R 2中具临界增长的非线性椭圆型问题

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非线性薛定谔方程 runge-kutta

非线性薛定谔方程 runge-kutta
非线性薛定谔方程 runge-kutta
非线性薛定谔方程，即非线性常微分方程，是用于描述物理系统的状
态变化的重要方程，可用于描述各种物理系统的动力学和稳定性问题。

Runge-Kutta方法是一种常用的数值解决非线性薛定谔方程的方法。

Runge-Kutta方法可以求解一阶非线性薛定谔方程，也可以求解多阶非线性薛定谔方程，不需要求解方程的精确解，而是对方程的近似解。

它的基本思想是：将时间区间[t0,t1]划分为若干小的时间步长，将每
次步长的解看作是一个函数，再用多项式拟合这个函数，从而得到方
程的近似解。

Runge-Kutta方法的特点是求解精度高，计算量少，但它也有一定的局限性，即要求解的方程必须是可以求导的，对于非线性或不可导的方程，Runge-Kutta方法就不能使用了。

另外，Runge-Kutta方法只能求
解单变量的非线性薛定谔方程，而多变量的非线性薛定谔方程则无能
为力。

总之，Runge-Kutta方法是一种有效的解决非线性薛定谔方程的方法，它的优点是求解精度高，计算量少，但也有一定的限制，不能解决某
些复杂的问题。

非线性椭圆型方程的nehari流形

非线性椭圆型方程的nehari流形首先，让我们先来了解非线性椭圆型方程的定义。

非线性椭圆型方程是指形式为$-\Delta u=f(u)$的偏微分方程，其中$\Delta$是拉普拉斯算子，$f(u)$是关于未知函数$u$的非线性项。

这类方程的解可以具有多个极小值点，而且其极小值点可能不止一个。

为了解决这个问题，我们需要引入最小极值解的概念。

最小极值解是指在给定边界条件下，满足一定条件下解的存在性和唯一性的解。

然而，要得到最小极值解并非易事。

Nehari流形的引入正是为了解决非线性椭圆型方程最小极值解的确定性问题。

Nehari流形是指在给定边界条件下，满足一定能量条件的函数的集合。

具体来说，设$H^1_0(\Omega)$是在区域$\Omega$上的Sobolev空间，定义Nehari流形为：$$\mathcal{N}=\{u\in H^1_0(\Omega)\backslash \{0\} \midI'(u)u=0\},$$其中$I(u)$是与非线性椭圆型方程相关的能量泛函。

Nehari流形的定义意味着在流形上的每一点，曲线在该点的切向量与其自身的导数正交。

为了更好地理解Nehari流形的性质，我们需要研究其切空间的结构。

Nehari流形上的曲线可以通过切向量的线性组合来表示。

设$v\in\mathcal{N}$，则$\varphi(t)=u+tv$对应于一个流形上的曲线。

根据曲线在点$u$处的切向量定义，我们可以得到：$$\frac{d}{dt}\bigg，_{t=0}\，\varphi(t)\，^2=\frac{d}{dt}\bigg，_{t=0}(u+tv,u+tv)=2(u,v).$$因此，曲线在点$u$处的切向量为$v$。

我们可以看出，切空间是由与$u$的内积为0的函数$v$组成的，即$\{v\in H^1_0(\Omega)\mid(u,v)=0\}$。

了解了Nehari流形的切空间后，我们可以通过对切空间进行适当的限制来获得最小极值解的存在性和唯一性。

非线性临界Kirchhoff型问题的正基态解

2021,41A (3):666-685数学物理学报http: // a ct a 非线性临界Kirchhoff 型问题的正基态解成艺群滕凯民**收稿日期：2020-04-17;修订日期：2020-10-26E-mail: *****************; t *********************基金项目：国家自然科学基金(11501403)、山西省留学回国择优项目(2018)和山西省自然科学基金面上项目(201901D111085)Supported by the NSFC(11501403), the Scientific Activities of Selected Returned Overseas Professionals in Shanxi Province (2018) and the NSF of Shanxi Province(201901D111085)*通讯作者(太原理工大学数学学院太原030024)摘要：该文研究如下Kirchhoff 型方程(a + b △u + V (x )u = —2 u + s \u \4 u,x e R 3,u e H 1 (R 3),其中a > 0, b> 0,4 <p< 6, V (x ) e L l |c (R 3)是一个给定的非负函数且满足lim V (x ):= 抵•对V (x )给定适当的假设条件，当s 充分小时，证明了基态解的存在性.关键词：Kirchhoff 型方程；临界非线性；基态解.MR(2010)主题分类：35B09; 35J20 中图分类号：O175.2 文献标识码：A 文章编号：1003-3998(2021)03-666-201引言本文研究如下Kirchhoff 型问题(a + b△u + V (x)u = |u |p-2u + s |u |4u, x u > 0, u e H 1 (R 3)(1.1)e R 3,正基态解的存在性，其中a > 0, b> 0,4 <p< 6, s> 0•此外，V (x )是一个非负函数且满足他)：V (x ) e 厶仁(R 3), lim V (x ) = V ^, V (x ) > V 0 > 0 a .e . x e R 3.问题(1.1)与下面方程p 兽-(牛+2L /dudx /(u )(1.2)No.3成艺群等：非线性临界Kirchhoff 型问题的正基态解667对应的稳态相关.1983年，作为经典D'Alembert 波动方程的延伸，Kirchhoff^在研究拉伸弦的横向振动，特别是考虑到横向振动引起的弦的长度变化时首次提出方程(1.2),其中u 表示变量，且当b 与弦的内在属性相关时，b 是外力，a 是初始应变量，如Young's 模.近年来，采用非线性分析的工具和变分方法，许多学者对下列非线性Kirchhoff 型方程G H X (R 3)|V u |2d x)△u + V (x)u = /(x, u), x G R 3,(1.3)进行了大量的研究，建立了基态解，束缚态解和半经典态解等的存在性和多重性.例如：当 V (x ) := C 时，Xu 和Chen [2]证明了方程(1.3)具有径向基态解，其中/(x, u )满足临界 Berestycki-Lions 型条件.当C = 0时，问题(1.3)可简化为如下方程|V u |2d x)△u = /(x, u ), x G R 3,u G H X (R 3),(1.4)Liu 和Guo [3〕研究了临界增长中具有一般非线性的问题(1.4)的基态解的存在性•当(1.4)式中 /(x,u ) = g (x )|u |2*-2u + Xh(x)|u|q -^u 时，Li [4]通过 Nehari 法和变分法得到了问题(1.4) 的正基态解的存在性.有关问题(1.4)基态解的更多结果，参看文献[5-7].关于基态解的研究方面，最近，Li 和YeB ]假设V (x )满足以下假设.(i) V (x ) G C (R 3, R )弱可微且满足(V V (x ),x ) G L TO (R 3) U L 3 (R 3)和V (x ) — 2(V V (x ), x ) > 0 a .e . x G R 3;(ii) 对任意的x G R 3,V (x ) < liminf V (y ) := % <十^且其在Lebesgue 正测度的子集中是严格的；(iii) 存在C > 0使得0= inf u E H 1 (R 3\{0})J r 3 |V u |2 十 V (x )|u |2JR3 |u |2> 0,采用单调性技巧，Pohozaev-Nehari 流形和全局紧性引理证明了当/(x,u ) = |u |p -1u , 2 < p < 5时问题(1.3)正基态解的存在性.Wu [9]利用Pohozaev 流形证明了问题(1.3)存在正基态解•当/(x,u )在无穷远是次临界且在原点附近是超线性的，V (x )满足与上面⑴和 (ii)相似的一些条件时，Guo [10〕用变分方法证明了问题(1.3)存在正基态解•当/(x,u )= K (x )|u |4u + g (x,u )且V (x )满足渐近周期条件时，作者们在文献[11]中证明了问题(1.3)存在正基态解•当/(x,u )在无穷远是次临界，在原点是超线性的且满足Berestycki-Lions 条件和位势V (x )满足与上面(i)-(iii)类似的一些条件时，Liu 和Guo [12]利用Jeanjean 建立的抽象临界点定理和一个新全局紧性弓I 理证明了问题(1.3)至少存在一个基态解.随后，Tang 和Chen [13〕对位势V (x ) G C (R 3, [0, Q)提出一些更强的条件，他们证明了问题(1.3)存在一个Nehari-Pohozaev 型的基态解.后来，Chen 和Tang [14〕又证明了问题(1.3)存在一个基态解，其中/(x,u )满足一般的Berestycki-Lions 假设和位势V (x ) G C (R 3, [0, g ))满足类似文献[13]的条件.YeW 证明了问题(1.3)存在正基态解，其中/(x,u ) = a (x )f (u ) + u 5且 V (x )在无穷远处满足指数阶衰减•当位势V (x )有一个井位势，Sun 和Wu [16l 得到了一类668数学物理学报Vol.41A 如下Kirchhoff型问题基态解的存在性—(a/|V u|2d x+b)△u+AV(x)u=f(x,u),x e R N,'丿R N)u e H1(r n).关于问题(1.3)基态解的更多结果，参看文献[17-26].受上述文献的启发，本文事■虑具有小临界扰动项的问题(1.1)基态解的存在性.与上述文献相比，我们只需求V(x)e r|c(R3)或V(x)可能在局部区域比％大.这是本文主要结果的新奇之处，其方法是基于约束极小化方法•主要的困难在于非局部项J R b|V u|2d x^u的出现，由于R3的无界性以及带有临界扰动项的非线性而缺乏紧性.此外，由于V(x)非径向对称，故不能将问题限制在径向对称Sobolev空间用(便)中，其中H^R3)j L q(R3)(2<s<6)是紧的.为克服这些困难，必须进行更仔细的分析.特别地，对于序列{u…}c H1(R3)且u…在H1(R3)弱收敛于u,将仔细分析J r3|V u”|2d x和J r3|V u|2d x的不同来恢复紧性.若£=0,则问题(1.1)有一个正基态解，显然，当£趋于0时，对于方程(1.1)来说，我们期望这种结果不会改变.本文将试图证明该现象.本文的主要结果如下.定理1.1假设V(x)满足(旳)和V(x)<a.e.x e R3,(1.5)那么存在£0>0,对任意的£e(0,£o),问题(1.1)有一个正基态解.当位势V(x)不满足(1.5)式时，通过考虑下列极限问题的正基态解—(a+b J|V u|2d x)+V^u=|u|p-2u,x e R3,(1.6)u e H1(R3)证明问题(1.1)的基态解的存在性.事实上根据文献[18,27],在相差平移的情形下，方程(1.6)存在唯一的正的径向对称解，记为w.现陈述如下结果.定理1.2假设V(x)满足(V0),如果存在z e R3满足V(x)|w z|2d x</%w2d x,(1.7)R3其中W z(x):=w(x—z),且w是问题(1.6)的正径向基态解.那么对任意小的£，问题(1.1)存在正的基态解.注意到当V(x)三％时，那么对任意z e R3,(1.7)式成立.此篇论文的结构如下.在第2节，将给出一些符号且回忆了一些学过的知识.在第3节，将给出定理1.1和定理1.2的证明.2准备工作不失一般性，假设％=1.在下文中，将使用以下符号.•H1(R3)是Sobolev空间，其内积和范数如下||训2:=/(a|V u|2+u2)d x.JR3No.3成艺群等：非线性临界Kirchhoff 型问题的正基态解669同时，在这里我们将引入一种等价范数||u||V ：= / (a |V u |2 + V (x )u 2)d x.J r 3予实.上/ (a |V u |2 + u 2)d x < C (a |V u |2 + V (x )u 2)d xJ r 3 — J r 3显然成立.反之,根据(兀)可得，存在R> 0使得当|x | > R 时有V (x ) < 2%,从而有/ (a |V u |2 + V (x )u 2)d x R 3=a |V u |2d x + V (x )u 2d x +V (x )u 2d x J r 3 J\x \>R J\x\<R <a |V u |2d x + 2 / V ^u 2d x 7r 3 J\x \>R+ / ((V (x ))2d x )u 6dx) 3J \x \<R _3 丿< c / (a |V u |2 + u 2)d x.7r 3• D 1，2(R 3)是通常的 Sobolev 空间，其标准范数为 ||u||D ：=(J r 3 |V u |2d x )2.• (O )表示Lebesgue 空间，其中1 < q < g , OC R 3是一个可测集•当O 是R 3的适当可测子集时，L (O )上的范数为| • |£q (o ).当O = R 3时，其范数为| • |,• c,C i ,C,C i ,…表示一些正常数.问题(1.1)对应的能量泛函是厶:H i (R 3) t R 定义为厶(u )=2(a |V u |2 + V (x )u 2)d x |u |p d x 一； [ |u |6d x.6 J r 3显然, 如下厶G C i (H i (R 3),R )且厶的临界点是问题(1.1)的弱解•问题(1.1)对应的极限方程G H i (R 3),△u + V ^u = |u |p-2u + s |u |4u,x G R 3,(2.1)且其对应的泛函为 —:H i (R 3) t R ,定义如下1 / (a |V u |2 + u 2)d x + -( / |V u |2d x) — - [ |u |p d x —三/ |u |6d x.2 J R34 ' 丿R 3 丿 p J R 3 6 丿R 3与厶具有相同性质的泛函定义如下I (u ) = 1 / (a |V u |2 + V (x )u 2)d x + -( / |V u |2d x) — - [ |u |p d x,2 J r34 ' J r 3 丿 p J r 3I x (u ) = 1 / (a |V u |2 + u 2)d x + [ |V u |2d x) — - [ |u |p d x.2 丿r34 ' J r 3 ) P J r 3定义泛函I ,厶，：和厶心上的Nehari 流形如下N = {u G H 0(R 3)\{0} : I z (u )[u ] = 0}, N = {u G H 0(R 3)\{0} : I ((u )[u ] = 0},N g = {u G H 1(R 3)\{0} : I Q (u )[u ] = 0}, = {u G H 1(R 3)\{0} : I ]；^(u )[u ] = 0}.670数学物理学报Vol.41A 定义m ：= inf Ig 〕：= inf /^x . (2.2)N so N e , g 注意到，当£> 0时有m e < m .事实上，设w 满足/g (w ) = m 且存在r e > 0使得r e w e 那么m e < I e ；g (r e w ) < I g (r e w ) < I g (w ) = m. (2.3)弓|理2.1 (i)存在唯一 t u > 0使得t u u eN ,有i (t u u ) = max I (tu ),且u 一 t u 是从H 1(R 3)\{0}到R +的连续映射.若在N g , M 和上分别考虑I g , I 和厶,g ,类似的结论成立.(ii) 对任意的u e M,g ，存在正常数C 〉0使得||训> C> 0,其中C 与£无关.(iii) 对任意的£ e (0,£o ),设u 是约束在M,g 上的厶,g 的极小元，那么存在正常数 C 1 > 0使得|u |p > C 1 > 0,其中C 1与£无关.证根据标准的讨论，可得⑴成立.(ii)对任意的u e M,g ，由Sobolev 嵌入定理得0 = ||训2 + b |V u |4 — |u |p — £|u |6 > ||u||2 — C 1||u 卩一C 2£||u||6,即||u||2 <C 1||u||p + C 2£||u||6，其中C 1,C 2 > 0与£和U 无关•因此，对任意的£>0,有||训 > C > 0, V u eM ,g(2.4)成立，其中C 是与£和u 无关的正常数.(iii)设u 是厶,g 约束在M,g 上的极小元，可得I £,g (u ) = 4ll u ^2 + 〃4p |u |p + 12£|u |6 = m Q 由上式和(2.3)式可得||u |2 < 4m e + o (1) < 4m. (2.5)从(2.4)式可得||训有正下界，且从(2.5)式可得||训有正上界.因此，利用Sobolev 嵌入定理，可得C 2|u |p = ||训2 + b ll Vu ll 2 ― £|u |6 > ll u|2 ― c £II 训6 > C 2 ― c 1£ > ~2 > C 1? V £ e (0, £o ),其中C, C 1 > 0与£和u 无关•证毕. I命题2.1下列估计成立a /b 宀3 叫 < 3(2£S +s 6+a 切+桔住s 3+-----------------\ 2S 6 + a S 3 )S a,b , V £ > 0, (2.6)其中s 是最佳Sobolev 常数.证注意到(2.8)式中的S a ；b 是下列方程解的基态水平lim u (x ) = 0,|x|—>g a + b|V u △u = £|u |4u,x e R 3,(2.7)No.3成艺群等：非线性临界Kirchhoff 型问题的正基态解671即-----------------\ 2S 6 + a S 3 )和=3许+s 6+期)+包汀+2^/r 3 |u |6d x因此，由上式可知a [ |V (tu )|2d x |V (tu )|2d x)—訂 |tu |6d x 2 J r 3 4 ' J r 3 丿 6 J r 3=at 2 / |V u |2d x + 寻4( / |V u |2d x 『3J r 3 12 W r 3 丿a [- 2 -(J r 3 |V u |2d x )2 + \l -2(J r 3 |V u |2d x )4 +4a8 J r 3 |V u |2d x J r 3 |u |6d x =5 |Vu|2dx -----------------------------y ------------------------------------------------------------------------3丿R 3=min (a / |V u |*2d x + -( / |V u |2d x) — - / |u |6d x : u G D 1,2(R 3),I 2 J 4 ' 丿R 3 J 6 丿R 3/ a |V u |2d x + -( [ |V u |2d x) = - / |u |6d x{.7r 3 ' J r 3 丿 7r 3 丿事实上，下列问题R 3(2.8)的正解具有如下形式—△u = |u |4u, u G D 1，2(R 3)x G R 3,(2.9)(3$)1肿 _ (J + |x — x 0|2)2 :事实上，最佳Sobolev 常数S 可通过下式定义血 |V u |2dx _J > 0, x o G R 3.注意到,S = inf ------厂应 .ueD 1,2(R 3)\{0} |u |2 u£D 1.2(R 3)\{0}, u 6 = ^/R 3对任意的u G D X '2(R 3)\{0},存在唯一的t > 0使得tu 满足a [ |V (tu )|2d x + b( [ |V (tu )|2d x) = 8 / |tu |6d x, 丿R 3 '丿R 3 丿丿R 3inf |V u |2d x.—a [ |V u |2d x = 0,丿R 3(2.10)即通过计算得t 2-(J r 3 |V u |2d x )2 + J -2(J r 3 |V u |2d x )4 十 4«£ J r 3 |V u |2d x J r 3 |u |6d x2^/r 3 |u |6d x ■ -(J r 3 |V u |2d x )2 + j -2(J r 3 |V u |2d x )4 +4处 J r 3 |V u |2d x j R 3 |u |6d x -28 J r 3 |u |6d xJ r 3 |V u |2d x - ” • c 2-I J R 八…I —| +-MJ r 3 |u |6d x ) 3 丿J r 3 |V u |2d x L/ J r 3 |V u |2d x a 68 (J r 3 |u |6d x ) 3VC/r 3 |u |6d x ) 3“ 'I2672数学物理学报Vol.41A\( J r 3 |V "|2dx )2 + -MJ r3 |u |6d x ) 3 丿> S (b S 2 + v b 2S4 + 4a£S ) + 召a / b 宀3/ b 2 十 ab / b 宀33(2£ V 4£2 £ 12(2£+ W J r 3 |V u |2d x 1^2£(J r 3 |u |6d x ) 3护(J r 3 |V u |2d xMJ r 3 |u |6d x )■ s ________________________12 (b S 2 + 7b 2S 4 + 4a£S )J + 4a£ I 2⑵11)另一方面，关于Sobolev 常数S ，设U o 是满足|U o |6 = 1的达到S 的函数，那么存在唯一的 t u o > 0使得t u o U o 满足(2.10)式*因此，通过计算，有|V U o |2d x +12t U 。

具Sobolev临界增涨的椭圆型偏微分方程解的存在性

３７６
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ —８３９５．２０１３．０３．０１３
本文主要研究对象是具临界指数的椭圆方程解的存在性问题，它属于非线性微分方程的领域．非线性微分方程是非线性科学的主要研究方向，在微分几何、数学物理、生态学、经济学和工程技术中有广泛的应用¨ ］．椭圆方程不管是Ｓｏｂｏｌｅｖｌ临界
∈ ａ，
其中，ｇ（，ｔ）是具Ｓｏｂｏｌｅｖ临界增涨项，力∈Ｒ（ Ⅳ≥
间．由珥（）的正交分解性
砩（）＝Ｅ（Ａ）ｏＥ（Ａ），
Ｅ（Ａ）＝Ｅ（Ａ）④ Ｅ（Ａ，）① …
得Ｍ＝＋．
半线性椭圆方程Ｄｉｉｆｃｈｌｅｔ问题：
『一Ａｕ＝Ａ１ “＋ｇ（， “ ）， ∈ ，，１、
则Ｄｉｉｆｃｈｅｔ问题（２）在（力）中至少存在一解．
证明由文献０１３年５月
第３６卷
第３期
四川师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅ￣ｉｔｙ（ＮａｔｕｒｌａＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｍａｙ，２０１３
Ｖ０１．３６．Ｎｏ．３
具Ｓｏｂｏｌｅｖ临界增涨的椭圆型偏微分方程解的存在性
王雄瑞
（宜宾学院数学学院，四川宜宾６４４００７）

带有超临界增长指数的半线性椭圆方程的全局极小解

第２卷第５１期
２１年９００月
陇东学院学报
Ｊｍｌｆｏｇ０ｇＵｉｒｔｏａｏＬｎｄｎｎｅｉｕｖｓｙ
Ｖｏ．Ｎ．１２１ｏ５
Ｓｐ．２０１ｅ０
带有超临界增长指数的半线性椭圆方程的全局极／解Ｊ、
ｌ
其中是中的有界光滑区域，表示的边界存在常数
，） ≤ Ｃ１＋ｃ，ＶＵ ∈ Ｒ２ｌＩＭ
（．１３）
收稿日期：００５０２１－－５０作者简介：赵辰（９４）女，肃庆阳人，教，１８一，甘助主要从事高等数学教学与研究
１Ｏ
陇东学院学报
第２卷ｌ
记，）１ｌ＋＿Ｉ一Ｆ，ｄ：Ｇ，）Ｖ（）．（＝【 “ Ｉ厶（ｕｘ（））ｘ）（，ｕ
ｃａｎａ｛０一，ｘＱ ’ｓｏｅｍｈｍｉｉｉｉＵｒｌｌｒＩｕｔｎｎｔ－。ｕ ∈．～ａｕｄｏｄｉｉｏｅｙｃ＝：Ａ ’ ａｗｎｏｏｎｄｓｔａｎｂ
Ｒ．ｓａＣａａｈｏｏｙｆｎｔｎａｄｓｏｄａｏｈｅｏｄｖｒａｅ．Ｗห้องสมุดไป่ตู้ｅｐｏｅｔｔｆｒａｙＡ ∈ Ｒ。ｆｉｒｔｅｄｒｕｃｉｎｉｄｂｕｔｔｅｓｃｎａｉｂｌｏｒｖｈａｏｎ
ｔｅｅｅｉｔｏｕｉｎｗｈｃｏｒｓｏｄｉｇｔｅｇｏａｉｍｉｅｏｈｕｃｉｎ１ｈｒｘｓｓａｓｌｔｉｈｃｒｅｐｎｎｈｌｂｌｍｎｉｚｆｔｅｆｎｔａ．ｏｏ

非线性椭圆型方程

非线性椭圆型方程
非线性椭圆型方程是一类重要的研究深层数学方程的数学理论。

它的几何表达式是最常见的，可以用来描述多种直线和曲线，在线性代数、几何学、机器学习、计算机图形学、知识工程等多个领域有广泛的应用。

首先，我们来介绍一下什么是非线性椭圆型方程。

非线性椭圆型方程是一种比较复杂的数学模型，它在数学上就是一个椭圆的方程，但是它有比一般椭圆方程更复杂的结构。

它在椭圆方程的基础上，加入了一些非线性的元素，使得它的形式变得更加复杂。

其次，我们来看一下非线性椭圆型方程的几何表示。

一般来说，非线性椭圆型方程的几何表示式为：
F(x,y)=ax^2+by^2+cxy+dx+ey+f=0，其中a,b,c,d,e和f是常量。

它们可以映射出各种直线和曲线，比如圆、椭圆、抛物线等。

再次，我们来看一下非线性椭圆型方程的应用。

非线性椭圆型方程有着广泛的应用领域，比如线性代数、几何学、机器学习、计算机图形学、知识工程等。

在线性代数中，它可以用来求解系统方程，或者求解向量空间等问题；在几何学中，它可用来处理各种几何舞台上的问题，如求解相对于其他确定性几何图形的不同类型图形；在机器学习中，它可以用来表达分类问题，建立模型，或者进行参数估计；在计算机图形学中，它可以用来模拟物体的表面，绘制3D图形；在知识工程中，它可以用来处理不同类型的数据，如文本数据、文档数据和语音数据等。

最后，我们来总结一下，非线性椭圆型方程是一种比较复杂的数学模型，其几何表示可以映射出各种直线和曲线，并且有着广泛的应用领域，如线性代数、几何学、机器学习、计算机图形学、知识工程等，可以用来求解系统方程、表达分类问题、模拟物体表面、处理不同类型的数据等。

带第一特征值的具临界指数的拟线性椭圆方程非平凡弱解存在的一个必要条件

维普资讯
第２２卷第３期
２０年６月０２
黄冈师范学院学报
ＪｕｎｌｏａｇａｇＮｏｍａｎｖｒｉｙｏｒａｆＨｕｎｇｎｒｌＵｉｅｓｔ
ＶＯ１２２ＮＯ．３．
ｔｒｔｃｌＳｈｅｃｉｉａｏｂｏｅｘｐｏｎｓ，ｗａｉｅｌｖｅｎｅｔｓｇｖｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｓ —ｉａｌｉｉｑｔｏｎ；ｒｔｃｌＳｏｕａｉｌｎｅｒｅｌｐｔｃｅｕａｉｃｉｉａｂｏｌｖｅｏｎｎｔｆｒｔｅｇｎｖｌｆｔ — ｐｌｃａｅｘｐｅ；ｉｓｉｅａｕｅｏｈｅＰＩａａｉｎ
设Ｑ为Ｒ中的有界光滑区域，Ｕ＝ｄｖ１Ｄｕ为ＰＬｐａｅ算子，＜ｐ：ｉ（Ｄｕｌ） — ａｌｃｌ＜Ｎ．众所周知，对
椭圆边值问题：
ｆ △ＵｇｚＵ，Ｑ中，一ｐ— （，）在
，
ＩｏＱ “ ，上，一在ａ
（中的第一特征值．Ｑ）但是，当 — 时，方程：即
ｊ “ “ “ ｌ “在Ｑ一一ｌ＋ “ ，中ｌｌ
【一０Ｕ，在ａ上，Ｑ
ｒ９、
其非平凡解存在性问题，即使Ｐ一２时也尚未知．因为此时出现了共振现象，况比较复杂．情由文献［，３Ｔｈ．］们知道，Ｑ为有界光滑区域时，程（）１１我当方１右边ｇｘ，）ｌｌ “ （ “ 一 “ ＋低阶有界挠动项，满足且

二阶非线性椭圆型方程无界域上的斜微商问题

… 、 …
假设（．）１１满足下列条件：条件ｃ１）对于几乎所有点＝ ∈Ｄ， ∈Ｃ，＝，，．（，，），，）于Ｑ（，）Ａ＝“ （一１２３２对于百上的全部连续函数 “＝，＝和全部可测函数）。，）（）（） ∈Ｌ（上述函数在百）Ｄ是可测的，并且满足ＬＡ０，，，］＾，，Ａ，）西］＾，［ｌ “∞）Ｄ ≤ 。 ± ２，， ≤ 。－［
整数
ｋ＝去￣ａｇ（）ｒｒ２ｚ，
一
（．）１６
称为问题Ｐ的指标．因为当指标＜Ｏ时，问题Ｐ不可解，当 ≥ ０时问题Ｐ的解未必唯而
．
因此我们研究如下具有修正边界条件的适定问题Ｐ．称它为问题Ｑ．问鹿Ｑ要求寻找复方程；Ｆ（，，，）Ｆ — Ｒ［Ａｌ＝ｚ“ ，ｅＱｗ＋］＋Ｅ／＋Ａ３Ａ２．６，（＿）１７（．）１８
几乎处处成立于Ｄ，此处（）＜１是一个非负常数，是一个正常数ｅ现在我们表述斜微商问题，Ｐｉｃｒ即ｏｎａｅ边值问题如下
・收祷日期｜９￣０ —９修订日１９６２，期００Ｏ —７２０一１０基金项目，国家自然科学基垒资助（９７０８Ｉ１７１６）河北省及河北者教育厅基金资助
‰］＋阳１）（ “＝ｄ（）Ｅｒ，，２
（．）１４
这里是ｒ＝ａＤ上任何点的任意单位向量，（）Ｏ（，－ｉｓ）Ⅱ（）ｄ（）＝ＣＳ）ｃ（，Ｉ】２和：是ｏ已知函数，们满足条件它

非线性分析和半线性椭圆型问题

非线性分析和半线性椭圆型问题科学中的许多问题是通过非线性偏微分方程来描述的，然而这些微分方程是很难求解的，利用拓扑和变分形成的非线性分析方法却能够解决这些问题。

本书就是由拓扑方法和变分方法组成的求解半线性椭圆型问题的非线性分析方法。

书中论述了分岔理论、界点理论和椭圆型偏微分方程等基本问题，给出了偏微分方程研究领域的最新研究成果。

全书由五大部分组成。

第一部分预备，主要有微分学、函数空间、Nemitski算子和椭圆型方程；第二部分拓扑方法，主要内容有分岔理论、分岔的定义和必要条件、Lyapunov-Schmidt约化、单特征值的分岔、Brouwer拓扑度及其属性、Brouwer不动点定理、Leray-Schauder拓扑度及其在椭圆型方程中的应用、Leray-Schauder不动点定理、Krasnoselski分岔定理、拓扑度的全局性质、同伦不变性的改进及其在具有下解和上解的边值问题中的应用、Rabinowitz全局分岔定理、渐近线性椭圆型问题的正解和分岔；第三部分变分方法之一，主要叙述了Hilbert空间和Banach空间上的泛函极值点的存在性、梯度、线性特征值、约束临界点、微分流形、余维数为1的流形、自然约束、次水平集变形、最速下降流、变形与紧性、Palais-Smale条件、约束极小值的存在性及其在超线性Dirichlet问题中的应用、鞍点和极小一极大方法、山路定理及其应用、环绕定理、Pohozaev恒等式；第四部分变分方法之二，包含的内容有Lusternik-Schnirelman类、Lustemik-Schnirelman定理、对称流形偶泛函的临界点、Krasnoselski亏格、临界点的存在性、偶无界泛函的多重临界点及其在Dirichlet边值问题中的应用、上的半线性椭圆型方程的径向解、具有临界指数的边值问题、具有凹凸非线性项的椭圆型问题、Morse理论、代数拓扑的基本内容、Morse不等式、变分算子的分岔和山路界点的Morse指数；第五部分是五个附录，第一个附录给出了椭圆型问题解的对称结果、分类和先验性估计；第二个附录是集中紧支性原理，给出了P.L.Lions在无紧支性的情况下所得到的结果及其在半线性椭圆型问题的应用；第三个附录是R上的分岔问题，叙述了R上在特征值存在的条件下的分岔问题、本质谱产生的分岔；第四个附录是理想流体中涡流环，给出了问题的描述和全局存在性结果；第五个附录是扰动方法，了扰动法在椭圆型问题中的应用、非线性SchrtMinger方程的半典型状态、奇异扰动Neumann问题和偶泛函的扰动。

全空间上具有临界指数的Kirchhoff类方程无穷多个正解的存在性

全空间上具有临界指数的Kirchhoff类方程无穷多个正解的存在性丁凌;汪继秀;肖氏武【摘要】研究了全空间上具有临界指数的广义的非线性Kirchhoff类方程,在给定参数和空间维数的不同范围内,用各种分析技巧,得到了方程无穷多个正解的存在性结果.%Kirchhoff-type equations with critical exponents in the whole space were investigated.Under the suitable ranges of parameters and space dimension and by using some analysis techniques,the existence results of infinitely many positive solutions were obtained.【期刊名称】《南昌大学学报（理科版）》【年(卷),期】2017(041)005【总页数】4页(P414-417)【关键词】Kirchhoff类方程;临界指数;最优常数【作者】丁凌;汪继秀;肖氏武【作者单位】湖北文理学院数学与计算机科学学院,湖北襄阳 441053;湖北文理学院数学与计算机科学学院,湖北襄阳 441053;湖北文理学院数学与计算机科学学院,湖北襄阳 441053【正文语种】中文【中图分类】O176.3考虑全空间RN上具有临界指数的Kirchhoff类方程：(1)其中当a=1,b=0时，方程(1)变成下列典型的临界指数的椭圆方程：(2)由文献[1-2]知，对任意的ε>0和y∈RN，(3)是方程(2)的所有正解。

用S表示Sobolev空间D1，2(RN)嵌入到Lebesgue空间L2*(RN)的最优常数，即其中分别是Sobolev空间D1,2(RN)和Lebesgue空间Lp(RN)(p∈[2,2*])上的范数，并且(3)式中定义的uε,y满足(4)研究临界指数的Kirchhoff类方程正解的存在性有很多文献[3-6]。

大学数学实验基础知识整理(清华大学)

Contents差分方程和数值微分实验 (4)1.1 差分方程的基本定义 (4)1.2 一阶线性常系数差分方程 (4)1.3高阶线性常系数差分方程 (4)1.4 线性常系数差分方程组 (5)1.5 非线性差分方程 (5) (6)1 插值与拟合 (6)1.1 插值与拟合的基本概念 (6)1.2 三种插值方法 (6)2 数值积分 (8)2.1 数值积分的基本思路 (8) (8) (10)常微分方程的初值问题 (10)2.初值问题的数值解法 (10)2.1 欧拉方法 (10)2.2 龙格-库塔方法 (11)常微分方程组和高阶方程初值问题的数值方法 (11)2.3 龙格-库塔方法的MATLAB实现 (12)2.4 算法的收敛性、稳定性分析 (12)刚性现象与刚性方程 (13) (13)线性代数方程组的一般形式和解法 (13)2.求解线性代数方程组的直接法 (13)2.1 高斯消元法 (13)2.2 LU分解 (14)2.3 解的误差分析P95 (14)3.求解线性代数方程组的迭代法 (15)3.1 雅可比迭代法 (15)3.2 高斯-赛德尔迭代法 (15)3.3 迭代法的收敛性和收敛速度 (15)3.4 超松弛迭代 (16)4.超定线性代数方程组的最小二乘解 (16)4.1 超定线性方程组的概念 (16)4.2 最小二乘准则 (16)4.3 最小二乘解 (16)4.4 基函数的选取 (17) (17) (17)1 非线性方程(组)的定义及特点 (17)2 非线性方程的基本解法 (18)2.3 牛顿法 (19)3 非线性方程组的牛顿法、拟牛顿法 (19)4 用MATLAB工具箱解非线性方程(组) (20)4.1 fzero的基本用法 (20)4.2 fsolve的基本用法 (21)的基本用法 (22) (23)1．无约束优化的基本原理、解法 (23)1.1 无约束优化的一般形式 (23)1.2 最优性条件 (23)1.3 下降法的基本思想 (23)1.4 用MATLAB优化工具箱解无约束优化问题 (23)2．非线性最小二乘拟合的基本原理、解法 (25)2.1 非线性最小二乘拟合问题 (25)2.2 非线性最小二乘拟合问题的解法 (25)用MATLAB优化工具箱解非线性最小二乘拟合问题 (26) (27)11.线性规划的基本原理、解法 (28)1.1 线性规划的图解法 (28)1.2 线性规划的标准形 (28)1.3基本可行解 (28)1.4 线性规划的基本性质 (28)1.5 单纯形法的基本思路 (28)1.6 线性规划解的几种可能 (29)1.7 用MATLAB优化工具包解线性规划 (29)2.非线性规划的基本原理、解法 (31)2.1 非线性规划的一般形式 (31)2.2 可行方向与下降方向 (31)2.3 最优解的必要条件 (31)2.4 二次规划的一般形式 (32)2.5 二次规划的有效集方法 (32)2.6 用MATLAB优化工具包解二次规划 (33)2.7 非线性规划的解法 (34)优化工具包解非线性规划 (34) (36)1 统计的基本概念 (36)2 频数表和直方图 (37)3 统计量 (37)4 统计中几个重要的概率分布 (38)4.1 分布函数、密度函数和分位数 (38)4.2 统计中几个重要的概率分布 (38)4.3 MATLAB统计工具箱(Toolbox\Stats)中的概率分布P246 (39)5 正态总体统计量的分布 (39)6. 用随机模拟计算数值积分 (40)6.1两种方法 (40)统计推断 (40)1、参数估计 (40)概述 (40)1.1 点估计 (41)1.2 点估计的评价标准 (41)1.3 总体均值的区间估计 (42)1.4 总体方差的区间估计 (44)1.5 参数估计的MATLAB实现 (44)2、假设检验 (45)概述 (45)2.1 均值的假设检验 (45)2.2 方差（或标准差）的假设检验 (46)2.3 两总体的假设检验 (46)2.4 0-1分布总体均值的假设检验 (47)2.5 总体分布正态性检验 (47)2.6 假设检验与Matlab命令汇总 (49)差分方程和数值微分实验1.1 差分方程的基本定义差分方程是在离散时段上描述现实世界中变化过程的数学模型。

2. 在CAESAR II中如何解决非线性不收敛问题-Richard Ay

运行计算失败
在CAESAR II中如何解决非线性不收敛问题
© Intergraph 2015
在CAESAR II中出现过如下的窗口吗?
© Intergraph 2015
这是一个产生相关问题的模型:
© Intergraph 2015
背景
CAESAR II 非线性边界条件

管道标准中介绍了一些关于非线性的管架边界条件 B31.3 最近在附录中添加了两例参考文献

OLD STATE / NEW STATE OPEN / CLOSED – OPEN 表明线性约束在迭代中去除， CLOSED 表明线性约束在迭代中包含 POS / NEG 显示当前约束作用的方向 SLIDING / NOT SLIDING 定义摩擦的影响

SLIDING 应用了一个与滑动方向相反的摩擦力 NOT SLIDING 增加了两个与计算的法向力正交的两个约束 SLIDING 后面可能会出现 “ERR=”，表明该与上一次迭代相比，摩擦的变化超出了容许范围（默认为15%）

CAESAR II 的尝试求解，以保证所有的非线性条件都要满足每个载荷工况。 CAESAR II 将进行迭代计算，直到得到所有非线性条件的线性K值 (& 调整后的F)

一些程序无法求解非线性 CAESAR II 在检查时允许一定的偏差
© Intergraph 2015
这边是管道单元的刚度矩阵
© Intergraph 2015
计算时出现的不收敛窗口– 交互式控制
收敛过程是可控的
点击 F3，可以改变当前的摩擦迭代公差值

调整Normal Load Variation (默认= 15%) 和 Friction Angle ( 默认= 15 degrees)到合适的值。这可能对解决当前的迭代是十分有用的如果这是最终的分析，我不太赞成使用该方法。你对这一个单独迭代过程设置的更改，可能改变结果。( 建议改变程序设置替代该方法)

数学中的非线性偏微分方程与方法论

总结
物理意义
非线性偏微分方程是描述自然界中很多现象的数学模型，具有重要的物理意义。
数学难题
应用前景
研究进展
非线性偏微分方程的数学性质复杂，相关的数学难题是数学家们研究的重点之一。
非线性偏微分方程在物理学、工程学等领域具有广泛的应用前景，对于理解和解决实际问题具有重要意义。
目前关于非线性偏微分方程的研究进展迅速，涉及到数值方法、理论分析等多个方面。
数学难题和研究进展
Navier-Stokes方程的非线性性质导致了很多数学难题，目前研究仍在进行中，取得了一些进展。
S c h r öd i n g e r 方程
01 量子力学中的地位和作用
量子力学是描述微观粒子行为的重要理论，而Schrödinger方程是量子力学的基础方程之一。
02 波函数解释和统计物理学意义
非线性反应-扩散方程的数值解法
非线性反应-扩散方程是描述许多物理现象的重要数学模型。在数值模拟中，我们需要考虑扩散系数和反应速率对解的影响。误差分析和收敛性检验是评估数值解法有效性的重要步骤。
非线性波动方程的数值模拟
有限差分离散
离散化过程
波的传播和干涉
现象分析
稳定性分析
数值模拟性质
● 04
第四章非线性偏微分方程的解析理论
非线性偏微分方程的解的存在性定理
01 Leray-Schauder定理
解的存在性和唯一性
02 Sobolev空间
在存在性定理中的应用
03 解的存在性与正则性
关系及应用
拉普拉斯算子的谱理论
本征函数
描述性质
谱理论应用

一类非线性椭圆型问题爆炸解的存在性与全局最优估计

４ ‘。；ｕ＝，）Ⅳ 当）Ｐ∈（，］ＤｎｉＩ１２时，ｙｋ … ｎ
揭示了被称为超扩散的某些马尔可夫过程的命中概率和问题（）１的最大解之间的关系；根据概率表示理论，ａ＿证明了：Ｐ＝，的边界不ｌＧｌ１ｅｌ副当２力
—
位势，在具有负的曲率常数的黎曼曲面理论和自
守函数理论的研究，稳定约束随机控制问题，随机过程中的超扩散过程，微分几何问题，基本的Ｌｇｔ模型，ｏｉｉｓｃ化学反应中的高速扩散问题，气体
亚音速运动等诸多实际问题．
（）（） ‘ ’ ＝（ｖＪ一２／ｄ（）Ｊ（ｖ７７）
最优估计．
） ∈力，Ｉ＝＋ａ，加。解的存在性和渐近行为的全局
关键词：非线性椭１型方程；１爆炸下解；爆炸上解；存在性；渐近行为
中图分类粤：０１５２７．交献标识码！Ａ
１引言和主要结果
考虑问题
Ａｕ，Ｅ力，／ｌａ２＝＋ａ（）ｕ＝）／ｒ，。，１
摘要满：）志＜ ∈，＝（＝志＜，：足＝Ｒ志ａ）仁。ａ或。
￡０＝，）八￣（（ａ）有，造炸解爆下，＞ｆ ∞且ｔｄＲ或０、上界构爆上和炸解，ｓ，。）
得到了非线性椭圆型问题Ａｕ＝
维普资讯
第２Ｏ卷第１期
２００７年１月
烟台大学学报（自然科学与工程版）
ＪｕａｏａｔｎｖｒｉＮｔａＳｉｎｅａｄＥｇｅｒｇＥｉｏ）ｏｒｌｆｎａＵｉｓｙ（ａｒｌｃｅｃｎｎｉｅｎｄｔｎｎＹｉｅｔｕｎｉｉ

变指数Sobolev空间在椭圆型微分方程中的应用

变指数Sobolev空间在椭圆型微分方程中的应用随着自然科学和工程技术中许多非线性问题的不断出现, Sobolev空间表现出了其应用范围的局限性.例如,对一类具有变指数增长性条件的非线性问题的研究.具有变指数增长性条件的非线性问题是一个新兴的研究课题.在对这类非线性问题进行研究时,变指数Lebesgue空间及Sobolev空间发挥着重要的作用.在本文中,我们主要以变指数Sobolev空间W1,p(x)(?)为背景,研究了一类具变分结构的椭圆型p(x)-Laplace方程(组)及半变分不等式,其中? ? RN.由于指数p(x)为函数, p(x)-Laplace算子较之p-Laplace具有更为复杂的非线性性.例如, p(x)-Laplace算子是非齐次的.这就使得在常指数情形下使用的研究方法对于变指数情形不再适用.在本文中,我们先在较为宽松的增长条件下对能量泛函的性质进行了讨论,然后结合变分的方法研究了此类p(x)-Laplace非线性问题的解.本文的主要内容如下:1.对一类具有次临界增长阶的p(x)-Laplace方程弱解的研究.首先,我们通过求与p(x)-Laplace方程相关的能量泛函φ的全球极小值点,得到了φ的一个非平凡临界点u0∈W1,p(x)(RN),从而得到了方程在RN上非平凡弱解的存在性.然后,基于一类对称的山路定理,我们得到了泛函φ的一列能量值趋于无穷的临界点{un} ? W1,p(x)(RN),进而得到了方程在RN上弱解的多重性.最后,通过上下解的方法,我们在有界域?上得到了方程弱解的一个分支结果.2.对一类具有次临界增长阶的p(x)-Laplace方程组弱解的研究.我们主要基于一类强不定泛函的临界点定理,得到了与方程组相关的能量泛函I的一列能量值趋于无穷的临界点{(un, vn)} ? W01 ,p(x)(?)×W01 ,p(x)(?),进而得到了此方程组Dirichlet边值问题在有界域?上弱解的多重性.3.对一类具有临界指数的p(x)-Laplace方程弱解的研究.首先,推广了Sobolev空间上的一类集中紧致性原理,我们在变指数Sobolev空间W1,p(x)(RN)上建立了集中紧致性原理.然后基于此集中紧致性原理,并结合对称的山路定理,我们得到了泛函φ的一列径向对称且能量值趋于无穷的临界点{un} ? W1,p(x)(RN),从而得到了方程在RN上弱解的多重性.4.对一类具有次临界增长阶的p(x)-Laplace半变分不等式的研究.在这部分中,主要基于一类不可微泛函的临界点理论,我们对与半变分问题相关的局部Lipschitz连续泛函φ的临界点进行了研究.进而分别在?为RN的有界及无界域的情况下,证明了此不等式至少有一个非平凡的解u0∈W01 ,p(x)(?).本文所得的结论是相应的p-Laplace问题结论的推广.另外,从本文结论的证明过程中,我们也可以看出具变指数增长性条件的非线性问题与常指数情况的不同.。

二阶椭圆型偏微分方程

表
课程名称：二阶椭圆型偏微分方程
课程代码：011.559
英文名称：Elliptic Partial Differential Equations of Second Order
课程类型：√讲授课程□实践（实验、实习）课程□研讨课程□专题讲座□其它
考核方式：考试
教学方式：讲授
适用专业：基础数学,应用数学,计算数学
专家组长
专家2007年12月25日
§1.3Fredholm二择一定理
§1.4弱解的极值原理
§1.5弱解的正则性
第二章Schauder理论
§2.1 Hölder空间，磨光核
§2.2位势方程解的估计
§2.3Schauder内估计
§2.4Schauder全局估计
§2.5古典解的极值原理
§2.6Dirichlet问题的可解性
第三章理论
§3.1 Marcinkiewicz内插定理
学习和掌握二阶椭圆型正则性的基本理论和基本技巧。熟悉二阶椭圆型方程的基本解、位势理论、极值原理和二阶椭圆型算子的特征理论。掌握边值问题古典解和弱解的可解性和弱解的正则性。为继续学习应用数学和基础数学的其他课程创造条件。
教学大纲：（章节目录）
第一章理论
§1.1 Lax-Milgram定理
§1.2椭圆型方程的弱解
适用层次：硕士√博士□
开课学期：秋
总学时/讲授学时：48/48
学分：3
先修课程要求：实变函数，泛函分析，常微分方程，偏微分方程
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
韩淑霞
讲师
应用数学
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偏微分方程
杨茵
教授
应用数学

临界问题物理经典模型

临界问题物理经典模型临界问题是物理学中的一个经典问题，指的是一个系统在某个特定的参数变化下由一个状态转变为另一个状态的临界点。

在物理学中，临界问题通常指的是相变问题，也就是当一个物质的温度、压力、密度等参数发生变化时，它会从一个相态转变到另一个相态的临界点问题。

临界问题在理论物理、统计物理等领域中有着广泛的应用和研究。

在物理学中，许多系统都具有临界性质，其中最典型的就是液体-气体相变和磁性相变。

这类系统的一般特点是在一个临界点附近，相变现象变得非常剧烈，因此需要有一种模型来描述相变过程。

在物理学中，一个经典的模型是Ising模型，它是用于描述磁性相变的一种模型，可以帮助我们更好地理解相变现象。

Ising模型最初由德国物理学家Ising于1925年提出，它是一种简化的模型，用于研究磁性材料中磁场引起的自旋取向改变现象。

该模型中的自旋只能取两个值：向上或向下，它们与周围自旋的相互作用会导致自旋的取向变化。

在Ising模型中，磁性相变通常发生在某个特定的临界温度下，当温度超过这个临界温度时，系统从有序到无序相变，从而导致磁性的消失。

除了Ising模型之外，还有其他一些经典模型用于描述相变现象，比如Potts模型、XY模型等。

这些模型都有着自己独特的数学形式和物理特性，可以帮助我们更好地理解相变过程。

在研究临界问题时，物理学家通常可以使用这些模型来解决问题，通过计算并预测相变的行为。

总的来说，临界问题是物理学中的一个重要领域，它涉及到相变、相态转变等多个方面。

通过使用适当的模型，我们可以更好地理解并预测这些现象，为相应的实际应用提供理论基础和指导。

(高等数学)偏微分方程

第十四章偏微分方程物理、力学、工程技术和其他自然科学经常提出大量的偏微分方程问题.由于实践的需要和一些数学学科（如泛函分析，计算技术）的发展，促进了偏微分方程理论的发展，使它形成一门内容十分丰富的数学学科.本章主要介绍一阶偏微分方程、线性方程组及二阶线性偏微分方程的理论.在二阶方程中，叙述了极值原理、能量积分及惟一性定理.阐明了一些解的性质和物理意义，介绍典型椭圆型、双曲型、抛物型方程的常用解法：分离变量法，基本解，格林方法,黎曼方法,势位方法及积分变换法.最后，扼要地介绍了有实用意义的数值解法：差分方法和变分方法.§1 偏微分方程的一般概念与定解问题[偏微分方程及其阶数] 一个包含未知函数的偏导数的等式称为偏微分方程.如果等式不止一个，就称为偏微分方程组.出现在方程或方程组中的最高阶偏导数的阶数称为方程或方程组的阶数.[方程的解与积分曲面] 设函数u 在区域D 内具有方程中所出现的各阶的连续偏导数，如果将u 代入方程后，能使它在区域D 内成为恒等式，就称u 为方程在区域D 中的解，或称正规解. ),,,(21n x x x u u = 在n +1维空间),,,,(21n x x x u 中是一曲面，称它为方程的积分曲面. [齐次线性偏微分方程与非齐次线性偏微分方程] 对于未知函数和它的各阶偏导数都是线性的方程称为线性偏微分方程.如()()()()y x f u y x c yuy x b x u y x a ,,,,=+∂∂+∂∂就是线性方程.在线性方程中，不含未知函数及其偏导数的项称为自由项，如上式的f (x,y ).若自由项不为零，称方程为非齐次的.若自由项为零，则称方程为齐次的.[拟线性方程与半线性方程] 如果一个方程，对于未知函数的最高阶偏导数是线性的，称它为拟线性方程.如()()()()()()0,,,,,,,,,,,,22222122211=+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂∂+∂∂u y x c y uu y x b x u u y x a yu u y x a y x u u y x a x u u y x a就是拟线性方程，在拟线性方程中，由最高阶偏导数所组成的部分称为方程的主部.上面方程的主部为()()()22222122211,,,,,,yuu y x a y x u u y x a x u u y x a ∂∂+∂∂∂+∂∂如果方程的主部的各项系数不含未知函数，就称它为半线性方程.如()()()()0,,,,,,2222=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂y yu y x d x y u y x c yu y x b x u y x a就是半线性方程.[非线性方程] 不是线性也不是拟线性的方程称为非线性方程.如1)()1(222=∂∂+∂∂+yux u u就是一阶非线性偏微分方程.[定解条件] 给定一个方程，一般只能描写某种运动的一般规律，还不能确定具体的运动状态，所以把这个方程称为泛定方程.如果附加一些条件（如已知开始运动的情况或在边界上受到外界的约束）后，就能完全确定具体运动状态，称这样的条件为定解条件.表示开始情况的附加条件称为初始条件，表示在边界上受到约束的条件称为边界条件.[定解问题] 给定了泛定方程（在区域D 内）和相应的定解条件的数学物理问题称为定解问题.根据不同定解条件，定解问题分为三类.1︒ 初值问题只有初始条件而没有边界条件的定解问题称为初值问题或柯西问题. 2︒ 边值问题只有边值条件而没有初始条件的定解问题称为边值问题.3︒ 混合问题既有边界条件也有初始条件的定解问题称为混合问题（有时也称为边值问题）.[定解问题的解] 设函数u 在区域D 内满足泛定方程，当点从区域D 内趋于给出初值的超平面或趋于给出边界条件的边界曲面时，定解条件中所要求的u 及它的导数的极限处处存在而且满足相应的定解条件，就称u 为定解问题的解.[解的稳定性] 如果定解条件的微小变化只引起定解问题的解在整个定义域中的微小变化，也就是解对定解条件存在着连续依赖关系，那末称定解问题的解是稳定的.[定解问题的适定性] 如果定解问题的解存在与惟一并且关于定解条件是稳定的，就说定解问题的提法是适定的.§2 一阶偏微分方程一、柯西-柯娃列夫斯卡娅定理[一阶偏微分方程的通解] 一阶偏微分方程的一般形式是0),,,,,,,,(2121=∂∂∂∂∂∂nn x ux u x u u x x x F或()0,,,,,,,211=n n p p p u x x F ，其中()n i x up ii ,,2,1 =∂∂=如解出p 1，可得：p 1 = f (x 1 , x 2 ,…, x n , u , p 2 ,…, p n )当方程的解包含某些“任意元素”(指函数)，如果适当选取“任意元素”时，可得方程的任意解(某些“奇异解”除外)，则称这样的解为通解.在偏微分方程的研究中，重点在于确定方程在一些附加条件(即定解条件)下的解，而不在于求通解.[一阶方程的柯西问题]()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂=n x x n n x x u p p u x x x f x u,,|,,,,,,,22211011 ϕ 称为柯西问题，式中),,(2n x x ϕ为已知函数，对柯西问题有如下的存在惟一性定理.[柯西－柯娃列夫斯卡娅定理] 设 f ( x 1 , x 2 ,, x n , u , p 2 ,, p n ) 在点 ( x 10 , x 20 ,, x n 0 , u 0 , p 20 ,, p n 0 ) 的某一邻域内解析，而),,(2n x x ϕ在点( x 20 ,, x n 0 ) 的某邻域内解析，则柯西问题在点 ( x 10 ,, x n 0 ) 的某一邻域内存在着惟一的解析解.这个定理应用的局限性较大，因它要求f 及初始条件都是解析函数，一般的定解问题未必能满足这种条件.对高阶方程也有类似定理.二、一阶线性方程1．一阶齐次线性方程[特征方程∙特征曲线∙初积分(首次积分)] 给定一阶齐次线性方程在有些书中写作0),,,,,,,,,(121=∂∂∂∂∂∂nn x u x u t u u x x x t F()()0,,,,,,211211=∂∂++∂∂nn n n x u x x x a x u x x x a (1) 式中a i 为连续可微函数，在所考虑的区域内的每一点不同时为零(下同).方程组()n i ix x x a tx ,,,d d 21 = ( i = 1,2,, n ) 或()()()n n n n n x x x a x x x x a x x x x a x ,,,d ,,,d ,,,d 2121222111 === (2)称为一阶齐次线性偏微分方程的特征方程.如果曲线l : x i = x i (t ) ( i =1,2,, n )满足特征方程(2)，就称曲线l 为一阶齐次线性方程的特征曲线.如果函数ψ ( x 1 , x 2 ,, x n )在特征曲线),,2,1()(n i t x x i i ==上等于常数，即ψ ( x 1(t ) , x 2(t ) ,, x n (t ) ) = c就称函数ψ ( x 1, x 2,, x n )为特征方程(2)的初积分(首次积分). [齐次方程的通解]1o 连续可微函数u = ψ ( x 1, x 2,, x n ) 是齐次线性方程(1)的解的充分必要条件是： ψ ( x 1, x 2,, x n )是这个方程的特征方程的初积分.2o 设ψi ( x 1 , x 2 ,, x n ) ( i = 1,2,, n 1-) 是特征方程(2)在区域D 上连续可微而且相互独立的初积分(因此在D 内的每一点，矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂---n n n n n n x x x x x x x x x 121112221212111ψψψψψψψψψ 的秩为n 1-) ，则u = ω ( ψ1 ( x 1 , x 2 ,, x n ) ,, ψn -1 ( x 1 , x 2 ,, x n ) )是一阶齐次线性方程(1)的通解，其中ω为n 1-个变量的任意连续可微函数. [柯西问题] 考虑方程的柯西问题()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂==∑n x x ni i n i x x u x u x x x a ,,|0,,,2121011 ϕ 式中ϕ ( x2 ,, x n )为已知的连续可微函数.设ψi ( x 1 , x 2 ,, x n ) ( i = 1,2,, n 1-) 为特征方程的任意n 1-个相互独立的初积分，引入参变量 i ψ (1,,2,1-=n i )，从方程组()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===--120112201212011,,,,,,,,,n n n n n x x x x x x x x x ψψψψψψ 解出x 2 ,, x n 得()()⎪⎩⎪⎨⎧==--12112122,,,,,,n n nn x x ψψψωψψψω 则柯西问题的解为u = ϕ ( ω2 ( ψ1 , ψ2 ,, ψn -1 ) ,, ωn ( ψ1 , ψ2 ,, ψn -1 ) )2．非齐次线性方程它的求解方法与拟线性方程相同.三、一阶拟线性方程一阶拟线性方程为()()∑==∂∂ni n i n i u x x x R x uu x x x a 12121,,,,,,,, 其中a i 及R 为x 1 , x 2 ,, x n , u 的连续可微函数且不同时为零. [一阶拟线性方程的求解和它的特征方程]()()⎪⎩⎪⎨⎧===u x x x R t un i u x x x a t x n n i i,,,,d d ),,2,1(,,,,d d 2121 或()()()u x x R uu x x a x u x x a x n n n n n ,,,d ,,,d ,,,d 11111 ===为原拟线性方程的特征方程.如果曲线l : x i = x i (t ) ( i =1,2,, n ) , u = u (t ) 满足特征方程，则称它为拟线性方程的特征曲线.设 ψi ( x 1 ,, x n ,u ) ( i = 1,2,, n ) 为特征方程的n 个相互独立的初积分，那末对于任何连续可微函数ω，ω ( ψ1 ( x 1,, x n , u ) , ψ2 ( x 1,, x n , u ) ,, ψn ( x 1,, x n , u ) ) = 0都是拟线性方程的隐式解.[柯西问题] 考虑方程的柯西问题()()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂==∑n x x ni n i ni x x u u x x x R x u u x x x a ,,|,,,,,,,,212121011 ϕ ϕ为已知的连续可微函数.设 ψ1 ( x 1 , x 2 ,, x n , u ) ,, ψn ( x 1 , x 2 ,, x n , u ) 为特征方程的n 个相互独立的初积分，引入参变量 n ψψψ,,,21 , 从()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===nn n n n u x x x u x x x u x x x ψψψψψψ,,,,,,,,,,,,2012201212011解出 x 2 ,, x n , u()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===n n n n n u x x ψψψωψψψωψψψω,,,,,,,,,21212122 则由()()()()()()()0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2121221221121=-≡n n n n n n u x x x u x x x u x x x V ψψψωψψψωϕψψω给出柯西问题的隐式解.四、一阶非线性方程[完全解·通解·奇异解] 一阶非线性方程的一般形式为()()n i x up p p p u x x x F ii n n ,,2,10,,,,,,,,2121 =∂∂== 若一阶偏微分方程的解包含任意n 个独立的常数，则称这样的解为完全解(全积分). 若V ( x 1, x 2 ,, x n , u , c 1 , c 2,, c n ) = 0为方程的完全解，从()n i c VV i,,2,10,0 ==∂∂= 消去c i ，若得一个解，则称它为方程的奇异解(奇积分).以两个独立变量为例说明完全解与通解、奇异解的关系，设方程()yzq x z p q p z y x F ∂∂=∂∂==,,0,,,,有完全解V (x ,y ,z ,a ,b )=0 ( a ,b 为任意常数),则方程等价于从方程组()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂=0,00,,,,q z Vy V p z V x V b a z y x V 消去a ,b 所得的方程.利用常数变易法把a ,b 看作x , y 的函数，将V (x ,y ,z ,a ,b )=0求关于x , y 的偏导数，得00=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂+∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂+∂∂ybb V y a a V q z V y V xbb V x a a V p z V x V那末0,0=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂yb b V y a a V x b b V x a a V 与V=0联立可确定a ,b .有三种情况：1︒ 0≡∂∂≡∂∂bVa V ，将其与V (x ,y ,z ,a ,b )=0联立可确定不含任意常数的奇异解. 2︒ 如0=∂∂=∂∂=∂∂=∂∂yb x b y a x a ，即回到完全解. 3︒ 当0/,0/≡∂∂≡∂∂b Va V 时，必有()()0,,=∂∂y x b a ，这时，如果不属于情形2︒ ，则a 与b 存在函数关系：b=ω(a )，这里ω为任意可微函数，并从方程V (x ,y ,z ,a ,b )=0和()∂∂∂∂ωV a Vba +'=0消去a ,b ，可确定方程的通解.定理偏微分方程的任何解包含在完全解内或通解内或奇异解内. [特征方程·特征带·特征曲线·初积分] 在一阶非线性方程：()F x x x u p p p n n 12120,,,,,,,, =中，设F 对所有变量的二阶偏导数存在且连续，称()n i uFp x F t p p F p t u p Ft x i i i ni iii i ,,2,1)(d d d d ,1 =∂∂+∂∂-=∂∂=∂∂=∂∂∑=或u F p x F p u F p x F p p Fp up F x p F xp F x n nnni i i nn ∂∂+∂∂-==∂∂+∂∂-=∂∂=∂∂==∂∂=∂∂∑=d d d d d d 11112211为非线性方程的特征方程.设特征方程的解为x i =x i (t ), u=u (t ), p i =p i (t ) (i =1,2,…,n )称它为非线性方程的特征带.在x 1,x 2,, x n ,u 空间的曲线x i =x i (t ), u=u (t ) (i=1,2,…,n )称为非线性方程的特征曲线.如果函数()n n p p p u x x x G ,,,,,,,,2121 在特征方程的任一解x i =x i (t ) (i =1,2,, n ), u=u (t ), p i =p i (t ) (i =1,2,, n )上等于常数，即()()()()()()()()G x t x t x t u t p t p t p t C n n 1212,,,,,,,, =那末函数()n n p p p u x x x G ,,,,,,,,2121 称为特征方程的初积分.[求完全解的拉格朗日－恰比方法] 考虑两个变量的情况.对于方程F (x ,y ,z ,p ,q )=0，选择使雅可比式()()0,,≠∂∂q p G F 的一个初积分G (x ,y ,z ,p ,q ).解方程组()()F x y z p q G x y z p q a,,,,,,,,==⎧⎨⎪⎩⎪0(a 为任意常数) 得p (x ,y ,z ,a )及q (x ,y ,z ,a ).则方程d z=p d x+q d y的通解V (x ,y ,z ,a ,b )=0(b 是积分d z=p d x+q d y 出现的任意常数)就是方程F (x ,y ,z ,p ,q )=0的完全解.例求方程()z p q x y 22222+=+的完全解.解方程的特征方程为()()()qy x z y qp q p z x p q p z z q z y p z x 22222222222d 22d 2d 2d 2d +-=+-=+== 这里成立zpxx p z z p d d d =+ 所以特征方程的一个初积分为z 2p 2 －x 2 .解方程组 ()()z p q x y z p x a22222222+-+=-=⎧⎨⎪⎩⎪ (a 为任意常数) 得 p a x zq y az=+=-22, 积分微分方程dz a x zdx y azdy =++-22 得完全解z x x a y y a a x x a y y ab 22222=++-++++-+ln(b 为任意常数)[某些容易求完全解的方程] 1︒ 仅含p ,q 的方程F (p ,q )=0G =p 是特征方程的一个初积分.从F (p ,q )=0与p=a (a 为任意常数)得q=ψ(a )，积分d z=a d x+ψ(a )d y得完全解z=ax+ψ(a )y+b (b 为任意常数)2︒ 不显含x ,y 的方程F (z ,p ,q )=0 特征方程为zFqqz F p p q F q p F p z q F y p F x ∂∂-=∂∂-=∂∂+∂∂=∂∂=∂∂d d d d d 因此q d p-p d q =0，显然G qp=为一个初积分，由F (z ,p ,q )=0，q=pa (a 为任意常数)解得p=ψ(z ,a ).于是由d z=ψ(z ,a )d x+a ψ(z ,a )d y得()⎰++=b ay x a z z,d ψ (b 为任意常数)可确定完全解.3︒ 变量分离形式的方程()f x p i i i i n,=∑=10特征方程为n n n n i i iin n n x f p x f p p f p z p f x p f x ∂∂-==∂∂-=∂∂=∂∂==∂∂∑=d d d d d 1111111 可取初积分G i =f i (x i ,p i ) , (i =1,2,, n ).从f i (x i ,p i )=a i (i =1,2,, n )解出p i =ϕi (x i ,a i )得完全解()∑⎰=+=ni i i i i b x a x z 1d ,ϕ式中a i ,b 为任意常数，且a i i n=∑=10.[克莱罗方程] 方程()z p x f p p p i i n i n=+=∑121,,,称为克莱罗方程，其完全解为()z c x f c c c i i n i n=+=∑121,,,对c i 微分得x fc i i=-∂∂ (i =1,2,…,n ) 与完全解的表达式联立消去c i 即得奇异解.例求方程z －xp －yq －pq =0的完全解和奇异解. 解这是克莱罗方程，它的完全解是z=ax+by+ab对a,b 微分，得x=－b,y=－a ，消去a ,b 得奇异解z=－xy[发甫方程] 方程P (x,y,z )d x+Q (x,y,z )d y+R (x,y,z )d z=0 (1)称为发甫方程，如果P,Q,R 二次连续可微并满足适当条件，那末方程可积分.如果可积分成一关系式时，则称它为完全可积.1︒ 方程完全可积的充分必要条件当且仅当P,Q,R 满足条件0)()()(=∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂yP x Q R x R z P Q z Q y R P (2) 时，存在一个积分因子μ(x,y,z )，使d U 1=μ(P d x+Q d y+R d z )从而方程的通解为U 1(x,y,z )=c特别，当0,0,0=∂∂-∂∂=∂∂-∂∂=∂∂-∂∂yP x Q x R z P z Q y R 时，存在一个函数U (x,y,z )满足 zU R y U Q x U P ∂∂=∂∂=∂∂=,,从而 d U=P d x+Q d y+R d z 所以方程的通解为U (x,y,z )=c所以完全可积的发甫方程的通解是一单参数的曲面族.定理设对于发甫方程(1)在某区域D 上的完全可积条件(2)成立，则对D 内任一点M (x,y,z )一定有方程的积分曲面通过，而且只有一个这样的积分曲面通过. 2︒ 方程积分曲面的求法设完全可积条件(2)成立.为了构造积分曲面，把z 看成x,y 的函数(设R (x,y,z )≠0)，于是原方程化为y RQ x R P z d d d --=由此得方程组()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≡-=∂∂≡-=∂∂4,,3,,11z y x Q R Q y z z y x P R P xz发甫方程(1)与此方程组等价.把方程(3)中的y 看成参变量，积分后得一个含有常数 c 的通解 ()cy x z ~;,ϕ= 然后用未知函数()~cy 代替常数 c ，将()()z x y c y =ϕ,;~代入方程(4)，在完全可积的条件下，可得()~cy 的一个常微分方程，其通解为 ()()~,cy y c =ψ c 为任意常数，代回()()z x y cy =ϕ,;~中即得发甫方程的积分曲面 z=ϕ(x,y,ψ(y,c ))由于发甫方程关于x,y,z 的对称性，在上面的讨论中，也可把x 或y 看成未知函数，得到同样的结果.例求方程yz d x+2xz d y+xy d z=0的积分曲面族.解容易验证完全可积条件成立，显然存在一个积分因子μ=1xyz，用它乘原方程得 0d d 2d =++zz y y x x 积分后得积分曲面族xy 2z=c也可把方程化为等价的方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=∂∂-=∂∂y z yz x z xz 2 把y 看成参变量，积分xzx z -=∂∂得通解 zx c= 用未知函数()~cy 代替 c ，将()y c zx ~=代入方程y z y z 2-=∂∂得 ()()yy cy y c ~2d ~d -= 积分后有()~cy c y =2所以原方程的积分曲面族是xy 2z=c五、一阶线性微分方程组[一阶线性偏微分方程组的一般形式] 两个自变量的一阶线性方程组的形式是()n i F u C x u B t u A i n j j ij n j n j jij j ij ,,2,10111 ==++∂∂+∂∂∑∑∑=== 或()n i f u b x u a t u i n j j ij n j j ij i,,2,1011 ==++∂∂+∂∂∑∑== (1) 其中A ij ,B ij ,C ij ,F i ,a ij ,b ij ,f i 是(x,t )的充分光滑函数. [特征方程·特征方向·特征曲线]⎩⎨⎧=≠==-j i j i t xa ij ij ij ,1,0,0)d d det(δδ称为方程组(1)的特征方程.在点(x,t )满足特征方程的方向txd d 称为该点的特征方向.如果一条曲线l ，它上面的每一点的切线方向都和这点的特征方向一致，那末称曲线l 为特征曲线. [狭义双曲型方程与椭圆型方程] 如果区域D 内的每一点都存在n 个不同的实的特征方向，那末称方程组在D 内为狭义双曲型的.如果区域D 内的每一点没有一个实的特征方向，那末称方程组在D 内为椭圆型的. [狭义双曲型方程组的柯西问题] 1︒ 化方程组为标准形式——对角型因为det(a ij -δij λ)=0有n 个不同的实根λ1(x,t ) ,, λn (x,t )，不妨设),(),(),(21t x t x t x n λλλ<<<那末常微分方程()()n i t x txi ,,2,1,d d ==λ 的积分曲线l i (i =1,2,…,n )就是方程组(1)的特征曲线. 方程()()aijk ij k i i n-==∑λδλ1的非零解(λk (1) ,, λk (n ))称为对应于特征方向λk 的特征矢量. 作变换()()n i u v nj jj i i ,,2,11==∑=λ可将方程组化为标准形式——对角型()()()()n i t x v t x a x v t x t v i nj j ij ii i ,,2,1,,,1=+=∂∂+∂∂∑=βλ 所以狭义双曲型方程组可化为对角型，而一般的线性微分方程组(1)如在区域D 内通过未知函数的实系数可逆线性变换可化为对角型的话，(此时不一定要求 λi 都不相同)，就称这样的微分方程组在D 内为双曲型的. 2︒ 对角型方程组的柯西问题考虑对角型方程组的柯西问题()()()()()()n i x x v t x v t x a x v t x tv i inj i j ij i i i,,2,10,,,,1 =⎪⎩⎪⎨⎧=+=∂∂+∂∂∑=ϕβλ ϕi (x )是[a,b ]上的连续可微函数.设αij ,βi ,λi 在区域D 内连续可微，在D 内可得相应的积分方程组()()()n i tv x t x v il i n j j ij i i i ,,2,1d ,~1 =⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰∑=βαϕ 式中 l i 为第i 条特征曲线l i 上点(x,t )与点(x i ,0)之间的一段，(x i ,0)为l i与x 轴上[a,b ]的交点.上式可以更确切地写为()()[]()[]()[]()[]⎰∑⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⋅+==t n j i i i j i ij i i i t x x t x x v t x x a t x x t x v 01d ,,,,,,,,,0,,,τττβττττϕ(i =1,2,, n )式中x i =x i (x ︒,t ︒,t )为过点(x ︒,t ︒)的第i 条特征曲线，利用逐次逼近法可解此积分方程.为此令()()()[]()()()()[]()[]()()[]()[]()()()()[]()[]()()[]()[]()n i t x x t x x v t x x a t x x t x v n i t x x t x x v t x x a t x x t x v n i t x x t x v i i tnj i k j i ij i i k ii i tnj i j i ij i i ii i i ,,2,1d ,,,,,,,,,0,,,,,2,1d ,,,,,,,,,0,,,,,2,10,,,}{}{01101010=+⋅+==+⋅+===⎰∑⎰∑=-=τττβττττϕτττβττττϕϕ序列{v i (k )} (k =0,1,2 ,)一致收敛于积分方程的连续可微解v i (x,t ) (i =1,2,, n )，这个v i (x,t )也就是对角型方程组的柯西问题的解.设在区域D 内对角型方程组的柯西问题的解存在，那末解与初值有下面的关系：(i) 依赖区间：过D 中任意点M (x,t )作特征曲线l 1,l n ，交x 轴于B,A ，称区间[A,B ]为M 点的依赖区间(图14.1(a ))，解在M 点的值由区间[A,B ]的初值确定而与[A,B ]外的初值无关. (ii) 决定区域：过点A,B 分别作特征曲线l n ,l 1,称l n ,l 1 与区间[A,B ]围成的区域D 1为区间[A,B ]的决定区域(图14.1(b ))，在区域D 1中解的值完全由[A,B ]上的初值决定.(iii) 影响区域：过点A,B 分别作特征曲线l 1,l n ，称l 1,l n 与[A,B ]围成的区域D 2为区间[A,B ]的影响区域(图14.1(c )).特别当区间[A,B ]缩为一点A 时，A 点的影响区域为D 3(图14.1(d )).在区域D 2中解的值受[A,B ]上的初值影响，而在区域D 2外的解的值则不受[A,B ]上的初值影响.图14.1[线性双曲型方程组的边值问题] 以下列线性方程组来说明：()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<++=∂∂+∂∂++=∂∂+∂∂2122221111λλλλc v b u a x v t v c v b u a xu t u (1) 1︒ 第一边值问题(广义柯西问题) 设在平面(x,t )上给定曲线段⋂AB ，它处处不与特征方向相切.过A,B 分别引最左和最右的特征曲线l 1及l 2.要求函数u (x,t ),v (x,t )在⋂AB ，l 1及l 2围成的闭区域D 上满足方程组，且在⋂AB 上取给定的函数值(图14.2(a )).2︒ 第二边值问题(古沙问题) 设l 1是过P 点的第一族特征线，l 2是第二族特征线，在l 1的一段PA 上给定v (x,t )的数值，在l 2的一段PB 上给定u (x,t )的数值，过A 点作第二族特征线，过B 点作第一族特征线相交于Q .求在闭区域PAQB 上方程组的解(图14.2(b )).3︒ 第三边值问题设AB 为非特征曲线的曲线弧，AC 为一特征线弧，且在AB 与AC 之间不存在过A 点的另外特征曲线,过C 点作第二族特征线与过B 点的第一族特征线交于E 点，在AC 上给定v (x,t )的数值，在AB 上给定u (x,t )的数值，求ACEBA 所围成的闭区域D 上的方程组的解(图14.2(c)).图14.2[边值问题的近似解——特征线法] 以上定解问题，可用逐步逼近法求解，也可用特征线法求解的近似值.以第一边值问题为例说明.在曲线AB 上取n 个分点A 1,A 2,, A n ，并记A 为A 0，B 为A n +1，过A 0按A 0的第二特征方向作直线与过A 1按A 1的第一特征方向作直线相交于B 0；过A 1按A 1第二特征方向作直线与过A 2按A 2的第一特征方向作直线相交于B 1 ,最后得到B n (图14.3).用如下的近似公式来确定方程组(1)的解u (x,t ),v (x,t )在B i (i =0,1,2,…,n )的数值：()()()()()()(){}()[]()()()()()()(){}()[]u B u A B A a A u A b A v A c A A v B v A B A a A u A b A v A c A A i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -=++⨯+-=++⨯+⎧⎨⎪⎩⎪+++++++--11111111112122212121211λλ图14.3于是在一个三角形网格的节点上得到u,v 的数值.再经过适当的插值，当n 相当大，A i 、A i +1的距离相当小时，就得到所提问题的足够近似的解.[特殊形式的拟线性方程组——可化约系统] 一般的拟线性方程组的问题比较复杂，目前研究的结果不多，下面介绍一类特殊形式的拟线性方程组——可化约系统.如果方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂0022221111x v D t v C x u B tu A xv D t v C x u B t uA 中所有的系数只是u,v 的函数，称它为可化约系统. 考虑满足条件()()0,,≠∂∂t x v u 的方程组的解u=u (x,t ),v=v (x,t ).x,t 可以表示成u,v 的函数，且()()()()()()()()v u t x u t x v v u t x u x t v v u t x v tx u v u t x v x t u ,,,,,,,,,,∂∂∂∂=∂∂∂∂∂∂-=∂∂∂∂∂∂-=∂∂∂∂∂∂=∂∂ 原方程化为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂-∂∂-∂∂=∂∂+∂∂-∂∂-∂∂0022221111u t D u x C v t B vx A ut D u x C v t B v xA 这是关于自变量u,v 的线性方程组.这样就把求拟线性方程组满足()()0,,≠∂∂t x v u 的解，化为解线性方程组的问题.而此线性方程组满足条件()()0,,≠∂∂v u t x 的解，在(x,t )平面上的象即为原来拟线性方程组的解.§3 二阶偏微分方程一、二阶偏微分方程的分类、标准形式与特征方程考虑二阶偏微分方程()0),,,,,,(111,2=∂∂∂∂+∂∂∂∑=nnnj i j i ij x u x u u x x F y x u x a (1) 式中a ij (x )=a ij (x 1,x 2,…,x n )为x 1,x 2,…,x n 的已知函数.[特征方程·特征方向·特征曲面·特征平面·特征锥面]代数方程()01,=∑=nj i jiijaa x a称为二阶方程(1)的特征方程；这里a 1,a 2,…,a n 是某些参数，且有012≠∑=ni i a .如果点x ︒=(x 1︒,x 2︒,…,x n ︒)满足特征方程，即()01,o =∑=nj i jiijaa x a则过x ︒的平面()01o=-∑=nk kk k x x a 的法线方向l :(a 1,a 2,…,a n )称为二阶方程的特征方向；如果一个(n 1-)维曲面，其每点的法线方向都是特征方向，则称此曲面为特征曲面；过一点的(n 1-)维平面，如其法线方向为特征方向，则称这个平面为特征平面，在一点由特征平面的包络组成的锥面称为特征锥面.[n 个自变量方程的分类与标准形式] 在点P (x 1︒,x 2︒,…,x n ︒)，根据二次型()∑=nj i jinijaa x x x a 1,o o 2o 1,,, (a i 为参量)的特征根的符号，可将方程分为四类：(i) 特征根同号，都不为零，称方程在点P 为椭圆型.(ii) 特征根都不为零，有n 1-个具有同一种符号，余下一个符号相反，称方程在点P 为双曲型.(iii) 特征根都不为零，有m n -个具有同一种符号(n >m >1)，其余m 个具有另一种符号，称方程在点P 为超双曲型.(iv) 特征根至少有一个是零，称方程在点P 为抛物型.若在区域D 内每一点方程为椭圆型，双曲型或抛物型，则分别称方程在区域D 内是椭圆型、双曲型或抛物型.在点P 作自变量的线性变换可将方程化为标准形式：椭圆型：∑==+∂∂ni ix u1220Φ双曲型：∑==+∂∂-∂∂n i ix ux u 22120Φ超双曲型：()10112222>>=+∂∂-∂∂∑∑=+=m n x ux u m i nm i ii Φ抛物型：()00122>=+∂∂∑-=m x umn i iΦ 式中Φ为不包含二阶导数的项.[两个自变量方程的分类与标准形式] 方程的一般形式为0,,,,222222122211=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+∂∂+∂∂∂+∂∂y u x u u y x F y u a y x u a x u a (2) a 11,a 12,a 22为x ,y 的二次连续可微函数，不同时为零. 方程a 11d y 22-a 12d x d y +a 22d x 2=0称为方程(2)的特征方程.特征方程的积分曲线称为二阶方程(2)的特征曲线. 在某点P (x 0,y 0)的邻域D 内，根据Δ=a 122－a 11a 12的符号将方程分类：当Δ>0时，方程为双曲型；当Δ=0时，方程为抛物型；当Δ<0时，方程为椭圆型.在点P 的邻域D 内作变量替换，可将方程化为标准形式：（i ）双曲型：因Δ>0，存在两族实特征曲线11),(c y x =ϕ，22),(c y x =ϕ，作变换),(1y x ϕξ=，),(2y x ϕη=和,,ηηξ-=+=s t s 方程化为标准形式),,,,(2222tus u u t s t u s u ∂∂∂∂=∂∂-∂∂Φ或),,,,(12ηξηξΦηξ∂∂∂∂=∂∂∂uu u u （ii ）抛物型: 因Δ=0，只存在一族实的特征曲线c y x =),(ϕ，取二次连续可微函数),(y x ψ，使0),(),(≠∂∂y x ψϕ，作变换),(y x ϕξ=，),(y x ψη=，方程化为标准形式),,,,(222ηξηξΦη∂∂∂∂=∂∂uu u u （iii ）椭圆型：因Δ<0，不存在实特征曲线，设c y x i y x y x =+=),(),(),(21ϕϕϕ为11221121212d d a a a a a x y -+=的积分，y x ϕϕ,不同时为零，作变量替换),(1y x ϕξ=，),(2y x ϕη=,方程化为标准形式),,,,(32222ηξηξΦηξ∂∂∂∂=∂∂+∂∂uu u u u二、极值原理·能量积分·定解问题的惟一性定理椭圆型方程、抛物型方程的极值原理及双曲型方程的能量守恒原理是相应方程的解所具有的最基本性质之一，在定解问题的研究中起着重要的作用. [椭圆型方程的极值原理与解的惟一性定理]1︒ 极值原理设D 为n 维欧氏空间E n 的有界区域，S 是D 的边界，在D 内考虑椭圆型方程()()()()x x x x f u c x ub x x u a Lu ni i i n j i j i ij =+∂∂+∂∂∂≡∑∑==11,2式中a ij (x ),b i (x ),c (x ),f (x )在D 上连续，c (x )≤0且二次型()∑=nj i j i ij a a a 1,x 正定，即存在常数μ>0，对任意x D ∈和任意的a i 有()∑∑==≥ni i nj i jiija aa a 121,μx定理1 设u (x )为D 内椭圆型方程的解，它在D 内二次连续可微，在D 上连续，且不是常数，如f (x )≤0（或f (x )≥0），则u (x )不能在D 的内点取非正最小值（或非负最大值）. 如果过边界S 上的任一点P 都可作一球，使它在P 点与S 相切且完全包含在区域D 内，则有定理2 设u (x )为椭圆型方程在D 内二次连续可微，在D 上连续可微的解，且不是常数，并设f (x )≤0（或f (x )≥0）.若u (x )在边界S 上某点M 处取非正最小值（或非负最大值），只要外法向导数错误！未定义书签。