二階線性偏微分方程:分類與標準形

用符號分類(classification by the symbol)

判別式 B^2 - AC 是頂奇妙的分類帽,但它只對兩個變數有效。真實世界動輒有三個空間維度加上時間,所以你需要一個不在乎有幾個變數的分類器。那個分類器就是被讀作二次型的主符號:數它特徵值的正負號,你就在任意維度下說出了型別。這是三分法的成熟版。

對 n 變數中的二階算子,主符號是一個二次型 xi 轉置乘以 A 乘以 xi,其中 A 是首項係數的對稱矩陣(A_{ij} 坐落在 u_{x_i x_j} 項上)。把 A 對角化,看它特徵值的正負號。橢圓型:所有特徵值同號(二次型是定的)——拉普拉斯算子 u_xx + u_yy + u_zz,全為正。拋物型:一個特徵值為零,其餘共享一個正負號(二次型退化但半定),正是熱算子的情形,其中時間方向不貢獻二階導數。雙曲型:所有特徵值非零,恰有一個與其餘異號(一負其餘皆正),如波動算子 u_tt - u_xx - u_yy - u_zz。還有兩變數圖像顯示不出的情形:超雙曲型,每種符號有兩個或以上特徵值且無一為零。

這就是為什麼符號才是型別誠實而一般的定義——兩變數的判別式只是 n = 2 的特例,其中 2×2 對稱矩陣的特徵值正負號編碼在 det(A) = AC - B^2 之中,而它的正負號與判別式相反。一旦你用符號分類,一切都推廣開來:任意維度的橢圓型算子都平滑化並要邊界資料,雙曲型以有限速度傳播並要柯西資料,拋物型則擴散。兩個誠實的提醒:在變係數時,特徵值的正負號可能逐點改變(混合型);而這個乾淨的特徵值判準是針對二階算子的分類——更高階算子需要更一般的定義,即橢圓型意指主符號只在 xi = 0 時為零。

對 u_tt - u_xx - u_yy - u_zz = 0(3+1 維波動方程),主符號的係數矩陣是對角的,元素為 (1, -1, -1, -1):一正三負——恰好一個異號——所以這方程在四變數中是雙曲型,正如判別式在兩變數時所會說的那樣。

超過兩變數時,數主符號矩陣的特徵值正負號:全同號=橢圓,一個異號=雙曲,一個為零=拋物,每種好幾個=超雙曲。

兩變數的判別式 B^2 - AC 只是這個特徵值判準的偽裝(對 2×2 矩陣,特徵值正負號編碼在 AC - B^2 之中);符號才是一般的、與維度無關的陳述,也是在三個或更多變數時唯一正確的分類方式。

又稱
classification in several variables多變數分類symbolic classification