雙線性形式(bilinear form)
當你把偏微分方程改寫成弱形式時,左端變成一台機器,它吃進兩個函數——未知的 u 與試驗函數 v——並回傳一個數,同時對每個槽各自線性。那台機器就是雙線性形式。它正是線性代數中內積、或表達式 v 的轉置乘 A 乘 u 的無窮維對應物,而認出它正是如此,就是讓整套線性代數工具箱能轉移到偏微分方程的關鍵。
形式上,函數空間上的雙線性形式 a(u, v) 取兩個輸入,固定 v 時對 u 線性、固定 u 時對 v 線性:a(c1 u1 + c2 u2, v) = c1 a(u1, v) + c2 a(u2, v),第二個槽也一樣。由負拉普拉斯 u = f 產生的那一個是 a(u, v) = grad u . grad v 的積分——對 u 與 v 各自顯然線性。更一般的二階橢圓算子給出 a(u, v) = (A grad u . grad v + b . grad u v + c u v) 的積分,仍是雙線性。這個形式的兩個性質決定了下游的一切。它有界(連續),若 |a(u, v)| 至多是 M 乘 ||u|| ||v||——機器不會無限制地放大大小。它強制,若 a(u, u) 至少是 alpha 乘 ||u||^2——把同一個函數餵進兩個槽,總是給出正的、且與函數大小成比例之物。這兩者正是拉克斯-米爾格拉姆定理的兩個假設。
這個抽象化為何划得來:一旦一個問題讀作對所有 v 有 a(u, v) = L(v),其中 a 有界且強制、L 是有界線性泛函,拉克斯-米爾格拉姆立刻賜予唯一解 u——無論原來的偏微分方程看起來多複雜。雙線性形式也承載了幾何:當 a 對稱,即 a(u, v) = a(v, u) 時,它字面上就是一個新的內積,即能量內積,而求解 a(u, v) = L(v) 等同於最小化能量 (1/2) a(u, u) - L(u)(狄利克雷原理)。形式的對稱性正是「來自某個能量的方程」的指紋;一個非對稱的形式(帶漂移項 b . grad u 的那種)標誌著一個底下沒有能量的方程,那時你必須直接用拉克斯-米爾格拉姆,而非最小化。
對拉普拉斯算子,a(u, v) = grad u . grad v 的積分。有界性:由柯西-施瓦茲,|a(u, v)| 至多是 ||grad u||_{L^2} ||grad v||_{L^2},至多是 ||u||_{H^1} ||v||_{H^1}。在 H^1_0 上的強制性:a(u, u) = |grad u|^2 的積分,由龐加萊這至少是某常數乘 ||u||_{H^1}^2。拉克斯-米爾格拉姆的兩個假設都成立,所以負拉普拉斯 u = f 有唯一弱解。
a(u, v) 的有界性與強制性,正是你為援引拉克斯-米爾格拉姆而要打勾的兩個方框。
雙線性形式不必對稱——漂移(對流)項 b . grad u 使它非對稱,那時它不是內積、也沒有能量可最小化,然而拉克斯-米爾格拉姆仍適用,因為它從不要求對稱性。反過來,強制性並非自動:一個不強制的方程(不定或變號的形式)可能沒有唯一解,那正是弗雷德霍姆二擇一接手的情形。