曲線上的柯西資料(Cauchy data on a curve)
/ Cauchy -> koh-SHEE /
要從一條偏微分方程所允許的無窮多個解中挑出唯一一個,你必須餵給它一些資料——而對一階方程,最自然要指定的,是解沿某條曲線的值。曲線上的柯西資料正是如此:你在定義域中畫一條曲線,宣告 u 在它每一點上等於多少,然後要求那個從這條曲線生長出來的解。
從解曲面那一側來想像。資料曲線,比方說以 r 參數化的 (x(r), y(r)),連同指定的值 u = u0(r),是一條已畫在三維空間中的線——曲面的一條線,交到你手上。柯西問題就是建出曲面的其餘部分,使它包含這條線並滿足偏微分方程。特徵線法辦得到:過資料曲線的每一點射出一條特徵線;特徵線掃出曲面,而在它們與資料曲線相遇之處必須吻合 u0。對傳輸方程,沿直線 t = 0 指定 u 是最日常的情形——那就是初始條件 u(x,0) = f(x)。
柯西資料是常微分方程初始條件的一階類比,但有個關鍵轉折:它活在一條曲線上,而那條曲線不能隨便擺。若它沿著一條特徵線跑,資料便由單一特徵線承載、無法決定鄰近的曲面——問題不是無解就是有無窮多解。資料曲線必須橫截地穿越特徵線;這個要求就是非特徵條件,也是使柯西問題適定的關鍵。
對 u_x + u_y = 0,沿 x 軸(曲線 y = 0、x = s)指定 u = h(s) 是好的柯西資料:x 軸恰好與每條特徵線 x - y = 常數相交一次,於是 u(x,y) = h(x - y) 被決定。但沿直線 x = y——它本身就是一條特徵線——指定資料則失敗:它無法決定該線以外的 u。
好的柯西資料落在與每條特徵線相交一次的曲線上;沿特徵線給的資料無法決定附近的任何東西。
適定性對方程的類型很敏感。柯西資料對一階與雙曲型方程是恰當的,但對橢圓型方程(如拉普拉斯方程)指定柯西資料則是不適定的(哈達瑪的經典警告):資料的微小改變可使解爆掉。