函数 在零点没有导数,但一条光滑曲线仍可以从下方碰到它。黏性解不替这个尖点强行指定一个导数,而是要求每一条能碰到图像的测试曲线满足相应不等式。上下两种接触条件一起工作,能排除仅在几乎处处满足方程的错误候选。
形式陈述
接触点代入的是谁的导数
设 为开集, 连续。考虑一阶PDE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。
本页的候选函数 连续。若对每个 和每个在其邻域内为 的函数 ,只要 在 有局部最大值,就有
则称 为黏性次解。若 有局部最小值时总满足
则称 为黏性超解。两者同时成立,才称黏性解。
给 加一个常数即可令 。此时局部最大对应 从上方接触 ,局部最小对应从下方接触。 的第二个槽始终放 ;第三个槽放测试函数的导数。
对演化方程 ,取 ,条件分别为
或本页只在开时间区间内测试,初值由连续性另行规定。边界条件需要说明是在闭包逐点取值,还是采用其他边界测试;两种做法不能混用。
直觉
一侧接触只允许某些斜率
在 ,若 从上方接触 ,比较正负小增量可得
任意这个范围内的直线都能从上方接触。下方则没有可微接触曲线:右侧要求斜率不大于 ,左侧要求不小于 ,无法同时满足。没有测试函数的一侧,量词条件自动成立;另一侧仍提供真正约束。
经典解与新定义一致
若 ,在任意接触点都有 。因此逐点满足(1)的经典解自动满足(2)和(3)。反过来,直接取 ,同一点既是局部最大也是局部最小,两种不等式合起来给 。所以对 函数,新定义没有改变原方程。
一般连续解却不能只用“能找到一条好测试函数”来验收:定义要求所有接触测试都通过。排除候选则只需要找到一条违反相应不等式的测试函数。
例子与边界
同样几乎处处满足绝对斜率一,答案仍不同
在 中考虑 ,两端值均为零。正帐篷
在 为经典解。尖点上方接触斜率 ,所以 ;下方没有可微接触,超解条件自动成立。它是黏性解。
负帐篷
也在零点之外满足同一方程,但常数函数 在零点从下方接触它。此时 ,违反超解条件。不能因为失败只发生在一个点,就删掉这次检查。
二次Hamilton量允许向下尖点
对 ,考虑
在 ,、。在 ,任意上接触测试的时间导数必为 ,空间斜率 位于 ,故
下接触因空间尖点而不存在,所以这是黏性解。相比之下, 在 被 从下接触,给出残差 ,不是超解。两者在非尖点处的逐点残差完全相同,接触方向却选择了不同结果。
推论与应用
局部一致极限保留接触不等式
设连续 在 的每个紧子集上一致收敛, 在 的每个紧子集上一致收敛理路函数列一致收敛Uniform convergence of functions误差对定义域中所有点可由同一阶段统一控制的函数列收敛。。若每个 都是 的黏性次解,则 是 的黏性次解;超解同理。
证明只需追踪接触点。设 在 取局部最大。固定 ,令
在一个足够小的闭球上, 仅在 取最大,边界与最大值有严格间隙。由连续函数极值定理理路极值定理Extreme value theorem连续实值函数在非空紧空间上取得最大值和最小值。, 在该闭球有最大点 ;一致收敛使充分大 的最大点位于球内,并迫使 。
将 作为 的测试函数,得到
三个输入都收敛且留在某个共同紧集内,故取极限得 。额外二次项在 的导数为零,不必再让 趋零。超解改用 即可。
证明没有要求 收敛,甚至没有要求 可微。它依靠函数值的一致控制,把极值点留在测试区域,再把已知接触不等式传给极限。
稳定性还不是唯一性
一阶黏性比较定理理路自主Hamilton量的黏性比较Viscosity comparison for autonomous Hamiltonians · Doubling variables comparison在整空间有限时间窗及全局时空Lipschitz解类中,以双变量、空间定位和终时屏障证明连续自主Hamilton量的顺序比较、唯一性及残差误差界。在明确的全局Lipschitz解类中,从初值顺序推得全时间窗顺序,才给出唯一性。Hopf–Lax公式理路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。提供该类中的存在性;Eikonal距离解理路Eikonal方程的距离解Eikonal distance solution · Zero-boundary eikonal equation · 到边界距离的黏性解在任意非空有界开域上,以到边界距离构造零Dirichlet Eikonal黏性解,用最短线段证明接触条件,再用严格缩放和双变量认证连续闭包解的唯一性。则用另一套有界域边界比较认证正帐篷。
“黏性”这一名称来自添加小扩散后取极限的背景。本页已经证明的是连续一阶算子的接触定义和局部一致稳定性;若要从二阶黏性方程推出极限结论,还须处理二阶测试项,不能把它当作上面 的直接特例。
参考资料