http://w3.math.sinica.edu.tw/math_media/d243/24302.pdf
是把左邊的微分組合解
釋為沿(a, b) 方向的“方向微分”,
即引進s
及考慮u(x1 + sa, x2 + sb), 則u 沿(a, b)
方向的變化率為
橢圓偏微分方程漫談
陳俊全
一. 橢圓方程
偏微分方程粗分為橢圓、拋物及雙曲三
類型, 它們是怎麼分的? 這麼分又有什麼
好處? 首先, 考慮最簡單的情況, 假設函數
u = u(x1, x2) 只有兩個變數, 並且滿足一
階方程(即最高次微分只有一次)
aux1 + bux2 = 0, (1.1)
其中a, b 為常數, ux1 = @u
@x1
, ux2 = @u
@x2
。通
常解這類方程的方法是把左邊的微分組合解
釋為沿(a, b) 方向的“方向微分”, 即引進s
及考慮u(x1 + sa, x2 + sb), 則u 沿(a, b)
方向的變化率為
d
ds
u(x1 +sa, x2 +sb) = aux1 +bux2 = 0.
由此, 可推得在每一條直線{(x1 +as, x2 +
bs) : −∞ < s < ∞} 上, u 都是常數。反
之, 若u 在這些直線上是常數, 則必定滿足
方程(1.1)。
現在, 考慮難一點的二階方程(即最高
次微分為兩次)
aux1x1 + bux1x2 + cux2x2 = 0, (1.2)
其中a, b, c 為常數, ux1x1 = @2u
@x1@x1
,
ux1x2 = @2u
@x1@x2
, . . .。一個解(1.2) 的自然
想法是把二階偏微分的組合分解成兩個一階
微分的作用。如果二次方程
aλ2 + bλ + c = 0 (1.3)
有兩實根λ1 及λ2, 則可將(1.2) 改寫成
0 = aux1x1 + bux1x2 + cux2x2
= a
"
∂
∂x1
(ux1 − λ1ux2)
−λ2
∂
∂x2
(ux1 − λ1ux2)
#
≡ a(
∂
∂x1 − λ2
∂
∂x2
)
・(
∂
∂x1 − λ1
∂
∂x2
)u.
上式最後一項是以濃縮的方式表示微分作用。
如此一來, (1.2) 左邊可解釋為沿(1,−λ1)
方向作微分, 再沿(1,−λ2) 方向作微分。分
兩次仿照解(1.1) 的方法, 即可找出(1.2) 的
解。
當λ1, λ2 非實數時, 我們必須用其它方
法或在複數系中考慮方程(1.2)。此時, 解的
性質表現得非常不同。為此原故, 根據λ1, λ2
的不同可將方程(1.2) 分成三類型(在此假
設a, b, c 為實數):
17
18 數學傳播24卷3期民89年9月
(1) 當λ1 6= λ2 為相異實根, 即b2 − 4ab >
0, 稱方程為雙曲型;
(2) 當λ1 = λ2 為實重根, 即b2 −4ab = 0,
稱方程為拋物型;
(3) 當λ1 及λ2 非實數時, 即b2 −4ab < 0,
則稱方程為橢圓型;
對更一般二階線性方程
aux1x1 + bux1x2 + cux2x2 + dux1
+eux2 + f = 0,
它的分類只根據最高次微分項的係數a, b, c
依同樣方法分類。三類型方程的名稱由來和
二次曲線
ax21
+ bx1x2 + cx22
+ dx1 + ex2 + f = 0.
是一致的。b2−4ac > 0,= 0,< 0 對應的二
次曲線恰為雙曲、拋物, 和橢圓。它們的代表
方程分別為x22
− x21
= 1, x2 − x21
= 0 及
x21
+ x22
= 1。若不考慮常數項部份, 相應的
代表方程分別是
波方程(雙曲) ux2x2 − ux1x1 = 0
熱方程(拋物) ux2 − ux1x1 = 0
Laplace方程(橢圓) ux1x1 + ux2x2 = 0.
關於這三個方程進一步性質,請參看本期「劉
太平」的文章。
當函數的變數個數增加或方程微分次數
增高時, 雖然上述三種分類再也不能涵蓋所
有情形, 但許多重要的例子仍然可歸於這些
分類當中。以Laplace 方程而言, 在n 維
空間中的自然推廣是
ux1x1 + ux2x2 + ・ ・ ・ + uxnxn = 0.
習慣上, 我們以△ 代表@2
@x2
1
+ @2
@x2
2
+・ ・ ・+ @2
@x2
n
這個運算, 稱之為Laplace 算子, 並將方程
簡寫作
△u = 0.
對於一般n 變數二階線性方程
X
1≤i,j≤n
aijuxixj +
X
1≤i≤n
biuxi + cu = f
(1.4)
同樣的, 它的分類以最高次微分的係數aij 作
依據。在一個合理的分類當中, 方程的類型不
應該隨座標變換而更動。當
P
aijuxixj
可經
座標變換而化成△u 時, 便稱(1.4) 為橢圓
型方程。它的充分必要條件為: 存在λ > 0
使
X
1≤i,j≤n
aijξiξj ≥ λ
X
1≤i≤n
ξ2
i (1.5)
對所有(ξ1, ξ2, . . . , ξn) ∈ Rn 都成立, 即矩
陣(aij)n×n 是正定的。
當(1.4) 中的係數和x = (x1, . . . , xn)
有關時, 橢圓型的定義是在每一點x 上,
(1.5) 都成立。對於更高階線性方程式, 從
經驗上來看, 橢圓型的定義應該要滿足類似
(1.5) 的條件。因此, 我們把最高次微分的項
拿出來, 每一個偏微分運算@
@xi
都用ξi 取
代, 並把u 去掉, 這樣得到的數值若對任何
(ξ1, . . . , ξn) 6= (0, . . . , 0), ∈ Rn, 都不會是
零, 便稱之為橢圓型。對於非線性方程式, 我
們利用泰勒展開式, 以線性方程作逼近, 再以
線性方程
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