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解法及相关问题编辑特征超曲面及次特征线
在求解双曲型方程或研究其解的性质时,特征超曲面及次特征线起着重要的作用。一个超曲面S:φ(t,x)=0,如果在其上成立如果在其上成立就称它是方程(4)的一个特征超曲面。对于双曲型方程,任一特征超曲面均由次特征线组成,而次特征线t=t(τ),x=x(τ)由下述常微分方程组下述常微分方程组满足附加条件(5)的解所给出。由过一点p(t0,x0)的一切次特征线所构成的特征超曲面,称为以p为顶点的特征劈锥面,连同其内部称为特征劈锥体,它们由位于t≥t0及t≤t0的前向及后向两部分组成。过p点指向此劈锥面内部的任一方向,称为此点的类时方向;一个处处和类时方向相切的曲线称为类时曲线。以P为顶点的特征劈锥面内部的任一点,都可用类时曲线与p点相连。在p点将劈锥的前后两部分隔开来的任一超曲面元素,称为类空元素;处处和类空元素相切的超曲面称为类空超曲面。对方程(4),超平面t为常数就是一个类空超曲面。对波动方程(1),次特征线都是直线,而以p(t0,x0)为顶点的特征劈锥面就是特征锥面.
此时t轴恰为一个类时曲线。在方程(4)的主部的系数有界时,以任何点为顶点的特征劈锥面,都可包含在以此点为顶点的一个固定大小的圆锥中。解的弱间断面一定是特征超曲面,因此,在波的传播中,特征超曲面可用来表示波前,即作为已受扰动与未受扰动的区域的分界面,而任何扰动都沿着次特征线传播。这里,扰动沿次特征线传播的性质,充分体现了一般情形下线性偏微分方程的解的奇性传播的特点。在光学中,次特征线就是光线,沿着它们积分一些常微分方程,在高频振动的情况下,可得到精确解的渐近展开式。这一方法称为几何光学近似。它将波动光学和几何光学联系起来,并为傅里叶积分算子提供了一个雏型。
对双曲型方程(4),常见的定解问题是柯西问题或称初值问题:求方程(4)在t>0时的解u=u(t,x),使它满足如下的初始条件 t=0: u= u0(x),初始条件式中u0(x)及u1(x)为给定的适当光滑的函数。一般地说,柯西问题的初始资料可以给在任一类空超曲面上。对于正规双曲型方程,其柯西问题是在阿达马意义下适定的,即其解存在、惟一并以某种方式连续地依赖于初始资料。不仅如此,柯西问题(4)、(6)的解u在一点p(t0,x0)(t0>0)之值,只依赖于以p点为顶点的后向特征劈锥体与初始超平面t=0交截所得的区域Gp上的初始资料,而和Gp外的初始资料无关。Gp称为点p的依赖区域。依赖区域的有界性反映了波动以有限速度传播的事实,是双曲型方程所具有的一个本质的特点。相应地,初始资料在t=0上一点p0的一个邻域中的扰动,仅影响到解在以p0为顶点的前向特征劈锥体的一个邻域中的数值。这个前向特征劈锥体称为p0点的影响区域。在特殊的情形下(例如对n>1为奇数时的波动方程(1)),解u在p(t0,x0)点的值仅依赖于初始资料在Gp的边界的一个任意小的邻域中的值,而p0 点的影响区域仅是过 p0点的前向特征劈锥面。此时,波的传播有清晰的阵面,不会出现波的弥散,称为成立惠更斯原理。对n为偶数的波动方程(1),惠更斯原理不成立。然而,不论在哪一种情形,由于解的奇性(不连续性)沿着次特征线传播,在t=0上一点p0处初始资料的奇性仅通过以p0为顶点的前向特征劈锥面传播出去,或者说,解在p(t0,x0)点的光滑性仅依赖于初始资料在Gp边界的一个任意小的邻域中的光滑性。这个事实,称为广义的惠更斯原理。
双曲型方程柯西问题
双曲型方程柯西问题 |
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