邊界值與初始值問題及適定性

柯西資料(Cauchy data)

/ Cauchy -> koh-SHEE /

當你拋出一顆球時,起始要指定兩件事:它在哪裡、跑多快。柯西資料正是 PDE 版本的這件事——你在一張曲面上鋪設的全套起始資訊,使一個高階方程有確定的演化。它以奧古斯丁-路易·柯西命名,他提出了「在一個切片上給出函數及其導數,再往外推進」這一般問題。對演化方程而言,切片就是直線 t = 0;更一般地,它可以是定義域中的任意曲線或曲面。

精確地說:對於 m 階方程,曲面 S 上的柯西資料是未知函數 u 連同它在 S 上直到 m - 1 階的法向導數。對二階方程而言,這意味著 u 及其一階法向導數——對波動方程 u_tt = c^2 u_xx 來說,就是 u(x, 0) = f(x) 與 u_t(x, 0) = g(x),亦即位移與速度。「柯西問題」一詞的意思是:在一個初始曲面上給定柯西資料、且沒有其他牆或邊界,求解這個 PDE——一個從資料切片往外推演的演化,而不是被關在盒子裡。

有一個關鍵的陷阱,把柯西資料和單純的邊界資料區別開來:曲面必須是非特徵的。如果你鋪設資料的曲面恰好是方程的一條特徵線,資料與方程便會衝突、或無法決定下一層,你就無法往前推進。而方程的型別決定了柯西問題是否合理:對雙曲型與拋物型方程,給定柯西資料是恰當的;但對橢圓型方程(如拉普拉斯方程)則是著名的不適定——這正是哈達瑪的警告:同樣的措辭,可能適定,也可能災難性地崩潰,全看方程而定。

對波動方程 u_tt = c^2 u_xx,直線 t = 0 上的柯西資料是一對:u(x, 0) = f(x)(弦在哪裡)與 u_t(x, 0) = g(x)(每一點跑多快)。達朗貝爾公式隨後直接由這一對寫出唯一解,形式為一個右行波加一個左行波,再加上 g 的一個積分。

二階方程的柯西資料 = 曲面上的函數值加上其一階法向導數。

柯西資料並非自動適定:把它鋪在特徵曲面上、或用於橢圓型方程,可能使問題無解或極度不穩定——曲面必須是非特徵的,且方程必須是恰當的型別。

又称
Cauchy initial datainitial data on a surface柯西初始資料