二階線性偏微分方程:分類與標準形

各型別的模型方程(model equations)

想像學認鳥類時,先背熟三個完美的標本——麻雀、鷹、貓頭鷹——這樣每隻新鳥都能依它最像哪一個來歸位。二階偏微分方程的理論也是這樣教的。有三個模型方程,每個型別一個,而你遇到的幾乎任何二階線性方程,都能(透過變數變換)化得在局部看起來像它們之一。掌握這三個,你就握有了整片疆域的地圖。

三個原型是:拉普拉斯方程 u_xx + u_yy = 0,橢圓型模型——平衡之方程,穩態溫度、肥皂膜、靜電位勢之方程。熱(擴散)方程 u_t = k u_xx,拋物型模型——不可逆之平滑與散播之方程。波動方程 u_tt = c^2 u_xx,雙曲型模型——以有限速度振動與傳播之方程。它們不是隨意的例子;分類定理說,任何橢圓、拋物或雙曲型方程的標準形(就最高階而言)就是拉普拉斯、熱或波動方程,所以研究這三個就是研究該型別的每一個方程。

每個模型都帶著一整套性格,由它的整個型別所繼承。拉普拉斯:封閉區域上的邊界資料、沒有時間、無窮平滑的解、平均值性質。熱:初始資料加邊界資料、無限傳播速度、瞬時平滑化、不可逆性。波動:初始位移與速度、有限速度、依賴域、不平滑化(奇異性會行進)。誠實的提醒是:低階項與變係數會添上裸模型未顯示的細節,而離開常係數時,方程甚至可能逐處改變型別——但這三個模型仍是不可或缺的心智錨點。

一句有用的口訣:拉普拉斯沒有時間變數(平衡),熱方程對時間是一階(向前擴散),波動方程對時間是二階(來回振盪)——時間導數上的這一個差別,本質上就是橢圓/拋物/雙曲之分所衡量的東西。

三個方程、三個型別、三種性情——而每個二階線性偏微分方程,化成標準形後,都是其中之一的親戚。

這些是二階的原型;本條目描繪各型別如何行為,但每個模型的詳細求解——傅立葉級數、達朗貝爾公式、帕松積分——屬於另外的熱、波動與拉普拉斯場域。

又称
the three model equations三大模型方程Laplace, heat, wave