价与接触证明。其后一段采用有界Lipschitz初值;本页对二次代价完整给出线性增长初值的强制性、尖锐位移界及解类。
  • Sung-Jin Oh,Math222A lecture notes,§2.4.6:Hopf–Lax接口。本页的两段代价拼接与正负绝对值公式可直接配方复算。
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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