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heat・wave・Laplace 方程式md 5fc5f7e
lecture/math/partial-differential-equations/heat-wave-and-laplace-equations.lecture.n.md
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heat・wave・Laplace 方程式ほうていしき

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、PDE の代表例だいひょうれいを、必要ひつようなデータ、情報じょうほう依存範囲いぞんはんい保存ほぞん散逸さんいつ境界きょうかい役割やくわりという共通軸きょうつうじく比較ひかくする。直前ちょくぜん分類ぶんるいでは、heat は放物型ほうぶつがた、wave は双曲型そうきょくがた、Laplace は楕円型だえんがたであることを確認かくにんした。この講義こうぎでは、そのかた差異さい標準的ひょうじゅんてき定係数ていけいすうモデルにあたえる影響えいきょう解説かいせつする。

data/lecture/math/partial-differential-equations/classification-of-second-order-linear-pdes.lecture.n.md

2比較ひかくする標準設定ひょうじゅんせってい

このページでは κ>0c>0 とし、外力がいりょく熱源ねつげん減衰項げんすいこうたない定係数ていけいすう方程式ほうていしきと、十分滑じゅうぶんなめらかな古典解こてんかいかんがえる。heat と wave は 1 空間次元くうかんじげん(x,t)、Laplace は ΩRn空間変数くうかんへんすうく。

モデルかた方程式ほうていしき時間階数じかんかいすう
heat放物型ほうぶつがたut=κuxx1
wave双曲型そうきょくがたutt=c2uxx2
Laplace楕円型だえんがたΔu=0時間変数じかんへんすうなし

3方程式ほうていしきだけでは問題もんだいさだまらない

PDE の問題もんだいは、方程式ほうていしき領域りょういき、データをわせてはじめてさだまる。全空間ぜんくうかん xR の heat と wave には空間境界くうかんきょうかいがない。有界区間ゆうかいくかん 0<x<L では、heat と wave の両方りょうほう端点たんてんでの Dirichlet・Neumann・Robin などの境界条件きょうかいじょうけん必要ひつようである。

  • heat は時間じかんについて一階いっかいなので、初期温度しょきおんど u(x,0)=f(x) を 1 あたえる。
  • wave は時間じかんについて二階にかいなので、初期変位しょきへんい u(x,0)=f(x)初期速度しょきそくど ut(x,0)=g(x)あたえる。
  • Laplace は時間発展じかんはってんたず、Dirichlet データ u|Ω=h などを境界値問題きょうかいちもんだいとしてあつかう。

有界領域ゆうかいりょういき古典解こてんかいでは、初期時刻しょきじこく空間境界くうかんきょうかいせっするかどでデータが一致いっちする適合条件てきごうじょうけん必要ひつようになる。じゅん Neumann の Laplace 問題もんだいには適合条件てきごうじょうけんと、定数分ていすうぶんだけの不定性ふていせいがある。問題設定もんだいせってい詳細しょうさいさき初期値しょきち境界値問題きょうかいちもんだい講義こうぎゆだねる。

data/lecture/math/partial-differential-equations/initial-and-boundary-value-problems.lecture.n.md

4heat: 無限伝播むげんでんぱ平滑化へいかつか

全空間ぜんくうかん RfCc(R) とする。ここで Cc(R)連続れんぞく有界ゆうかい区間くかんそとでは 0 になる関数かんすう、すなわち連続れんぞくなコンパクトだい関数かんすうあらわす。heat のかい熱核ねつかく

Gt(x)=14πκtexp(-x24κt),t>0

使つかって

u(x,t)=RGt(x-y)f(y)dy

ける。これは t>0なめらかな古典解こてんかいになり、t0f一様いちよう収束しゅうそくする。Gt(x-y)>0 なので、f[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 かつ f[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"not\")")]0 なら、どれほどはなれた x でも t>0 には u(x,t)>0 となる。これは擾乱じょうらん影響えいきょうせい時刻じこく全空間ぜんくうかんおよ無限伝播速度むげんでんぱそくどInfinite propagation speedあらわす。熱核ねつかく導出どうしゅつは Fourier 変換へんかん講義こうぎあつかう。

data/lecture/math/partial-differential-equations/fourier-transforms-and-pdes.lecture.n.md

有界区間ゆうかいくかん 0<x<L斉次せいじ Dirichlet 条件じょうけん u(0,t)=u(L,t)=0 では、L2 ノルムの二乗にじょう

ddt120Lu2dx=-κ0Lux2dx[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0

散逸さんいつする。一方いっぽう斉次せいじ Neumann 条件じょうけん ux(0,t)=ux(L,t)=0 では

ddt0Ludx=κ[ux]0L=0

なので、平均温度へいきんおんど保存ほぞんされる。Neumann 条件じょうけんでも、L2 ノルムの二乗にじょうたいするおな部分積分ぶぶんせきぶんでは境界項きょうかいこう消滅しょうめつするため、このりょう非増加ひぞうかである。境界条件きょうかいじょうけんことなれば、保存量ほぞんりょう長時間挙動ちょうじかんきょどうわる。

境界条件きょうかいじょうけんたす空間固有関数くうかんこゆうかんすうで、線形せんけい PDE の時間発展じかんはってん独立どくりつえる空間形状くうかんけいじょうモードModeぶ。斉次せいじ Dirichlet 条件じょうけんでは sin(nπx/L)空間くうかんモードであり、その時間振幅じかんしんぷくわせた

un(x,t)=e-κ(nπ/L)2tsin(nπx/L)

代入だいにゅうすれば方程式ほうていしき境界条件きょうかいじょうけんたす。nおおきい高周波こうしゅうはほどはや減衰げんすいすることが、平滑化へいかつか仕組しくみを示唆しさする。なぜ正弦せいげんえらばれるか、一般初期値いっぱんしょきちをどうかさわせるかはつぎ変数分離へんすうぶんり講義こうぎゆだねる。

5wave: 有限伝播ゆうげんでんぱと energy

全空間ぜんくうかん xRt[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0fC2(R)gC1(R) とすると、Cauchy 問題もんだいの d'Alembert 公式こうしき

u(x,t)=f(x-ct)+f(x+ct)2+12cx-ctx+ctg(s)ds

である。てん (x,t)あたいは、初期線しょきせん区間くかん [x-ct,x+ct] のデータだけに依存いぞんする。この依存領域いぞんりょういきDomain of dependenceが、なみ影響えいきょう速度そくど cえてつたわらないことをあらわす。波動演算子はどうえんざんし

t2-c2x2=(t-cx)(t+cx)

因数分解いんすうぶんかい特性座標とくせいざひょう x-ct,x+ct が、この公式こうしき背景はいけいにある。有界区間ゆうかいくかんでは境界きょうかい到達とうたつしたなみ反射はんしゃ境界条件きょうかいじょうけんしたがってあつか必要ひつようがあり、全空間ぜんくうかん公式こうしきをそのまま使つかえない。

有界区間ゆうかいくかん

E(t)=120L(ut2+c2ux2)dx

くと、無外力むがいりょくでは

E(t)=c2[utux]0L

である。固定端こていたん u=0 なら端点たんてんut=0自由端じゆうたん ux=0 なら端点たんてんux=0 なので、どちらも境界流束きょうかいりゅうそくえて E(t)=E(0) となる。境界入力きょうかいにゅうりょく外力がいりょく減衰げんすいがあれば、energy は一般いっぱん変化へんかする。

data/lecture/math/partial-differential-equations/introduction-to-energy-methods.lecture.n.md

6Laplace: 時間発展じかんはってんのない大域的境界依存たいいきてききょうかいいぞん

Laplacian の講義こうぎで、Δu=0C2 かい調和関数ちょうわかんすうび、平均値性質へいきんちせいしつつことを確認かくにんした。ここでは時間じかん沿伝播でんぱではなく、境界きょうかい内部ないぶ大域的たいいきてき結合けつごう注目ちゅうもくする。

たとえば単位円板たんいえんばんで、h:RR連続れんぞく2π 周期関数しゅうきかんすうとし、eiα=(cosα,sinα)表記ひょうきする。Dirichlet データを u(eiφ)=h(φ) とすると、Laplace 方程式ほうていしき境界表現きょうかいひょうげんである Poisson 積分公式せきぶんこうしき

u(reiθ)=12π02π1-r21-2rcos(θ-φ)+r2h(φ)dφ,0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]r<1

は、1 内部点ないぶてんあたい境界全体きょうかいぜんたいのデータからまることをしめす。Laplace 方程式ほうていしきには時間変数じかんへんすうがないため、これを有限ゆうげんまたは無限伝播むげんでんぱぶのではなく、静的せいてき大域依存たいいきいぞん区別くべつする。

Ω有界連結領域ゆうかいれんけつりょういきとし、uC2(Ω)C(Ω_)Δu=0たすとする。maximum principle により、u最大値さいだいち最小値さいしょうちΩ達成たっせいされる。この原理げんりからおなじ Dirichlet データを調和関数ちょうわかんすう一意性いちいせいしたがう。ただしかい存在そんざいべつしめ必要ひつようがあり、じゅん Neumann 問題もんだい定数ていすうだけの不定性ふていせいつ。

data/lecture/math/partial-differential-equations/maximum-principle-basics.lecture.n.md

7おなじくでの比較ひかく

比較軸ひかくじくheatwaveLaplace
必要ひつよう基本きほんデータ初期値しょきち 1 初期値しょきち 2 Dirichlet などの境界値きょうかいち
有界領域ゆうかいりょういき側面境界条件そくめんきょうかいじょうけん必要ひつよう側面境界条件そくめんきょうかいじょうけん必要ひつよう空間境界条件くうかんきょうかいじょうけん
情報依存じょうほういぞん正時刻せいじこく全空間ぜんくうかん即時そくじおよ速度そくど c依存領域いぞんりょういき時間因果じかんいんがなし・境界全体きょうかいぜんたい大域結合たいいきけつごう
積分量せきぶんりょう斉次せいじ Dirichlet・Neumann で二乗積分量にじょうせきぶんりょう非増加ひぞうか斉次せいじ Neumann で平均へいきん保存ほぞんじたけいで energy を保存ほぞん時間保存則じかんほぞんそくではなく静的平衡せいてきへいこう
てんごとの制御せいぎょ初期面しょきめん側面そくめんによる maximum principle同様どうようの maximum principle なし空間境界くうかんきょうかいによる maximum principle
典型的てんけいてき長時間像ちょうじかんぞうれい Dirichlet なら 0、斉次せいじ Neumann なら初期平均しょきへいきん固定こていした非零境界ひれいきょうかいなら定常分布ていじょうぶんぷ緩和かんわ有界固定端ゆうかいこていたん無減衰むげんすいなら一般いっぱん振動しんどう継続けいぞく時間発展じかんはってんたない

熱方程式ねつほうていしきの maximum principle であたい制御せいぎょする境界きょうかいは、初期面しょきめん空間境界くうかんきょうかいからなる放物型境界ほうぶつがたきょうかいであり、終時刻しゅうじこく上面じょうめんふくめない。この詳細しょうさいと Laplace 方程式ほうていしきの maximum principle の証明しょうめいは、のち専用講義せんようこうぎあつかう。

長時間挙動ちょうじかんきょどうぎょうは、この講義こうぎの 1 次元じげん定係数ていけいすう外力がいりょくおよび熱源ねつげんなしという設定せっていにおいて、時間じかん依存いぞんしない斉次せいじまたは固定境界条件こていきょうかいじょうけんした十分正則じゅうぶんせいそくかい典型像てんけいぞうしめす。

8単位たんいからの確認かくにん

熱方程式ねつほうていしきu温度おんどt時間じかんxながさとすると、κ は「ながさの 2 じょう時間じかん」の次元じげんつ。波動方程式はどうほうていしきc は「ながさ/時間じかん」であり、実際じっさい伝播速度でんぱそくどになる。この次元じげんも、拡散長かくさんちょうκtなみ到達距離とうたつきょりctことなることに対応たいおうする。

9どこまで成立せいりつするか

ここでしめした公式こうしき恒等式こうとうしきは、定係数ていけいすう外力がいりょくおよび熱源ねつげんなし・十分じゅうぶん正則性せいそくせいという仮定かてい依存いぞんする。非線形拡散ひせんけいかくさん減衰げんすい外力がいりょく不均一媒質ふきんいつばいしつ低正則性ていせいそくせいのデータでは、保存則ほぞんそく伝播速度でんぱそくど・maximum principle のかたちあらためて確認かくにんする必要ひつようがある。この講義こうぎ解法かいほう完結かんけつさせず、つぎ変数分離法へんすうぶんりほう、Fourier 解析かいせき、maximum principle、energy method がにな役割やくわり明示めいじする。

10関連かんれんリンク

data/lecture/math/partial-differential-equations/separation-of-variables-and-fourier-series.lecture.n.md data/lecture/math/vector-calculus/laplacian-and-physical-applications.lecture.n.md
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