熵-熵通量對(entropy-flux pair)
熵條件可以陳述成關於特徵線的幾何法則,但有一種更靈活、影響更深遠的說法:用一個看似守恆、卻在真實解上只能減少的額外量來表述。熵-熵通量對正是這樣一對記帳量——一個量 eta 與其伴隨通量 q,設計成使光滑流守恆 eta、而震波摧毀 eta。
對純量律 u_t + f(u)_x = 0 而言,u 的一對函數 (eta, q) 是熵-熵通量對,若 q'(u) = eta'(u) f'(u)。這條相容關係的要點是:只要 u 是光滑解,鏈式法則就恰好給出 eta(u)_t + q(u)_x = 0——eta 白白成了一個額外的守恆量。現在取 eta 為「凸」函數。那麼對物理上正確的(熵)解而言,即使跨越震波,也有不等式 eta(u)_t + q(u)_x <= 0 在分布意義下成立:熵不守恆,而是在震波處「被耗散」。要求這條不等式對每個凸熵對都成立,就是可容許性最乾淨的陳述。克魯日科夫進一步銳化它,對每個常數 k 使用特殊族 eta(u) = |u - k| 與 q(u) = sign(u - k)(f(u) - f(k)),這已足以定下唯一解。
它的重要性在於:熵對把熵條件化為一條穩健的不等式,它在取極限時依然成立、並在任意空間維度下都有效,這正是證明存在與唯一所需要的。它們也給數值分析者一個可監控的量:熵穩定的格式就是會耗散離散熵的格式,從而保證它不會收斂到錯誤的弱解。然而對系統而言,凸熵未必存在——當它存在時(如氣體動力學,物理熵恰好可用),它是一份強而有力的結構性贈禮。
對伯格斯方程 f(u) = u^2/2,取凸熵 eta(u) = u^2/2;其相容通量須滿足 q'(u) = u * u = u^2,故 q(u) = u^3/3。光滑解滿足 (u^2/2)_t + (u^3/3)_x = 0;可容許震波滿足 (u^2/2)_t + (u^3/3)_x <= 0,其中嚴格不等式恰好量度了震波處所耗散的能量。
凸熵在光滑流中守恆,卻在可容許震波處被嚴格耗散。
對單一純量方程而言,凸熵對有無窮多個,要求不等式對它們全體成立,等價於克魯日科夫的 |u-k| 族。對兩個或更多方程的系統而言,(嚴格)凸熵是一種未必存在的奢侈品,其存在性與系統可對稱化緊密相連。