雙曲型偏微分方程與守恆律

純量守恆律(scalar conservation law)

想像單線道上的車流,或細導線中的熱,或河中的污染物。某個量在任何一段內既不被創造也不被消滅——它只是從一端流入、從另一端流出。純量守恆律正是對「一個」守恆量說出這件事的方程:任一區間內的量的變化率,等於流入減去流出。

把這筆帳化為微積分。設 u(x, t) 為密度、f(u) 為通量——單位時間內通過某點的量,寫成局部密度的函數。區間 [a, b] 內的總量是 u 的積分,其變化率等於 a 處流入減去 b 處流出:d/dt integral_a^b u dx = f(u(a,t)) - f(u(b,t))。把區間縮小並用微積分基本定理,就得到微分形式 u_t + f(u)_x = 0,即 u_t + f'(u) u_x = 0。這是一條單一的一階擬線性偏微分方程;特徵速度為 f'(u),故 u 的每個高度以自己的速度行進。這一個特徵——速度依賴於高度——正是使非線性理論既豐富又困難的原因。

它出現在哪:交通流(Lighthill-Whitham-Richards 模型)、作為最簡單非線性模型的伯格斯方程、冰川與泥沙輸運、層析。關鍵而誠實的一點是:即使初始資料完全光滑,解仍可能在有限時間內發展出間斷(震波),因為快的部分超過了慢的部分。過了那一刻,微分方程在字面上不再成立;人們必須轉到弱(積分)解,這時還需要一個額外的熵條件來挑出物理上正確的那一個。

交通流:設 u 為車輛密度,假設通量 f(u) = u (1 - u)(稀疏時車跑得快,密集時塞車)。則 u_t + (1 - 2u) u_x = 0。特徵速度 1 - 2u 在車流稀少時為正、在車流擁擠時為負,故突然的塞車(震波)會逆著車流向後傳——這就是熟悉的、向上游移動的幽靈車波。

一個守恆密度、一個通量:整個非線性故事都編碼在 f 的形狀裡。

「純量」一詞意指一個方程對應一個未知量;單一守恆純量律的理解遠比守恆律系統來得透徹(克魯日科夫定理在任意維度給出熵解的全局存在與唯一)。對系統而言,多個空間維度下的相應全局理論至今大致仍是開放的。

又稱
scalar conservation equationsingle conservation law純量守恆方程守恆律(單一)