Klasifikasi Linear dalam R^n
Batas sumber. Bagian ini mengikat
classification.tex baris 1182-1508 pada sumber beku.
Klasifikasi Persamaan Diferensial Parsial Linear dalam
Meskipun persamaan diferensial parsial linear berorde lebih dari satu dapat direduksi menjadi suatu sistem persamaan diferensial parsial linear orde pertama, reduksi tersebut belum tentu menguntungkan. Selain itu, karena sistem linear tereduksi yang terdiri atas persamaan diferensial parsial orde pertama mungkin tidak memiliki jumlah persamaan dan variabel tak diketahui yang sama, mendefinisikan simbol utama untuk sistem semacam itu bukanlah perkara sepele (lihat RenRog). Karena alasan ini, kami hanya menyajikan klasifikasi persamaan diferensial parsial linear umum berbentuk
dengan sekurang-kurangnya merupakan fungsi kelas , kontinu, dan merupakan fungsi kelas untuk semua multiindeks yang terlibat dalam penjumlahan. Kami akan memperlonggar syarat pada dan mulai Bab 12.
Definisi 2.4.5. Suatu himpunan bagian dari disebut
hiperpermukaan jika merupakan manifold berdimensi yang dapat diorientasikan. disebut hiperpermukaan kelas jika merupakan manifold kelas . Demikian pula, disebut hiperpermukaan analitik jika merupakan manifold analitik.
Jika suatu hiperpermukaan, maka secara lokal kita dapat menyatakan sebagai solusi suatu persamaan untuk suatu fungsi . Jika merupakan hiperpermukaan kelas , kita dapat memilih kelas ; jika analitik, kita dapat memilih analitik. Mulai sekarang, kita akan menganggap bahwa hiperpermukaan yang dibahas cukup mulus.
Seperti halnya persamaan diferensial parsial orde dua di bidang, kita memiliki definisi-definisi berikut.
Definisi 2.4.6. Perhatikan masalah Cauchy yang diberikan oleh (2.4.10) dengan syarat pada dan turunan (berarah) fungsi tersebut yang berorde dengan pada suatu hiperpermukaan . Maka merupakan
permukaan karakteristik untuk masalah Cauchy ini jika (2.4.10) beserta syarat pada dan turunan (berarah) fungsi tersebut tidak cukup untuk menentukan semua turunan parsial (campuran maupun bukan) yang berorde dari di suatu lingkungan .
Definisi 2.4.7.
Simbol utama (juga disebut
bentuk karakteristik) yang terkait dengan operator diferensial parsial linear yang didefinisikan dalam (2.4.10) adalah
untuk dan di .
Kita memperoleh hasil berikut.
Proposisi 2.4.8. Suatu hiperpermukaan merupakan permukaan karakteristik jika dan hanya jika untuk setiap , dengan suatu vektor normal tak nol terhadap di .
Sebelum memberikan klasifikasi persamaan diferensial parsial linear berorde lebih dari , kita memperluas klasifikasi persamaan diferensial parsial linear berorde yang diberikan dalam Bagian 2.3 ke dengan .
Perhatikan persamaan diferensial parsial linear orde dua
dengan , , , dan . Simbol utamanya berbentuk
dengan matriks yang entri-entrinya .
Definisi 2.4.9. Perhatikan operator diferensial parsial linear dalam (2.4.12) dengan simbol utamanya yang diberikan dalam (2.4.13).
bersifat
eliptik di jika semua nilai eigen memiliki tanda yang sama.
bersifat
hiperbolik di jika semua nilai eigen tak nol dan semuanya kecuali satu memiliki tanda yang sama.
bersifat ultrahiperbolik
di jika semua nilai eigen tak nol dan terdapat lebih dari satu nilai eigen untuk masing-masing tanda.
bersifat parabolik
di jika singular; yakni, memiliki sekurang-kurangnya satu nilai eigen nol.
Di , definisi ini ekuivalen dengan Definisi 2.3.1. Ingat bahwa semua nilai eigen suatu matriks simetris bernilai real.
Kita tidak akan mencoba memberikan klasifikasi lengkap untuk persamaan diferensial parsial berorde lebih dari . Bahkan, kita hanya akan memperhatikan persamaan diferensial parsial eliptik dan membuktikan satu hasil yang menarik tentang persamaan tersebut.
Definisi 2.4.10. Misalkan adalah operator diferensial parsial linear yang didefinisikan dalam (2.4.10) dan adalah simbol utama terkait yang didefinisikan dalam (2.4.11). bersifat
eliptik di jika untuk setiap .
Dalam kasus pada (2.4.10), definisi persamaan diferensial parsial eliptik yang diberikan dalam Definisi 2.4.9 ekuivalen dengan definisi yang diberikan dalam Definisi 2.4.10.
Proposisi berikut menunjukkan bahwa orde suatu operator diferensial parsial linear eliptik harus genap.
Proposisi 2.4.11. Misalkan adalah operator diferensial parsial linear eliptik berorde di , .
Jika untuk semua multiindeks sedemikian sehingga , maka genap. Selain itu, simbol utama terkait bernilai positif untuk setiap atau negatif untuk setiap .
Jika untuk sejumlah multiindeks sedemikian sehingga dan , maka genap.
Bukti. (i) Misalkan untuk semua multiindeks sedemikian sehingga .
Selain itu, andaikan terdapat dan di sedemikian sehingga . Karena kontinu, kita dapat menganggap bahwa ruas garis tidak memuat titik asal. Jika titik asal berada pada ruas garis ini, kita mengganti dengan titik lain di dekat yang masih memenuhi . Perhatikan fungsi
Karena
kontinu,
adalah fungsi kontinu sedemikian sehingga
.
Berdasarkan Teorema Nilai Antara, terdapat
sedemikian sehingga
.
Jadi
dengan
.
Hal ini bertentangan dengan sifat eliptik
.
Oleh karena itu, untuk , nilai dan memiliki tanda yang sama. Hal ini hanya mungkin jika genap.
(ii) Misalkan untuk sejumlah multiindeks sedemikian sehingga dan .
Untuk setiap , misalkan
Misalkan adalah banyaknya akar (dihitung beserta multiplisitasnya) dari yang bagian imajinernya positif, dan misalkan adalah banyaknya akar (dihitung beserta multiplisitasnya) dari yang bagian imajinernya negatif.
Karena untuk setiap dan sebab bersifat eliptik, kita memperoleh untuk .
Selain itu, dari Teorema Rouché (lihat Co) diperoleh bahwa dan konstan secara lokal. Jadi, keduanya konstan pada setiap komponen terhubung dari (titik asal adalah satu-satunya nilai yang memungkinkan memiliki akar real). Karena terhubung untuk , dan konstan pada .
Terakhir, untuk setiap , berlaku karena . Karena dan konstan pada , kita memperoleh untuk .
Dengan demikian, , sehingga genap. ◻
Untuk menggunakan metode variasional dalam menyelesaikan persamaan diferensial parsial eliptik di Bab 12, sifat eliptik suatu operator pada umumnya belum cukup kuat. Kita perlu memberlakukan syarat yang sedikit lebih kuat pada operator eliptik tersebut. Meskipun kelak kita mungkin tidak menggunakan tingkat keumuman ini sepenuhnya, kita menganggap bahwa koefisien dalam operator diferensial parsial linear yang didefinisikan dalam (2.4.10) merupakan fungsi bernilai kompleks.
Karena kita tertarik pada persamaan diferensial parsial linear eliptik, dari Proposisi 2.4.11 diperoleh bahwa kita dapat menganggap orde dari operator diferensial parsial linear yang didefinisikan dalam (2.4.10) adalah genap.
Definisi 2.4.12. Misalkan adalah operator diferensial parsial linear berorde genap yang didefinisikan dalam (2.4.10) dan adalah simbol utama terkait yang didefinisikan dalam (2.4.11). Operator bersifat eliptik kuat atau eliptik seragam
pada suatu himpunan bagian terbuka jika terdapat konstanta sedemikian sehingga
untuk setiap dan .
Perhatikan bahwa persamaan diferensial parsial semula mungkin perlu dikalikan dengan agar memenuhi (2.4.14). Kita menganggap bahwa hal ini selalu dilakukan jika diperlukan.
Catatan 2.4.13. Jika operator diferensial parsial linear bersifat eliptik di , maka
karena kontinu pada himpunan kompak dan karena itu mencapai minimumnya di suatu titik dalam . Jika lebih lanjut kita menganggap bahwa persamaan diferensial parsial linear dirumuskan pada suatu himpunan terbuka terbatas dengan koefisien yang kontinu pada , maka kita dapat menemukan sedemikian sehingga untuk setiap , sebab kontinu pada himpunan kompak . Dengan demikian, kita memperoleh
untuk setiap . Akibatnya,
untuk setiap dan . Jika kita juga menganggap semua koefisien dalam adalah fungsi dari ke , maka sehingga bersifat eliptik kuat pada karena kita selalu dapat mengalikan dengan atau untuk memperoleh tanda yang sesuai dengan definisi eliptik kuat.
Catatan 2.4.14. Definisi operator diferensial linear eliptik kuat sebagaimana didefinisikan dalam (2.4.10) kadang-kadang dinyatakan sebagai berikut. Suatu operator diferensial linear bersifat eliptik kuat pada suatu himpunan terbuka jika terdapat suatu fungsi bernilai kompleks dan konstanta sedemikian sehingga untuk setiap dan
untuk setiap dan . Definisi ini tidak lebih umum daripada Definisi 2.4.12 karena kita selalu dapat mengalikan persamaan diferensial parsial linear dengan untuk memperoleh persamaan diferensial parsial linear yang ekuivalen dengan persamaan semula. Koefisien dari persamaan diferensial parsial linear semula diganti dengan koefisien dalam persamaan diferensial parsial linear yang baru, sehingga (2.4.15) tereduksi menjadi (2.4.14).
Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.