一階偏微分方程與特徵線法

非特徵條件(non-characteristic condition)

既然決定沿一條曲線給一階偏微分方程資料,你就不能隨便挑那條曲線。非特徵條件是讓這個選擇誠實的規則:資料曲線必須穿越特徵線,而不能沿著一條特徵線並行。穿越它們,資料就擴展成唯一的解;沿著一條跑,問題就垮掉。

為什麼?特徵線是把解從資料往外帶的渠道。若你的資料曲線橫切它們——以真正的角度在不同的點與每條特徵線相遇——那麼每條特徵線恰好拾起一個起始值並帶走它,曲面便被決定。但若資料曲線與某條特徵線重合,你便是在單一承載渠道上指定了值,這對鄰近渠道毫無約束:要麼你的資料恰好與方程沿該特徵線已強加的相符(於是有無窮多解相容),要麼不符(於是一個解都沒有)。精確地說,對 a u_x + b u_y = c、資料曲線 (x(r), y(r)),條件是曲線切向 (dx/dr, dy/dr) 不平行於特徵方向 (a, b);代數上即 a (dy/dr) - b (dx/dr) 不為零。這是一個橫截——穿越——的要求。

非特徵條件是適定柯西問題的守門員。當它在資料曲線某點成立時,隱函數定理保證鄰域內有唯一的光滑解。當它失效時,你被警告了:別指望那裡有存在唯一性。同樣的概念可推廣:對更高階方程,人們要求資料曲面對主符號是非特徵的,這正是柯西-柯瓦列夫斯卡婭定理背後的要求。

對傳輸方程 u_t + c u_x = 0,特徵線是直線 x - c t = 常數。在 t = 0 上給資料是非特徵的(t=0 這條線與每條特徵線相交一次)——很好。沿著直線 x = c t + b(它本身就是一條特徵線)給資料則是特徵資料——很糟,那裡的柯西問題不適定。

橫越特徵線,問題就適定;與某條對齊,問題就不適定。

這個條件是局部的:一條資料曲線可以在某些地方非特徵、在另一些地方與特徵線相切。唯一光滑解的保證只在橫越為真的那些點附近成立,且只到特徵線日後彼此相交為止。

又称
transversality conditionnon-characteristic data橫截條件非特徵資料條件