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$\开始组$

我试图理解使用能量估计来证明双曲方程解的存在性和唯一性(这很明显是能量估计)背后的含义。构建能量密度函数的基本思想是什么?

提前谢谢。。。

$\端组$

1答案1

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$\开始组$

一个典型的例子:波动方程(为了简单起见,让我们在1d中工作,但想法很一般):

$$\partial_t^2u=\ partial_x^2u$$

设$v=\partial_tu$和$w=\parcial_xu$。然后,上述等式变为

$$\partial_tv=\ partial_xw$$

作为同一函数$u$的两个不同的偏导数,$v$和$w$通过偏导数的互换性相关:

$$\partial_tw=\ partial_xv$$

上述两个方程可以写成矩阵形式

$$\partial_t{v\choose w}=S\partial _x{v\ choose w}$$

其中$S$是对称矩阵

$$\开始{pmatrix}0&1\\1&0\结束{pmatricx}$$

另一方面,在标准双线性乘积下(为了简单起见,让我们使用实值函数)

$$\langle f,g\rangle=\int f(x)g(x)dx$$

$\partial_x$是一个反对称运算符,这得益于按部件进行的积分:

$$\langle\partial_xf,g\rangle=\int\partial _xf(x)\cdot g(x)dx=-\int f(x$$

由于$S$和$\partial_x$通勤,$S\partial _x$也是反对称的:

$$(S\partial_x)^T=\partial _x ^T \ circ S^T=-\partial-x\circ S=-S\partial.x$$

因此,变量$X=(v,w)^T$中的波动方程如下

$$\partial_tX=AX$$

其中$A=S\partial_x$是反对称的。在有限维(双)线性代数中,我们知道反对称矩阵生成的流保持双线性形式。这推广到无限维函数空间的设置。因此,上述演化方程保持双线性形式

$$\langle X,X\rangle=\int(v(X)^2+w$$

能量密度自然弹出:

$$e(x)=\partial_tu(x)^2+\partial_xu(x)^2$$

瞧!


PS(聚苯乙烯)上述过程可广泛推广到对称(甚至可对称)双曲系统。有关教科书参考,请参阅迈克尔·泰勒的第5章,伪微分算子与非线性偏微分方程.

$\端组$

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