雙曲型偏微分方程與守恆律

拉克斯-奧列尼克公式(Lax-Oleinik formula)

/ lahks oh-LAY-nik /

若能對一條非線性守恆律,有一個誠實的公式直接從初始資料寫出熵解——連同震波、稀薄波等一切——而不必手動追蹤特徵線,那該多好。對凸通量的純量律而言,拉克斯-奧列尼克公式正是如此:一次最小化便產生唯一的物理解。

對凸的 f、方程 u_t + f(u)_x = 0,想法如下。藉由寫 u = w_x 轉到積分(位勢)形式;守恆律變成漢米頓-雅可比方程 w_t + f(w_x) = 0,而其黏性解具有霍普夫-拉克斯表示式 w(x, t) = min over y of [ W_0(y) + t L((x - y)/t) ],其中 W_0 是初始位勢、L 是 f 的勒壤得轉換(通量的凸「對偶」)。對它微分,就得到 u 本身的拉克斯-奧列尼克公式:u(x, t) = (f')^(-1)( (x - y*(x,t)) / t ),其中 y*(x,t) 是最小化點。最小化點 y* 是在 (x, t) 處「勝出」的那條特徵線的起腳;當兩條特徵線並列(兩個最小化點)時,那恰好就是一道震波,而公式自動選出熵可容許的那一個。不必另外施加跳躍或熵條件——這個 min 把一切都包辦了。

它的重要性在於:它是對一個真正非線性、會形成震波的偏微分方程,難得的閉形式掌握。它證明了凸純量律熵解的存在與唯一,顯示解透過一個穩定的最小化依賴於資料(因而適定),並揭示兩個美麗的正則化效應:對任何初始資料(無論多麼粗糙),解都自動具有有界變差,並滿足單側利普希茲界 u_x <= 1/t(奧列尼克不等式)。代價是一般性:它需要通量為凸且方程為純量——對系統而言,並無這樣的公式。

對伯格斯方程 f(u) = u^2/2,對偶為 L(v) = v^2/2 且 (f')^(-1)(v) = v,故公式為 u(x, t) = (x - y*)/t,其中 y* 使 W_0(y) + (x - y)^2/(2t) 最小化。一旦出現兩個最小化點,解就跳變——那就是震波——而單側界 u_x <= 1/t 對所有 t > 0 都成立,無論 u_0 原本多麼狂野。

對初始點作最小化,直接產生熵解——當最小化點跳變時,震波就出現。

此公式要求 f 為凸(或一致凸);對非凸通量而言,這個簡單的最小化不再捕捉波結構,需要更一般的奧列尼克構造。而它嚴格上是純量方程的工具——守恆律系統並無拉克斯-奧列尼克公式。

又称
Lax-Oleinik representationHopf-Lax formulaexplicit entropy-solution formula拉克斯-奧列尼克表示式霍普夫-拉克斯公式