Friday, January 11, 2013

热传导方程状态空间;分析力学和量子力学中,说系统是时间可逆的,是说状态空间(分析力学中的相空间或量子力学中的Hilbert空间)中流体的不可压缩性,由Liouville定理保证(在量子力学中演化方程的这种性质叫Unitary)。在状态空间中任意划出一个体积为V的区域,在演化方程的驱动下体积永远是V

关于热传导方程(来自原繁星客栈)[复制链接]
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1#
发表于 2008-1-30 15:20:03|只看该作者|倒序浏览
  前言:这篇帖子讨论的问题似乎还没完,昌海最后给我布置的题目我也没做。因此,这篇帖子还是有贴出来的意义。


blackhole
关于热传导方程 [文章类型: 原创]

这是二阶线性偏微分方程。我知道它的解是不可逆的,跟热力学第二定律相关。原方程若作替换t->-t,则方程改变了。

我的问题是:如何直观理解这种不可逆性?任意给定一个态,其后的演化总是确定的。这一系列的态构成一个链。链上前面的态构成后面的态的原因,后面的态是前面的态的结果。为什么只能由原因找到结果,而不能从结果找到原因呢?

或者一个结果可能有多种原因?那这就意味着有可能多种初始条件演化后得到同一个态(中间态,非平衡态)。事实是否如此呢?




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

热传导方程的解不可逆,其含义并非是说不能在数学上通过态的逆向演化来执果求因,而是说态的逆向演化不满足原热传导方程,因而不是宏观热力学所允许的自发物理过程。



星空浩淼
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

热传导方程的解不可逆,其含义并非是说不能在数学上通过态的逆向演化来执果求因,而是说态的逆向演化不满足原热传导方程,因而不是宏观热力学所允许的自发物理过程。
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帮昌海兄更加通俗化一下:比如热只能自发地从高温物体传递到低温物体,而不能反过来自发地从低温物体传递到高温物体,但是传递到了低温物体的热量,可以逆向地探知它的来源是来自高温物体。不可逆的其他例子:杯子可以掉在地上摔成碎片,碎片不能自发由地上飞上桌子变成完整的杯子,但是我们可以由地上的碎片逆向追索它的来源:是由杯子摔碎而来的。

有些解,比如随时间呈指数衰减的解是允许的,而随时间呈指数增加的解虽然也满足原方程,却不符合物理实际,是不允许的




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

谢谢星空兄的通俗说明。

:: 随时间呈指数增加的解虽然也满足原方程,却不符合物理实际

热传导方程本身已带有时间箭头,将热传导方程中随时间衰减的解逆转(即t->-t)而得到的随时间增加的解不再满足原热传导方程。




sage
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

In another word, if you are thinking about a microscopic (or pure) state, not its statistical approximation, you should not use the heat equation since it is only a statistical statement.

So far, there is no such a thing as arrow of time in fundamental laws of physics. There is only the statistical statement that entropy tends to grow.




星空浩淼
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

So far, there is no such a thing as arrow of time in fundamental laws of physics. There is only the statistical statement that entropy tends to grow.
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的确,一些宏观统计力学中的不可逆,本质上属于概率论的规律在起作用,比如如果系统处于状态A的概率远远小于系统处于状态B的概率,则系统由A向B的转化概率远远大于由B向A的转化概率,甚至宏观上体现为系统可以有A自发变成B,却不能由B转化为A——然而在微观上,从物理规律本身而言,系统或许原则上总是存在非零的概率由B转化为A。例如,假定状态A和B所包含的每个基本状态是等几率的,只是B所包含的基本状态远远多于A所包含的基本状态,使得系统处于状态B的概率远远大于系统处于状态A的概率,那么尽管由B转化为A的概率虽然远远小于A转化成B的概率,原则上总是可以转化的。

因此,宏观经典力学中的不可逆,并不一定意味着微观层次上或者量子力学的水平上的不可逆。有人甚至试图把CP/T对称破缺用下一个结构层次的物理规律来解释,即认为物理在最本质的层面上,仍然是CP/T对称的。




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

谢谢各位大牛的回复。

然而我的问题是:给出一个初态,可以由方程获得一小段时间后的状态。但若仅仅知道后一状态,为什么不能由方程得到一小段时间之前的状态?从前一观点来看,“一小段时间之前的状态”是确定的啊。为什么根据方程本身不能得到呢?




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

:: 但若仅仅知道后一状态,为什么不能由方程得到一小段时间之前的状态?

我第一个回帖回答的就是这个问题啊。热传导方程的解是可以在数学上逆推的(因此由方程可以得到一小段时间之前的状态)。所谓“不可逆”只是说逆向过程不是自发的物理过程。




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 混合]

我第一个回帖回答的就是这个问题啊。热传导方程的解是可以在数学上逆推的(因此由方程可以得到一小段时间之前的状态)。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~·
sorry,没仔细看。

但问题就在于:热传导方程的解在数学上似乎是不能逆推的。我曾就此问题查过许多资料,没看到逆推的情况,都要求t>0。不管是从其级数解还是其他形式的解看,t都不能小于0。




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

从t=2逆推t=1也是逆推。一个微分方程的解在满足存在及唯一性定理的区间中都是可以逆推的。




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

从t=2逆推t=1也是逆推。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~`
但从t=0到t=-1也是逆推啊。两者有何不同?而且,实际上,说t=2时的状态,其实已经暗含了已知t=0时的状态。若真的只是知道t=2时的状态,那么从t=2逆推到t=1仍是做不到的。

我想,也许有以下几种可能:
1、初态是可以任意给定的,但中间态不是。一个态要想成为中间态也许要满足一定的条件。这样,当任意给定一中间态时,它不一定有原因。
2、一个中间态可能对应几个初态,即有几个原因。这样也能导致不能逆推。

但从数学上想了一下,好像这两条都不对。




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

What kind of initial condition are you using at t=0? What is the solution given by the method you mentioned?




Night
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

quote "为什么只能由原因找到结果,而不能从结果找到原因呢"

热传导方程的具体形式记得不清了 但是应该可以从———拿你举的情况来说吧——— t=2的时刻推出t=0的具体分布函数吧 。 按照数学物理方程的常用解法, 给定t=2的两个初始条件 能够唯一的得到场关于时间 位置的分布函数 然后 只要这个函数取t=0就能唯一的得到t=0时刻分布函数 也就是在这个例子中 我觉得能从结果中找到原因 决定论和时间反演是两个不同的概念吧 决定论的不一定是时间反演的 时间反演的也不一定是经典意义上的决定论的 。



星空浩淼
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

谢谢各位大牛的回复。
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郑重声明一下:昌海兄和sage兄是大牛,本人只是一只小绵羊,与他们二位不可同日而语:-)




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

What kind of initial condition are you using at t=0?
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
arbitrary, of course. Except for some abnormal case.

What is the solution given by the method you mentioned?
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
There are two kinds of solutions. One is the series solution, in which each term contains something like Exp[-k t] (k=0,1,2,3...). Obviusly, if t<0, then Exp[-k t] will grow unlimitedly as k increases.

The other one uses the fact that the solution can be put into a function of x/Sqrt[t] only and has the form of an integration with upper bound is somthing like x/Sqrt[t]. This means this solution doesn't apply for the case of t<0. And I tried the latter case, but could not find a similar solution.


但是应该可以从———拿你举的情况来说吧——— t=2的时刻推出t=0的具体分布函数吧 。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
前面说了,能够这样的前提其实是先知道了t=0时状态。如果真的只知道t=2时的状态,无法由方程得到t=0时的状态。不信可以试试。这正是我感到非常困惑的原因。




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

The integration-type of solution - I may remember this wrong - might come from the use of a Green function. That can't be extended to t<0 because delta source has been used in the derivation.

I suggest you find a special case when you can have a closed form solution as oppose to a series or integration. Then check whether it can be extended to t<0 (in case it can't, you might be able to see the reason clearly because you have an explicit solution). A series or integration may fail in a region where actual solution still exists.




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

The integration-type of solution might come from the use of a Green function.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Yes, it is connected with Green function. But it can be obtained from the view as I stated. It is something like general solution. As we know, the general solution for wave equation is f(x+at)+g(x-at). And later I know, for Laplace equation (1-d), there is also a general solution, which is f(x+iat)+g(x-iat).


I suggest you find a special case when you can have a closed form solution as oppose to a series or integration.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
The reason why I find the solution of the second type is just that I want to find a closed form solution. And I didn't find other kind of solution.

In fact, there does be some closed form solutions for some special cases, which are just the series solution with finite terms. This demand that the initial distribution must have the Fourier expansion with finite terms. It seems that only in these special cases can we let t<0.




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

There is nothing intrinsically special for t=0, the limitation of the solution you see in the textbooks is artificial (unless one introduces unrealistic initial condition at t=0).

For instance, you can use the time translation invariance of the heat conduction equation (homogeneous one) to find solution for t<0: Suppose T(t, x) is the general solution you got from those textbooks, instead of let T(0, x) matches the initial condition (suppose it's a realistic condition, not a singular one such as delta function), let T(a, x) matches it. Then the solution can be used to calculate for interval (-a, 0), as long as physical conditions permit.




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

There is nothing intrinsically special for t=0,
~~~~~~~~~~~~~~~~~
Of course. But it does be special for "initial" when heat conduction equation is concerned, although it is not special for the other two kinds of equations. This is the fact, and I don't know why.

Then the solution can be used to calculate for interval (-a, 0)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
If so, you still can't know the situation when t<-a. The problem is not solved but just shifted.




bamboo
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

正时间方向的热传导方程的解若往以前外推,则在一般的情况下,方程的解会在负的有限时间内出现奇点。例如给定时间t=0时的某一初始非均匀温度分布,那么热传导方程的解f(t,x)在t=-T时的某些点x=a会出现|f(-T,a)|=∞。

用常微分方程作比较会更容易明白。方程y’+y^2=0从表面看不出有奇点,加上初始条件y(0)=1/b>0后,解是y(t)=1/(t+b),其定义域向后可以到t=+∞,但向前只能到t>-b。

换言之,用热传导方程「倒果求因」会得到一个包含奇点的「原因」。从物理的观点看,奇点的出现意味这不可能是物理状况的完全描述。例如说,若解的奇点在t=-1hr出现,那么我们根本不能用热传导方程逆推t=-2hr的情况。



卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

:: 正时间方向的热传导方程的解若往以前外推,则在一般的情况下,
:: 方程的解会在负的有限时间内出现奇点

This is a very good point (although I no longer remember whether the statement itself is correct or not - haven't touched this equation for more than 10 years . If temperature goes to infinite at a certain time, that's the case when physical conditions no longer permit backward extension (of course, heat conduction equation itself also no longer provide a good description of the phenomena when one moves close to that point).




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

bamboo的说法有新意,但对于热传导方程,有以下问题:

1、不能逆推的点不是由方程本身决定的某种奇点,而是人为给定的初始点。用你第一段的例子来说,并非需要到了-T才不能逆推,而是在t=0时就已经不能逆推了。

2、热传导方程是线性方程,不会有奇点或类似于奇点的东西存在。


中国是一个从上往下煽耳光,从下往上磕头的社会。
——最近看到的一句话



卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

:: the series solution, in which each term contains something
:: like Exp[-k t] (k=0,1,2,3...). Obviusly, if t<0, then Exp[-k t]
:: will grow unlimitedly as k increases.

Why would that be a problem? That is nothing but a x^k type of series with x=e^(-t)>1 for t<0. Whether such a power series divergent or not depends on coefficients. Can you show me why you think it must divergent?




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

That is nothing but a x^k type of series with x=e^(-t)>1 for t<0. Whether such a power series divergent or not depends on coefficients.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Yes, you are right. I never realize this before.

Now I can say that the initial condition determines the coefficients, and the coefficients determine the covergence range of x=e^(-t)>1, which defines the reasonable range of t. This means that time can go back to some extends in most cases. That's good and resolves my problem partially.

So there does exist some singularity for heat conduction equation which depends on the initial condition.




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

Sorry, I made a mistake. Each term in the series solution contains something like Exp[-k^2 t], not Exp[-k t]. This changes something but not basically.

Another problem arises. If the coefficients can give the sigularity at t=-b<0 (the range is -b<t<infinity) in some cases, they can also give sigularity at t=d>0 (d<t<infinity) in some other cases. This means this situation could happen: given the initial condition at t=0, the time between 0 and d is not physical; only later time is reasonable. But this CAN NOT happen!




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

:: If the coefficients can give the sigularity at t=-b<0 (the
:: range is -b<t<infinity) in some cases, they can also give
:: sigularity at t=d>0 (d
Why?




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

Because the set of coefficients dtermined by initial condition is arbitrary in some sense. (In what sense I don't figure out, and I'll talk aout it later.) So the location of sigularity, if really exists, should also be arbitrary.




blackhole
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

In other words, even if x=e^(-t)<1, there also is possibility for the series to be divergent.

Now another issue. Though the initial distribution is arbitrary, its Fourier coefficients are not. Because an arbitrary triangular series need not to be a Fourier series of some function, just like an arbitrary power series need not to be a Taylor series of some function. This may confine the coefficients.

I guess that this confinement may result in that the series solution must be convergent for any x=e^(-t)<1 or t>0. As for the case of x>1 (t<0), I don't know how to deal, because the convergence of triangular series is far more complicated than that of power series and is far less talked about.




卢昌海
Re: 关于热传导方程 [文章类型: 原创]

:: Because the set of coefficients dtermined by initial condition is
:: arbitrary in some sense.

No, they are not - at least not in the sense that they can lead to arbitrary location of singularity. I will leave it for you to figure out why yourself.

[ 本帖最后由 blackhole 于 2008-2-17 22:59 编辑 ]
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发表于 2008-2-17 22:05:56|只看该作者
数学方面
问题似乎涉及 方程的对称性和解的对称性的关系
再一个就是方程的可解性和问题的适定性

物理方面就是方程是否在某种意义上完全刻画了物理过程
决定论和时间反演的关系

方程的可解性和决定论和时间反演的关系

[ 本帖最后由 windowsxp 于 2008-2-17 22:08 编辑 ]
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3#
发表于 2012-12-10 21:14:34|只看该作者
本帖最后由 fantadox 于 2012-12-10 21:21 编辑

经典的热传导方程在纯数学的解析意义上是可逆的(在没有遇到奇点的范围内),不可能有两个不同的初始状态经过一段时间变成精确相同的状态,也不可能从同一个初始状态过一段时间不确定地进入两个不同状态。但物理系统演化方程的可逆性不是这个意思。

(一个简单的有奇点的例子:均匀传导介质中以点源作为初始状态的热传导过程,最初的温度分布是一个函数。从这个初始状态出发,可以推出后面任意时刻的温度分布,除了t=0时刻之外,温度都是光滑连续的分布。但你往前倒推,并不能推出t=0之前的温度分布,因为在t=0处方程会遇到一个奇点。)

我们说热传导方程不可逆,并不是因为倒推方程会遇到奇点。就算会遇到奇点,至少我们可以说在没有遇到奇点的情况下方程是可以倒推的。在分析力学和量子力学中,说系统是时间可逆的,是说状态空间(分析力学中的相空间或量子力学中的Hilbert空间)中流体的不可压缩性,由Liouville定理保证(在量子力学中演化方程的这种性质叫Unitary)。在状态空间中任意划出一个体积为V的区域在演化方程的驱动下体积永远是V。

热传导方程显然不满足这一点。对于热传导方程,其状态空间是这样的:每一个状态对应体系温度的一个具体分布。所有可能的温度分布构成了热传导方程的状态空间。如果你在这个空间中划出一个体积为V的区域在热传导方程的驱动下体积会随时间逐渐逼近0,而的形状也会逐渐收敛到一个点(对应热平衡的温度分布)。这就是为什么热传导方程无论初始状态如何,都会随着时间无限逼近热平衡态稳恒温度分布的原因。两个不同初态的演化过程中系统状态的差异会随着时间变得越来越小,最终超出任何给定仪器的分辨能力。

其实可逆性这个概念对于状态空间离散的系统(状态总数可数)是非常容易理解的。只要演化方程保证每一个状态只有唯一的前驱状态和后续状态,那么这个系统就是可逆的。但上述可逆性定义并不能推广到连续的情况,但上述定义在离散系统中的一个等价版本则很容易推广到连续情况:状态空间的任意子集S如果包含N个状态节点,那么S在演化方程的驱动下将始终包含N个状态节点。
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发表于 2012-12-11 12:07:28|只看该作者
本帖最后由 blackhole 于 2012-12-11 12:09 编辑

还是用公式来表达要明确些。
1d热传导方程为
(下标表示求导)
设边界条件为

初始条件为

该方程有级数解为

其中系数可由初始条件确定。
梁昆淼的《数学物理方法》书中写道:当t<0时,exp指数随n的增大而急剧增大,从而级数解发散。故从某时刻的温度分布不能反推此前的温度分布。
我一直对此深以为是,但同时又认为热传导方程的解在数学上应该是可逆的。二者矛盾,故有首贴中的疑问。
然而现在看来,即使t<0,但只要|t|不是太大,级数解还是可能收敛的,这依赖于系数或初始条件。于是我的“不能反推”的结论就错了。
于是我感兴趣的问题变成:任意给定一个初始条件,能反推到什么时刻才碰到奇点?
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发表于 2012-12-11 18:09:38|只看该作者
blackhole 发表于 2012-12-11 12:07
还是用公式来表达要明确些。
1d热传导方程为
(下标表示求导)
凡是奇点型的初始条件都不能反推到t<0。

你最后那个问题我觉得太难回答了。
一个万能废话答案:仅当初始条件刚好是『某个奇点型初始条件经过有限时间T之后的演化结果』,反推就一定t=-T时遇到奇点。
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6#
发表于 2012-12-11 20:53:41|只看该作者
凡是奇点型的初始条件都不能反推到t<0。
~~~~~~~~~~~~~~~~~`
这我知道。但我前面级数解的初始条件是任意的,即想要多光滑就可以多光滑。
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7#
发表于 2012-12-11 22:16:23|只看该作者
blackhole 发表于 2012-12-11 20:53
凡是奇点型的初始条件都不能反推到t
我那句话是为了后面那个万能废话答案做准备的
级数解显然有很多都可以倒推到负无穷远啊,例如只有有限项的Cn为非零的情况。至于不是有限项非零的情况,级数发散未必不能倒推,就不好说了。
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8#
发表于 2012-12-12 10:00:29|只看该作者
对,正是如此。
所以,如果初始条件恰好只是有限个三角函数的组合,那么可以倒推到负无穷也不会碰到奇点。而此外的情况,就只有靠数学很强的人来解决了。
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9#
发表于 2012-12-12 13:48:03|只看该作者
我差不多都忘记了,试着说一下。

假设A是Laplacian,那么热方程是du/dt -Au = 0,初值是u(0, x) = f(x)。形式上我们可以把解写成 u(t, x) = e^{tA} f(x)。但是当然e^{tA}实际上不是那么好定义的,需要把函数空间选好,比如L^2等等。而且A是无界算子。或者把e^{tA}写成热核的形式。初值f可以很坏,但是在t>0的时候,u(t, x)总是光滑的。

那么如果f仅仅是L^2,那么写成f = a_i e_i,而A有谱分解, A e_i = \lambda_i e_i, \lambda_i发散到负无穷大。那么

e^{tA} f = a_i e^{t\lambda_i} e_i ,这个东西的L^2范数的平方是 a_i^2 e^{2t \lambda_i}。那么要看a_i的衰减的情况。如果只有有限多项非零,那么这个东西在t<0的时候也是L^2的,无穷多项非零就未必了。
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10#
发表于 2012-12-13 13:32:20|只看该作者
如果只有有限多项非零,那么这个东西在t<0的时候也是L^2的,无穷多项非零就未必了。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
嗯,这是前面得到的结论。
无穷多项时,
1、如果如果系数a_i呈指数衰减,确有可能在t<0(但|t|不太大)时级数收敛。
2、大多数常见情况都不如上面所说,比如初态曲线呈锯齿状或三角形状,此时t<0就一定不收敛。
所以现在的情况是:如果初态曲线呈三角形状,那么无法就此反推此前的温度分布。——非常难以理解!
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11#
发表于 2012-12-13 18:15:31|只看该作者
所以现在的情况是:如果初态曲线呈三角形状,那么无法就此反推此前的温度分布。——非常难以理解!
这种情况下真正不能反推仅仅是那个尖点而已,一个尖角型温度分布往前推是在该点两侧趋于无穷大的一个函数,该函数只有尖角位置是奇点。
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发表于 2012-12-13 21:16:41|只看该作者
本帖最后由 blackhole 于 2012-12-13 21:20 编辑

那就换成

其中C_n可以求得:

衰减不够快,照样不能反推。
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13#
发表于 2012-12-14 00:03:11|只看该作者
本帖最后由 fantadox 于 2012-12-14 00:25 编辑
blackhole 发表于 2012-12-13 21:16
那就换成
你的意思是说这个级数本身衰减太慢不能反推到任何t<0的情况,还是这个初始条件本身不能反推到t<0的情况?直接解微分方程可以解出来:
for
for
for
的两个端点上使用连续性条件(可能不妥)。
这个解显然可以反推到t<0,但反推的结果是在两个点上不再连续。

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