一階偏微分方程與特徵線法
特徵線相交(crossing characteristics)
特徵線法靠沿曲線承載值來建構解,一條曲線一個值。整套方案立基於一個不言而喻的假設:那些曲線中沒有任兩條會相遇。當兩條特徵線相交,它們帶著兩個不同的值抵達平面上同一點,解被要求同時是兩個數。它做不到——光滑解便在那裡死去。
對特徵線固定的線性方程,這很少咬人:特徵線單由係數鋪設,通常乖乖地彼此分開。麻煩出在非線性(擬線性)方程,其中承載值 u0 的特徵線的速度依賴於 u0 本身。波較高的部分便比它後方較矮的部分跑得快;快特徵線追上慢的,兩者相交。在首次相交時刻之前,古典解沒問題;到相交時刻,波已陡峭到垂直,建構溢出了。想像路上兩輛車,後車較快:它終究追上前車——那次相遇就是相交。
特徵線相交是震波形成的幾何診斷。它告訴你守恆律的光滑解首次崩潰的確切時間與地點,在那之後,單值的古典解根本不存在。要繼續下去,你必須拓寬「什麼算是解」——拓到弱解——並加上熵條件以挑出物理上正確的那一個。同樣的相交也解釋了梯度爆破:當特徵線匯聚,解的斜率在它們相遇前一刻飆向無窮。
對 Burgers 方程 u_t + u u_x = 0,若初始資料遞減(左邊一個高台降到右邊一個低台),左側特徵線比右側跑得快,於是它們在有限時間 t* 追上並相交。在 t* 光滑解結束,震波開始。
快特徵線追上慢的,就是波在有限時間內變陡成震波。
相交終結了古典解,卻沒終結問題:越過它仍存在弱解。但要當心——弱解本身不唯一,所以你還需要熵條件;單憑弱解可能給出物理上錯誤、甚至反向的震波。
又稱
另見