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PDE とは何かmd d08ed1a
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PDE とはなに

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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、PDE を複数ふくすう独立変数どくりつへんすう依存いぞんする未知関数みちかんすうと、その偏導関数へんどうかんすう関係かんけいとして解釈かいしゃくする方法ほうほう説明せつめいする。独立変数どくりつへんすう空間くうかん時間じかんとはかぎらず、Laplace 方程式ほうていしきのように複数ふくすう空間変数くうかんへんすうだけを静的せいてきな PDE もある。

偏微分方程式へんびぶんほうていしきPartial differential equation は、複数ふくすう独立変数どくりつへんすうひと以上いじょう未知関数みちかんすうと、その偏導関数へんどうかんすうふく方程式ほうていしきまたは方程式系ほうていしきけいである。この講義こうぎではスカラー未知関数みちかんすう単一たんいつの PDE をあつかう。たとえば u(x,t) では u未知関数みちかんすうx,t独立変数どくりつへんすうである。

2階数かいすう線形性せんけいせい

PDE の階数かいすうOrderは、方程式ほうていしきあらわれる偏導関数へんどうかんすうのうちもっとたか階数かいすうである。たとえば

ut=κuxx

uxxふくむので PDE 全体ぜんたいとしては二階にかいである。ただし時間じかんについては一階いっかいであり、このふたつを混同こんどうしない。

線形せんけい PDELinear PDEでは、未知関数みちかんすうとその各導関数かくどうかんすう一乗いちじょうあらわれ、それらのせきふくまず、係数けいすう独立変数どくりつへんすうだけに依存いぞんする。既知きち係数けいすうからなる作用素さようそLけば、L[αu+βv]=αL[u]+βL[v]成立せいりつする。L[u]=0L[u]=f はそれぞれ斉次せいじ非斉次ひせいじ線形方程式せんけいほうていしきであり、右辺うへんが 0 であることは線形性せんけいせいそのものの条件じょうけんではない。一方いっぽうut=uux のように未知関数みちかんすうとその導関数どうかんすうせきふく方程式ほうていしき非線形ひせんけいである。

3PDE の問題もんだいさだめる要素ようそ

方程式ほうていしきだけでは、どの問題もんだいくかはさだまらない。このトラックでは、まずつぎ要素ようそけて確認かくにんする。

  1. 未知関数みちかんすう独立変数どくりつへんすう
  2. 方程式ほうていしき係数けいすう仮定かてい
  3. 未知関数みちかんすうかんがえる定義域ていぎいきDomain
  4. 初期時刻しょきじこく境界きょうかいなどにあたえるデータ
  5. どの正則性せいそくせいかいもとめるか

このページでは、指定していした連続性れんぞくせい微分可能性びぶんかのうせいち、方程式ほうていしき領域内部りょういきないぶ各点かくてんで、データをそれぞれがかれた集合しゅうごう各点かくてんたすかい古典解こてんかいClassical solutionぶ。係数けいすうなめらかさやデータとの適合てきごうまでふくめ、どの正則性せいそくせい要求ようきゅうするかは問題もんだいごとに明記めいきする。

4ODE とのちが

ODE と PDE の本質的ほんしつてきちがいは、データの名前なまえではなく、独立変数どくりつへんすう個数こすう微分びぶん種類しゅるいにある。

観点かんてんODEPDE
未知関数みちかんすう1 独立変数どくりつへんすう依存いぞん複数ふくすう独立変数どくりつへんすう依存いぞん
微分びぶん常微分じょうびぶん偏微分へんびぶん
定義域ていぎいき区間くかん平面へいめん空間くうかん時空じくうなどの領域りょういき
データ初期値しょきち端点値たんてんちなど初期面しょきめん境界きょうかい一部いちぶなど

ODE にも境界値問題きょうかいちもんだいがあり、PDE にも空間境界くうかんきょうかいたない全空間ぜんくうかん問題もんだいがある。PDE では定義域ていぎいき幾何きか多様たようなので、「どこにどのデータをけるか」を方程式ほうていしき階数かいすうかたとともに判断はんだんする必要ひつようがある。

5熱方程式ねつほうていしき

κ>0 とし、全空間ぜんくうかん xRt>0

ut=κuxx,u(x,0)=f(x)

かんがえる。未知関数みちかんすうu(x,t)、PDE を内部領域ないぶりょういきR×(0,)初期しょきデータをめんt=0 である。方程式ほうていしき二階線形にかいせんけい PDE で、時間じかんについては一階いっかいである。全空間ぜんくうかんには空間境界くうかんきょうかいがないので、ここでは空間境界条件くうかんきょうかいじょうけんさない。古典解こてんかいには、たとえば uC2,1(R×(0,))C(R×[0,))要求ようきゅうする。ここでは C2,1 を、u,ux,uxx,ut連続れんぞくである関数かんすうのクラスという意味いみもちいる。

たとえば f(x)=sinx のとき

u(x,t)=e-κtsinx

ut=-κe-κtsinx,uxx=-e-κtsinx

たすので ut=κuxx であり、u(x,0)=sinx でもある。したがって、この問題もんだい古典解こてんかいである。かい候補式こうほしき場合ばあいは、方程式ほうていしきだけでなく定義域ていぎいきとデータも確認かくにんする。

6領域りょういきわるとデータもわる

おな熱方程式ねつほうていしき有界区間ゆうかいくかん 0<x<L一意いちいさだまる標準的ひょうじゅんてき初期境界値問題しょききょうかいちもんだいとして設定せっていするには、初期しょきデータにくわえて端点たんてんでのデータが必要ひつようになる。古典解こてんかい閉領域へいりょういきまで連続れんぞくもとめるなら、初期しょきデータと端点たんてんデータがかど一致いっちする適合条件てきごうじょうけん確認かくにんする。具体的ぐたいてき初期条件しょきじょうけん境界条件きょうかいじょうけん種類しゅるいつぎ講義こうぎ定義ていぎする。

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

7代表だいひょうモデルへの地図ちず

外力がいりょく熱源ねつげんのない定係数ていけいすうモデルを記号きごうだけならべると、κ>0c>0たいしてつぎのようになる。

モデル方程式ほうていしき時間変数じかんへんすう
heatut=κuxxあり・時間じかんについて一階いっかい
waveutt=c2uxxあり・時間じかんについて二階にかい
LaplaceΔu=0なし

ここで x=(x1,,xn)Rn とし、Δu=j=1nuxjxj各空間方向かくくうかんほうこう二階偏微分にかいへんびぶんである。これらのかた必要ひつようなデータ、情報伝播じょうほうでんぱ保存ほぞん散逸さんいつちがいはのち講義こうぎ仮定かていとともに比較ひかくする。方程式ほうていしき名前なまえだけで存在そんざい一意性いちいせい安定性あんていせい結論けつろんしてはならない。

8読解どっかいチェックリスト

  • 未知関数みちかんすう独立変数どくりつへんすうなにか。
  • PDE 全体ぜんたい階数かいすうと、時間じかんについての階数かいすうはそれぞれなにか。
  • 線形せんけい非線形ひせんけいか。係数けいすうにどの仮定かていがあるか。
  • 定義域ていぎいき全空間ぜんくうかん有界領域ゆうかいりょういきか。
  • どこにどのデータをき、どのかいのクラスをもとめるか。
  • 候補こうほ方程式ほうていしきとすべてのデータをたすか。

9つぎ分岐ぶんき

まず初期値問題しょきちもんだい境界値問題きょうかいちもんだい初期境界値問題しょききょうかいちもんだい区別くべつする。そのあと一階いっかい PDE では特性曲線法とくせいきょくせんほうへ、二階線形にかいせんけい PDE では主部しゅぶによる型分類かたぶんるいすすむ。代表だいひょうモデルの比較ひかくは、その分類ぶんるい確認かくにんしてからおこなう。

data/lecture/math/partial-differential-equations/method-of-characteristics.lecture.n.md data/lecture/math/partial-differential-equations/classification-of-second-order-linear-pdes.lecture.n.md data/lecture/math/partial-differential-equations/heat-wave-and-laplace-equations.lecture.n.md

10どこまで成立せいりつするか

このページでは十分じゅうぶんなめらかな古典解こてんかい入口いりぐちにした。古典微分こてんびぶんたない関数かんすうあつかえるようにするには、関数空間かんすうくうかん指定していし、試験関数しけんかんすうたいする積分恒等式せきぶんこうとうしき分布微分ぶんぷびぶん方程式ほうていしきたす意味いみさだめる。このような弱解じゃくかいゆる正則性せいそくせい一意性いちいせい条件じょうけんは、方程式ほうていしきごとに確認かくにんする。

11関連かんれんリンク

data/lecture/math/partial-differential-equations/partial-differential-equations-portal.lecture.n.md

What Is a PDE?

1Introduction

This lecture explains how to interpret a PDE as a relation between an unknown function of several independent variables and its partial derivatives. The independent variables need not be space and time: a static PDE such as Laplace's equation may contain several spatial variables and no time variable.

A {partial differential equation} is an equation or system involving one or more unknown functions of several independent variables and their partial derivatives. This lecture treats a single PDE for a scalar-valued unknown. In u(x,t), for example, u is the unknown function and x,t are the independent variables.

2Order and linearity

The {order} of a PDE is the highest order of the partial derivatives occurring in it. Thus

ut=κuxx

is a second-order PDE because it contains uxx, although it is only first order with respect to time.

In a {linear PDE}, the unknown function and its derivatives occur to the first power, no products among them occur, and their coefficients depend only on the independent variables. For the associated operator L,

L[αu+βv]=αL[u]+βL[v].

The equations L[u]=0 and L[u]=f are homogeneous and inhomogeneous linear equations, respectively; a zero right-hand side is not a requirement for linearity. By contrast, ut=uux is nonlinear because it contains a product of the unknown and its derivative.

3Components of a PDE problem

An equation alone does not determine a problem. The following components must be specified separately:

  1. the unknown function and independent variables;
  2. the equation and assumptions on its coefficients;
  3. the {domain} of the unknown function;
  4. data prescribed at an initial time, on a boundary, or on another set;
  5. the regularity class in which a solution is sought.

A {classical solution} has the stated continuity and differentiability, satisfies the equation at every interior point, and satisfies each datum at every point where that datum is prescribed. The required regularity, including coefficient smoothness and compatibility with the data, must be stated for each problem.

4Difference from an ODE

The essential distinction between an ODE and a PDE is the number of independent variables and the kind of derivatives, not the names of the data.

AspectODEPDE
Unknown functiondepends on one independent variabledepends on several independent variables
Derivativesordinary derivativespartial derivatives
Domainan intervala region in a plane, in space, or in spacetime
Datainitial or endpoint values, among othersdata on an initial surface or part of a boundary, among others

ODEs may have boundary-value problems, while PDEs may be posed on all of space and have no spatial boundary. Because PDE domains have diverse geometries, the admissible location of data must be assessed together with the order and type of the equation.

5Reading the heat equation

Let κ>0 and consider, for xR and t>0,

ut=κuxx,u(x,0)=f(x).

The unknown is u(x,t), the PDE is imposed on R×(0,), and the initial data are prescribed on t=0. This is a second-order linear PDE that is first order in time. Since the whole space has no spatial boundary, no spatial boundary condition is imposed. One possible classical-solution class is

uC2,1(R×(0,))C(R×[0,)).

Here C2,1 denotes the class in which u,ux,uxx,ut are continuous.

If f(x)=sinx, then

u(x,t)=e-κtsinx

satisfies

ut=-κe-κtsinx,uxx=-e-κtsinx.

Hence ut=κuxx and u(x,0)=sinx. It is therefore a classical solution of this problem. A candidate formula must be checked against the domain and all data as well as the equation.

6Changing the domain changes the data

To formulate the same heat equation on a bounded interval 0<x<L as a standard uniquely determined initial-boundary-value problem, endpoint data are required in addition to initial data. If a classical solution is continuous up to the closed spacetime boundary, the initial and endpoint data must agree at the corners. The next lecture defines the principal types of initial and boundary conditions.

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

7Map of representative models

For constant-coefficient models without external forcing or heat sources, with κ>0 and c>0:

ModelEquationTime variable
heatut=κuxxpresent; first order in time
waveutt=c2uxxpresent; second order in time
LaplaceΔu=0absent

For x=(x1,,xn)Rn,

Δu=j=1nuxjxj

is the sum of the second partial derivatives in all spatial directions. Later lectures compare the types, required data, information propagation, conservation, and dissipation of these models under explicit assumptions. Existence, uniqueness, and stability must not be inferred from an equation's name alone.

8Reading checklist

  • What are the unknown function and independent variables?
  • What are the overall order and the order with respect to time?
  • Is the equation linear or nonlinear, and what coefficient assumptions are imposed?
  • Is the domain the whole space or a bounded region?
  • Where are the data prescribed, and in which solution class?
  • Does a candidate satisfy the equation and every datum?

9Subsequent branches

First distinguish initial-value, boundary-value, and initial-boundary-value problems. Then proceed to characteristics for first-order PDEs or principal-part classification for second-order linear PDEs. Compare the representative models only after establishing that classification.

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10Scope of validity

This lecture used sufficiently smooth classical solutions as its point of entry. To include functions without classical derivatives, one must specify a function space and define satisfaction of the equation through integral identities against test functions or distributional derivatives. Admissible regularity and uniqueness conditions for such weak solutions must be determined separately for each equation.

11Related links

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