Persamaan Eliptik

Batas sumber. Bagian ini mengikat classification.tex baris 398-532 pada sumber beku.

Persamaan Eliptik

Jika (2.1.1) bersifat eliptik pada suatu himpunan terbuka U2\displaystyle U \subset \mathbb{R}^2, maka

det(a2,0(x,y)a1,1(x,y)a1,1(x,y)a0,2(x,y))>0\det \begin{pmatrix} a_{2,0}(x,y) & a_{1,1}(x,y) \\ a_{1,1}(x,y) & a_{0,2}(x,y) \end{pmatrix} >0 untuk (x,y)U(x,y)\in U. Dengan kontinuitas koefisien, pada setiap komponen terhubung dari UU, simbol utama

bersifat definit positif di semua titik

atau bersifat definit negatif di semua titik; yakni, masing-masing, Q(x,y,ζ1,ζ2)>0Q(x,y,\zeta_1,\zeta_2)>0 untuk setiap (ζ1,ζ2)2\{(0,0)}\displaystyle(\zeta_1,\zeta_2)\in\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\} atau Q(x,y,ζ1,ζ2)<0Q(x,y,\zeta_1,\zeta_2)<0 untuk setiap (ζ1,ζ2)2\{(0,0)}\displaystyle(\zeta_1,\zeta_2)\in\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}. Dengan demikian, simbol utama tidak bernilai nol pada kovektor real tak nol. Jadi tidak ada kurva karakteristik real. Secara lebih tepat, setiap kurva real reguler ΓU\Gamma\subset U bersifat nonkarakteristik secara lokal untuk syarat (2.1.2). Pernyataan ini hanya menyangkut sifat karakteristik dan tidak dengan sendirinya menjamin keberadaan, ketunggalan, dan kestabilan masalah Cauchy eliptik.

Kita dapat mereduksi (2.1.1) ke bentuk yang lebih sederhana. Perhatikan polinom

P(x,y,ϕ)=a2,0(x,y)ϕ2(x,y)2a1,1(x,y)ϕ(x,y)+a0,2(x,y).P(x,y,\phi)=a_{2,0}(x,y)\phi^2(x,y)-2a_{1,1}(x,y)\phi(x,y) +a_{0,2}(x,y)\ . Pemilihan polinom ini dimotivasi oleh syarat (2.2.5) yang sebelumnya digunakan untuk memperkenalkan simbol utama. Polinom ini tidak mempunyai akar real, tetapi mempunyai dua akar kompleks yang berbeda:

ϕ±(x,y)=a1,1(x,y)±ia2,0(x,y)a0,2(x,y)a1,12(x,y)a2,0(x,y).\phi_{\pm}(x,y)=\frac{a_{1,1}(x,y)\pm i \sqrt{a_{2,0}(x,y)a_{0,2}(x,y)-a_{1,1}^2(x,y)}} {a_{2,0}(x,y)}\ . Secara lokal, dengan regularitas koefisien yang memadai, andaikan tersedia suatu integral pertama bernilai kompleks ψ(x,y)\psi(x,y) dengan ψy0\displaystyle\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\neq0 yang memenuhi ψx+ϕ+(x,y)ψy=0\displaystyle\frac{\partial{\psi}}{\partial x}+\phi_+(x,y)\frac{\partial{\psi}}{\partial y}=0. Keluarga level kompleks ψ(x,y)=c\displaystyle\psi(x,y)=c\in\mathbb{C} kemudian menyandikan hubungan karakteristik formal

dydx=ϕ+(x,y)=ψx/ψy.\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}{x}}=\phi_+(x,y) =-\frac{\partial{\psi}}{\partial x}\bigg/\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\ . Substitusi hubungan ini ke (2.3.1) memberikan

a2,0(x,y)(ψx)2+2a1,1(x,y)ψxψy+a0,2(x,y)(ψy)2=0.a_{2,0}(x,y)\left(\frac{\partial{\psi}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y)\frac{\partial{\psi}}{\partial x}\frac{\partial{\psi}}{\partial y} +a_{0,2}(x,y)\left(\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\right)^2=0\ .

Misalkan η(x,y)=Reψ(x,y)=ψ(x,y)+ψ(x,y)¯2\displaystyle\eta(x,y)=\operatorname{Re}\psi(x,y) =\frac{\psi(x,y)+\overline{\psi(x,y)}}{2} dan ξ(x,y)=Imψ(x,y)=ψ(x,y)ψ(x,y)¯2i\displaystyle\xi(x,y)=\operatorname{Im}\psi(x,y) =\frac{\psi(x,y)-\overline{\psi(x,y)}}{2i}. Kita meninjau keluarga-keluarga kurva

η(x,y)=hdanξ(x,y)=k,\eta(x,y)=h \quad\text{dan}\quad \xi(x,y)=k\ , dengan hh dan kk konstanta real. Pada lingkungan lokal tempat ψy0\displaystyle\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\neq0, berlaku

ψx/ψy=ϕ+(x,y)ϕ(x,y)=(ψx/ψy)¯=ψ¯x/ψ¯y\frac{\partial{\psi}}{\partial x}\bigg/\frac{\partial{\psi}}{\partial y} =-\phi_+(x,y)\neq-\phi_-(x,y) =\overline{\left(\frac{\partial{\psi}}{\partial x}\bigg/\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\right)} =\frac{\partial{\overline{\psi}}}{\partial x}\bigg/ \frac{\partial{\overline{\psi}}}{\partial y} karena Imϕ±0\operatorname{Im}\phi_{\pm}\neq0. Oleh sebab itu,

(η,ξ)(x,y)=ηxξyηyξx=14i(ψx+ψx¯)(ψyψy¯)14i(ψy+ψy¯)(ψxψx¯)=12i(ψxψy¯ψyψx¯)0.\begin{aligned} \frac{\partial(\eta,\xi)}{\partial(x,y)} &=\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial y} -\frac{\partial{\eta}}{\partial y}\frac{\partial{\xi}}{\partial x} \\ &=\frac{1}{4i} \left(\frac{\partial{\psi}}{\partial x}+\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial x}}\right) \left(\frac{\partial{\psi}}{\partial y}-\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial y}}\right) \\ &\qquad-\frac{1}{4i} \left(\frac{\partial{\psi}}{\partial y}+\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial y}}\right) \left(\frac{\partial{\psi}}{\partial x}-\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial x}}\right) \\ &=-\frac{1}{2i}\left( \frac{\partial{\psi}}{\partial x}\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial y}} -\frac{\partial{\psi}}{\partial y}\overline{\frac{\partial{\psi}}{\partial x}} \right)\neq0 . \end{aligned} Jadi, (2.1.3) dipenuhi secara lokal.

Dari (2.3.2) diperoleh

0=a2,0(x,y)(ηx+iξx)2+2a1,1(x,y)(ηx+iξx)(ηy+iξy)+a0,2(x,y)(ηy+iξy)2=(a2,0(x,y)(ηx)2+2a1,1(x,y)ηxηy+a0,2(x,y)(ηy)2)(a2,0(x,y)(ξx)2+2a1,1(x,y)ξxξy+a0,2(x,y)(ξy)2)+2i(a2,0(x,y)ηxξx+a1,1(x,y)(ηyξx+ηxξy)+a0,2(x,y)ηyξy).\begin{aligned} 0&=a_{2,0}(x,y) \left(\frac{\partial{\eta}}{\partial x}+i\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y) \left(\frac{\partial{\eta}}{\partial x}+i\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\right) \left(\frac{\partial{\eta}}{\partial y}+i\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right) \\ &\qquad+a_{0,2}(x,y) \left(\frac{\partial{\eta}}{\partial y}+i\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right)^2 \\ &=\left(a_{2,0}(x,y)\left(\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\eta}}{\partial y} +a_{0,2}(x,y)\left(\frac{\partial{\eta}}{\partial y}\right)^2\right) \\ &\qquad-\left(a_{2,0}(x,y)\left(\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y)\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial y} +a_{0,2}(x,y)\left(\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right)^2\right) \\ &\qquad+2i\left(a_{2,0}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial x} +a_{1,1}(x,y)\left( \frac{\partial{\eta}}{\partial y}\frac{\partial{\xi}}{\partial x} +\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right) +a_{0,2}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial y}\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right)\ . \end{aligned} Bagian real dan imajiner dari pernyataan ini masing-masing memberikan

a2,0(x,y)(ηx)2+2a1,1(x,y)ηxηy+a0,2(x,y)(ηy)2=a2,0(x,y)(ξx)2+2a1,1(x,y)ξxξy+a0,2(x,y)(ξy)2\begin{aligned} &a_{2,0}(x,y)\left(\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\eta}}{\partial y} +a_{0,2}(x,y)\left(\frac{\partial{\eta}}{\partial y}\right)^2 \\ &\qquad=a_{2,0}(x,y)\left(\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\right)^2 +2a_{1,1}(x,y)\frac{\partial{\xi}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial y} +a_{0,2}(x,y)\left(\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right)^2 \end{aligned} dan

a2,0(x,y)ηxξx+a1,1(x,y)(ηyξx+ηxξy)+a0,2(x,y)ηyξy=0.a_{2,0}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial x} +a_{1,1}(x,y)\left( \frac{\partial{\eta}}{\partial y}\frac{\partial{\xi}}{\partial x} +\frac{\partial{\eta}}{\partial x}\frac{\partial{\xi}}{\partial y}\right) +a_{0,2}(x,y)\frac{\partial{\eta}}{\partial y}\frac{\partial{\xi}}{\partial y}=0\ . Dengan perubahan koordinat ini, (2.1.1) menjadi (2.1.4) dengan A2,0=A0,20A_{2,0}=A_{0,2}\neq0 (karena QQ definit pada komponen terhubung yang sedang ditinjau) dan A1,1=0A_{1,1}=0. Setelah membagi dengan A2,0A_{2,0}, kita memperoleh persamaan berbentuk

2uη2+2uξ2+α1,0(η,ξ)uη+α0,1(η,ξ)uξ+α0,0(η,ξ)u+β(η,ξ)=0,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \eta^{2}}+\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \xi^{2}} +\alpha_{1,0}(\eta,\xi)\frac{\partial{u}}{\partial \eta} +\alpha_{0,1}(\eta,\xi)\frac{\partial{u}}{\partial \xi} +\alpha_{0,0}(\eta,\xi)u+\beta(\eta,\xi)=0\ , dengan α1,0=A1,0/A2,0\displaystyle\alpha_{1,0}=A_{1,0}/A_{2,0}, α0,1=A0,1/A2,0\alpha_{0,1}=A_{0,1}/A_{2,0}, α0,0=A0,0/A2,0\alpha_{0,0}=A_{0,0}/A_{2,0}, dan β=B/A2,0\beta=B/A_{2,0}. Persamaan (2.3.3) merupakan

bentuk baku dari suatu persamaan eliptik.

Contoh 2.3.2. Persamaan Laplace

2ux2+2uy2=0\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}}+\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial y^{2}}=0 merupakan contoh persamaan eliptik di seluruh 2\displaystyle\mathbb{R}^2.

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