如果温度随流体移动,我们可以追着一个流体粒子看温度如何变化。这样得到的是一条时间曲线,而不是整个空间的函数。特征线法先解这些曲线,再检查它们能否拼成一张单值的函数图像;最后这一步正是初始面不能沿着流向摆放的原因。
形式陈述
方程与非特征数据
考虑标量一阶拟线性偏微分方程理路偏微分方程Partial differential equation · PDE含未知多元函数及其偏导数的方程。
取值于 , 取实值,二者在所讨论点的开邻域内为 。初始面用 参数化 给出,, 秩为 ;指定 数据
在 处要求下列行列式理路行列式Determinant交换含幺环上方阵的交替多线性标量不变量。非零
矩阵前 列是初始面的切方向,最后一列是方程给出的流向。条件(2)称数据在该点非特征:最后一列不在前面各列张成的切平面中。流向可以依赖 ,所以这里不只检查初始面的形状,还要代入初值 。
在这些条件下, 附近存在唯一的局部 解,满足(1)和初始数据。局部唯一指任意两解在足够小的共同邻域内相同;不保证一张初始面能生成全空间、全时间的经典解。
要解的扩展ODE
对每个初始标签 解
参数 表示沿曲线走了多远。 记录位置, 记录该位置携带的函数值。这是一套 维常微分方程,未知量暂时不是空间函数 。
直觉
为什么沿曲线只剩一个导数
若已经有经典解,沿满足 的位置曲线,由链式法则理路链式法则Chain rule复合映射的导数等于各层导数按计算顺序组成的线性映射复合。得到
于是 必须满足(3)。这个推导告诉我们该解什么ODE,但还没有证明它的解能还原为一张函数图像。
从曲线恢复函数需要一个逆映射
系数在小紧邻域内局部Lipschitz,Picard–Lindelöf定理理路Picard–Lindelöf 存在唯一性定理Picard-Lindelof theorem · Cauchy-Lipschitz theorem连续且对状态变量局部一致 Lipschitz 的向量场给出常微分方程初值问题的唯一局部解。给出(3)的局部唯一解。ODE初值可微依赖理路ODE变分方程与参数敏感度Variational equation for ODEs · Smooth dependence of ODE solutions · 常微分方程的初值导数在共同存在窗口中证明非线性ODE对初值和参数可微,构造齐次与非齐次变分方程,并给出一阶近似的余项控制与失效边界。又保证 对 为 。
令位置投影
在 ,它的导数恰是(2)中的矩阵。反函数定理理路逆函数定理Inverse function theorem导数可逆的光滑映射在该点邻域内存在光滑局部逆。因而给出局部坐标 。定义
它是 ,在初始面给出 ,沿每条参数曲线又满足 。这完成存在性。
若 是另一局部经典解,从同一初始位置出发沿 行走,链式法则使 满足同一套(3)。ODE唯一性使它与刚才的曲线及所携函数值一致。位置投影覆盖一个开邻域,故该邻域内 ,局部唯一性也得到证明。
例子与边界
变速输运还带有源项
解
把 作为两个位置坐标,初始曲线为 ;流向 不与它相切。取特征参数就是 ,得到
故 。第二式乘积分因子 后积分,得到
代入 ,最后的空间函数为
直接计算 :平方项系数为 ,一次项合为 ,初值也等于 。这两项回代验证同时检查了沿流衰减与外部源的作用。
特征初始面可能不相容,也可能不唯一
对 ,在水平直线 上给初值。流向 正好沿着初始面,(2)失败。
若 ,沿该线初值要求 ,与方程矛盾,没有经典解。若 恒为常数 ,则任意 、 且 都满足数据,解不唯一。非特征条件的失败不是一律“无解”;它使上述存在唯一性保证失效,实际情况取决于数据。
扩展曲线唯一,位置图像仍会折叠
对 、,有
在 ,所有位置都投到 ,不同标签却仍携带不同的 。扩展空间中的ODE曲线并没有相交;失去可逆性的是从曲线族到位置的投影。经典图像因此不能继续穿过这次坍缩。这里与已有Burgers守恒律理路标量守恒律Scalar conservation law · Scalar hyperbolic conservation law · 一维标量守恒方程以通量散度为零表达标量密度的局部守恒,并用特征速度、激波和稀疏波刻画非线性传播。相接,后续弱解和熵选择属于另一套接口。
推论与应用
一般输运的可复算公式
对 ,先解 。沿轨道定义
则
公式先要求所需轨道确实存在,并能追到初始面;若问题有侧边界,还要判断轨道最先从哪一部分边界进入,不能给所有边界同时任意指定数据。
当方程对梯度非线性时,仅追踪位置和函数值通常不够。Hamilton–Jacobi特征构造理路Hamilton–Jacobi方程Hamilton–Jacobi equation · Hamilton-Jacobi equation由Hamilton相流和作用量构造一阶PDE的经典解,证明梯度恢复恒等式,并用谐振子焦散区分相空间唯一性与位置投影退化。再追踪梯度 ,用作用量恒等式证明它确实是还原函数的空间导数;位置投影是否可逆仍是关键检查。
参考资料