一階偏微分方程與特徵線法

擬線性一階方程(quasilinear first-order equation)

擬線性一階方程比線性方程狂野了一級。一階導數仍以線性方式出現——沒有 u_x 的平方、沒有兩個導數的乘積——但它們的係數現在被允許依賴於未知量 u 本身。僅僅這一處放寬,就讓方程能對自己的解產生回饋,並打開了通往真正非線性行為(如震波)的大門。

一般形式為 a(x,y,u) u_x + b(x,y,u) u_y = c(x,y,u)。對照線性情形 a(x,y) u_x + b(x,y) u_y + ...,其中係數從不看 u;這裡 a 與 b 可以。特徵線法仍然有效,方程組依舊是 dx/ds = a、dy/ds = b、du/ds = c——但現在前兩條涉及 u,所以特徵曲線不再事先固定;它們的方向取決於所承載的解值。你必須把位置與值一起積分。在幾何上,方程說向量 (a, b, c) 在每點與解曲面相切,於是曲面是由那些隨所達高度 u 而彎曲的特徵曲線編織而成。

由於特徵線依賴於 u,快的會追上慢的並碰撞,在它們相交之處光滑解必然崩潰——這正是一個逐漸變陡的波形成震波的方式。因此擬線性方程是 Burgers 方程、車流模型與守恆律存身的最簡單場景,也是你首次需要弱解與熵條件,以便越過崩潰繼續下去的地方。

車流方程 rho_t + (Q(rho))_x = 0 展開後為 rho_t + Q'(rho) rho_x = 0——擬線性,因為波速 Q'(rho) 依賴於車流密度 rho。更密的車流移動較慢,於是塞車的後端追上前端,特徵線相交,一個尖銳的塞車陣面(震波)形成。

依賴於 u 的係數使特徵線彎曲、碰撞——震波的誕生。

擬線性不等於半線性:在半線性方程中,只有最低階部分(右端)看見 u,而最高階導數的係數不含 u;在擬線性中,導數本身的係數依賴於 u,這正是使特徵線得以相交的原因。

又稱
quasi-linear equation擬線性方程準線性方程