Masalah Cauchy dan Reduksi ke Bentuk Normal

Batas sumber. Bagian ini mengikat cauchy_problem.tex baris 1-118 pada sumber beku.

Masalah Cauchy

Teorema Cauchy–Kovalevski

Misalkan SS sebuah hiperpermukaan di n\displaystyle\mathbb{R}^n, dan misalkan gj:Sg_j:S\rightarrow \mathbb{R} untuk 0jm10\leq j \leq m-1 merupakan fungsi-fungsi

kontinu. Masalah Cauchy adalah masalah mencari fungsi u:n\displaystyle u: \mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R} sedemikian sehingga

G(𝒙,{D𝜶u(𝒙):𝜶n,|𝜶|m})=0G\left(\boldsymbol{x}, \left\{ \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u\left(\boldsymbol{x}\right) : \boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n \ , \ |\boldsymbol{\alpha}|\leq m \right\} \right) = 0 untuk 𝒙n\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n,

u|S=g0,uν|S=g1,,m2uνm2|S=gm2danm1uνm1|S=gm1,u\big|_S = g_0 \ , \quad \frac{\partial{u}}{\partial \nu}\bigg|_S = g_1 \ , \ \ldots\ ,\quad \frac{\displaystyle \partial^{m-2}{u}}{\displaystyle \partial \nu^{m-2}}\bigg|_S = g_{m-2} \ \text{dan} \ \frac{\displaystyle \partial^{m-1}{u}}{\displaystyle \partial \nu^{m-1}}\bigg|_S = g_{m-1} \ , dengan ν:Sn\displaystyle\nu:S \rightarrow \mathbb{R}^n merupakan fungsi terdiferensialkan sedemikian sehingga ν(𝒙)\nu\left(\boldsymbol{x}\right) adalah vektor normal satuan terhadap hiperpermukaan SS di 𝒙S\boldsymbol{x} \in S. Ingat bahwa

uν(𝒙)=lims0u(𝒙+sν(𝒙))u(𝒙)s=u(𝒙)ν(𝒙)\frac{\partial{u}}{\partial \nu}\left(\boldsymbol{x}\right) = \lim_{s\rightarrow 0} \frac{u\left(\boldsymbol{x}+s\nu\left(\boldsymbol{x}\right)\right) - u\left(\boldsymbol{x}\right) }{s} = \nabla u(\boldsymbol{x}) \cdot \nu\left(\boldsymbol{x}\right) merupakan turunan berarah uu di 𝒙\boldsymbol{x} dalam arah ν(𝒙)\nu\left(\boldsymbol{x}\right).

Seperti telah kita lihat pada persamaan diferensial parsial satu dimensi, tidak setiap hiperpermukaan SS menghasilkan Masalah Cauchy yang memiliki solusi tunggal. Nanti kita akan memberikan syarat-syarat pada SS yang menjamin keberadaan dan ketunggalan solusi, serta kestabilannya terhadap data awal (well-posedness).

Dengan menggunakan perubahan koordinat lokal di dekat suatu titik 𝒑\boldsymbol{p}, kita dapat mengasumsikan bahwa hiperpermukaan SS didefinisikan oleh

S={𝒙n:xn=0}.S = \left\{ \boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n : x_n = 0 \right\} \ . Dengan demikian, Masalah Cauchy menjadi

F(𝒙,{D𝜶u(𝒙):𝜶n,|𝜶|m})=0F\left(\boldsymbol{x}, \left\{ \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u\left(\boldsymbol{x}\right) : \boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n \ , \ |\boldsymbol{\alpha}| \leq m \right\} \right) = 0 untuk 𝒙n\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n,

u|S=f0,uxn|S=f1,,m2uxnm2|S=fm2danm1uxnm1|S=fm1.u\big|_S = f_0 \ , \quad \frac{\partial{u}}{\partial x_n}\bigg|_S = f_1 \ , \ \ldots \ , \quad \frac{\displaystyle \partial^{m-2}{u}}{\displaystyle \partial x_n^{m-2}}\bigg|_S = f_{m-2} \ \text{dan} \ \frac{\displaystyle \partial^{m-1}{u}}{\displaystyle \partial x_n^{m-1}}\bigg|_S = f_{m-1} \ .

Mari kita asumsikan bahwa FF, f0f_0, f1f_1, …, fm1f_{m-1} merupakan fungsi analitik. Selain itu, kita asumsikan bahwa uu juga analitik. Dari u(x1,x2,,xn1,0)=f0(x1,x2,,xn1)u(x_1,x_2, \ldots, x_{n-1},0) = f_0(x_1,x_2, \ldots, x_{n-1}), kita dapat menghitung

D𝜶u(x1,x2,,xn1,0)=D𝜶f0(x1,x2,,xn1)\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}, 0) = \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} f_0(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}) untuk setiap 𝜶n\displaystyle\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n dengan αn=0\alpha_n = 0. Dari uxn(x1,x2,,xn1,0)=f1(x1,x2,,xn1)\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial x_n}(x_1,x_2, \ldots, x_{n-1},0) = f_1(x_1,x_2, \ldots, x_{n-1}), kita dapat menghitung

D𝜶u(x1,x2,,xn1,0)=D𝜶𝒆nf1(x1,x2,,xn1)\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}, 0) = \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}-\boldsymbol{e}_n} f_1(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}) untuk setiap 𝜶n\displaystyle\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n dengan αn=1\alpha_n = 1. Jika proses ini dilanjutkan untuk turunan uu hingga orde m1m-1, aturan umumnya adalah sebagai berikut: untuk αn=j<m\alpha_n=j<m, data fjf_j memberikan

D𝜶u(x1,x2,,xn1,0)=D𝜶j𝒆nfj(x1,x2,,xn1).\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}, 0) = \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}-j\boldsymbol{e}_n} f_j(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}) \ . Dengan demikian, kita dapat menghitung D𝜶u(x1,x2,,xn1,0)\displaystyle\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u(x_1, x_2, \ldots, x_{n-1}, 0) untuk setiap 𝜶n\displaystyle\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n dengan αn<m\alpha_n < m.

Masalahnya adalah menghitung juxnj(x1,x2,,xn1,0)\displaystyle\frac{\displaystyle \partial^{j}{u}}{\displaystyle \partial x_n^{j}}(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},0) untuk jmj\geq m. Untuk itu, kita asumsikan bahwa (3.1.3) dapat diselesaikan terhadap muxnm\displaystyle\frac{\displaystyle \partial^{m}{u}}{\displaystyle \partial x_n^{m}} untuk 𝒙\boldsymbol{x} di dekat hiperpermukaan SS. Dengan kata lain, kita asumsikan bahwa kita dapat menuliskan

muxnm=H(𝒙,{D𝜶u(𝒙):𝜶n,|𝜶|m,𝜶m𝒆n})\displaystyle\frac{\displaystyle \partial^{m}{u}}{\displaystyle \partial x_n^{m}} = H\left(\boldsymbol{x}, \left\{ \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u\left(\boldsymbol{x}\right) : \boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n \ , \ |\boldsymbol{\alpha}| \leq m \ , \, \boldsymbol{\alpha} \neq m \boldsymbol{e}_n \right\} \right) untuk 𝒙n\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n di dekat SS, dengan, seperti biasa, {𝒆1,𝒆2,,𝒆n}\displaystyle\left\{ \boldsymbol{e}_1, \boldsymbol{e}_2, \ldots, \boldsymbol{e}_n\right\} merupakan basis kanonik n\displaystyle\mathbb{R}^n. Tidak setiap hiperpermukaan SS memenuhi persyaratan ini. Hal inilah yang menjadi dasar klasifikasi persamaan diferensial parsial yang diberikan dalam Bab 2.

Dengan menggunakan (3.1.4), kita dapat menghitung turunan uu yang berorde lebih dari atau sama dengan mm terhadap xnx_n. Dengan demikian, semua turunan campuran uu di suatu titik 𝒂=(a1,a2,,an1,0)\boldsymbol{a} = (a_1,a_2, \ldots, a_{n-1}, 0) dapat dihitung. Karena kita mengasumsikan bahwa uu analitik, untuk 𝒙\boldsymbol{x} di dekat 𝒂\boldsymbol{a} kita dapat menuliskan

u(𝒙)=𝜶n1𝜶!D𝜶u(𝒂)(𝒙𝒂)𝜶,u\left(\boldsymbol{x}\right) = \sum_{\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n} \frac{1}{\boldsymbol{\alpha}!} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u\left(\boldsymbol{a}\right) \left( \boldsymbol{x}- \boldsymbol{a} \right)^{\boldsymbol{\alpha}} \ , dengan

𝜶!=α1!α2!αn!\boldsymbol{\alpha}! = \alpha_1!\,\alpha_2!\ldots \alpha_n! dan

(𝒙𝒂)𝜶=(x1a1)α1(x2a2)α2(xnan)αn.\left( \boldsymbol{x}- \boldsymbol{a} \right)^{\boldsymbol{\alpha}} = \left(x_1-a_1\right)^{\alpha_1}\,\left(x_2-a_2\right)^{\alpha_2}\ldots \left(x_n-a_n\right)^{\alpha_n} \ .

Inilah inti teorema berikut, yang tidak akan kita buktikan.

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.

← Kembali ke Program Matematika