第四章 波动方程
4.1 方程的物理背景和定解问题
2. | 符号说明: , . (1) 有公式 , 这是因为 对 . 因此 , 第二个等号是因为 . 同理有 . (2) 作用 得 , 化为 , 即 . 作用 得 , 化为 (因 ) , 即 . |
3. | 要使 , 只需 , 即 , 因此取 |
5. | 即 , 积分得 为常数, 令 得此常数为 . 那么 , 再积分得 为常数, 且实际上是 , 于是 . 令 , 则 , 从而 . 答案是 , 其中 . |
4.2 波动方程的 Cauchy 问题
4. | 令 , 则有由此计算得到, 对一般的 , 时表达式为 时表达式为 注. 时表达式的第一项于是 时的解也写成相应地, 时的解也写成 |
5. | 记 是以 为顶点、 为底面的圆锥. |
6. | 由于 , |
7. | 令 , 则 , 代入后 . |
8. | 写出 的表达式代入即可. |
9. | 令 , 设 . |
10. | 设 . 可以不妨设 . 若 , 由 得 |
12. | (1)因此 (2) 记 . (3) 把 看作参数, 是关于 的函数, 得到 在 (2) 中取 得到 (4) 作变量代换 , 代入得到两边对 求 阶导, 由于 , 得到验算一下系数, (5) 记 , 令 , . 由于 在 处的球面测度与该点到 “圆盘” 上的投影的测度之比为升维并利用 维时解的表达式, 得到 |
4.3 波的传播和解关于时间的衰减性
1. | 注意 (2),(3) 中 方向也是特征方向. |
3. | 特征方向 满足方程 特征曲面为 , 其中 满足 其中对 , , 的含义相同. |
4. | 假设 有一定的衰减性, 则对固定的 , 当 时 . |
5. | 由于得到不过这里我们不用关心具体的表达式, 需要的仅是当 时其中 是一个与 有关的非负光滑紧支函数. 下面对上式给出两种估计. 方法 I. 设 , 则由于 是在靠近 的边缘处很大, 那么若 在 的中央, 上式就不会太大. 具体写出来就是: 第一种情况, . 这时 , 于是接下来要考虑 同 的边缘区域有重叠的情况, 这时 相对 不太小, 衰减性来自小圆 相对于大圆 所占的圆心角 仅有大约 . 也就是说: 第二种情况, . 对 , . 这时由于以及相乘得方法 II. 写成径向积分分成两段, 对 不太接近 的部分可以直接估计: 而当 接近于 时, 需要更好地利用 的衰减性: 注意到由于 是紧支的, 有因此最后 取为随便一个常数即可, 两式相加就有 对 一致地成立. 注. (i) 第二个估计的优点在于, 这一上界不直接与支集半径 有关. (ii) 维的结论见 [LZ] 第四章定理 6.1 (p.85), 推论 6.1 (pp.90–1). |
4.4 分离变量法和初边值问题解的存在性
2. | 令 , 则考虑非零特解 , 代入方程得到 , 由边界条件得到必须 , 此时 , |
3. | 从相容性条件解得 . 求解方程得到 |
4. | (1) 由于得到 (2) 由解的表达式得到 |
5. | 设 . 要让可以令 (1) . (2) . (3) . |
4.5 能量方法和解的唯一性与稳定性
由于习题课可能讲不到这一节, 这里给出所有的解答.
1. | 同 4.5.2 节的推导, 得到于是定义则由 Gronwall 不等式, |
2. | |
3. | 我们有然后用定理 4.5.1 即可. 上面最后一个不等号用了 Poincaré 不等式, 即: , 上 推出不用了 Poincaré 不等式的方法是, 同下一题转而考虑 而不是 . |
4. | 设 , 都是解, 令 , 则由 是 Lipschitz 的, 有则为了获得合适的微分不等式, 令则由 Gronwall 不等式,因此 . |
5. | (1)即 是常数. (2) 此时 . |
6. | 同 4.5.2 的推导, 得到对 , 当 很大时 与 不相交, 则 , 从而 , 于是 . |
7. | 设 , 都是解, 令 , 则注意到由于 递增, 有因此那么, 同 4.5.2 节的推导得到 |
8. | (1) 由 (2) 可得. (2) 以下每次出现的 代表不同的常数. 记与波动方程类似, 来估计首先, 由 在 恒为 得到 在 也为 , 于是中间的等号用到了 . 由 的有界性, 上式的第二项此外, 又以及结合以上四式得到即由 的一致椭圆性和有界性, 从上式进一步得到还剩下 要估计. 我们有以上两式相加得由 Gronwall 不等式得(3) 为了仍有其中 , 需要的边界条件为 |
参考文献
[Gr] | L. Grafakos. Classical Fourier Analysis. Graduate Texts in Mathematics 249. Springer, 2014. |
[LZ] | 李大潜, 周忆. 非线性波动方程. 现代数学丛书. 上海科学技术出版社, 2016. ➢Springer 版下载 |