波動方程
依賴域(domain of dependence)
假設你想知道某個特定地點 x 在某個特定未來時刻 t 的波高。起始資料中哪一部分可能有影響?常識說:只有近到讓以速度 c 行進的信號來得及抵達的那一部分。能影響 (x,t) 的起始點的確切集合,就稱為它的依賴域。
對於一維波動方程,達朗貝爾公式把這件事說得精確,甚至有點令人意外。值 u(x,t) 只依賴 x - ct 到 x + ct 這個區間上的初始資料——其他什麼都不依賴。畫出點 (x,t),往下拉兩條線到 t = 0,斜率對應速度 c;它們切出一個三角形,其底邊恰好是那個區間。底邊之外的資料就是還來不及抵達 (x,t):一公里外開始的擾動,在 c = 343 公尺/秒下,約三秒內聽不到。這個區間是後向特徵錐的底。
這是有限傳播速度的具體面貌,也是不同方程類型之間最鮮明的對比之一。波動方程有一個緊湊、有限的依賴域,所以資訊是局部的。熱方程恰恰相反:它的依賴域是整條直線——任何 t > 0 時任何地方的溫度,都(無論多麼微弱地)依賴各處的初始資料,因為熱以無限速度擴散。知道依賴域也告訴數值分析師如何選擇穩定的時間步(CFL 條件):數值格式的依賴域必須包含真正的依賴域。
在 c = 1 的弦上,點 x = 0、t = 2 處的值只依賴 x = -2 到 x = +2 之間的初始資料。把弦在 [-2, 2] 之外任何地方的起始形狀改變,u(0,2) 都不會動分毫——那資訊根本還沒抵達。
只有 [x - ct, x + ct] 中的資料能影響 (x,t);其餘的太遠,還沒抵達。
依賴域(現在這個點依賴什麼)是影響域(某個起始點能波及哪裡)的鏡像。別把兩者混淆:一個往時間的過去看,另一個往未來看。
又称
另见