Solusi Kuat

Batas sumber. Bagian ini mengikat wave_equ.tex baris 601-772 pada sumber beku.

Solusi Kuat Persamaan Gelombang

Perhatikan persamaan diferensial parsial linear hiperbolik orde dua

L(η,ξ,D)u=2uηξ+A1,0uη+A0,1uξ+A0,0u=0L(\eta,\xi,\mathrm{D})u = \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} + A_{1,0} \frac{\partial{u}}{\partial \eta} + A_{0,1} \frac{\partial{u}}{\partial \xi} + A_{0,0} u = 0 yang merupakan bentuk umum persamaan diferensial parsial linear homogen hiperbolik orde dua setelah direduksi menggunakan perubahan variabel yang diberikan oleh kurva level yang merupakan kurva karakteristik.

Adjoin dari L(η,ξ,D)L(\eta,\xi,\mathrm{D}) didefinisikan oleh

L*(η,ξ,D)ϕ=2ϕηξη(A1,0ϕ)ξ(A0,1ϕ)+A0,0ϕL^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi = \frac{\displaystyle \partial^{2}{\phi}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} - \frac{\partial}{\partial \eta}{\left(A_{1,0}\phi\right)} - \frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + A_{0,0} \phi untuk ϕ𝒟(2)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^2).

Fungsi u:Ωu:\Omega \to \mathbb{R} dengan uLloc1(Ω)\displaystyle u\in L^1_{\mathrm{loc}}(\Omega) merupakan solusi kuat dari L(η,ξ,D)u=0L(\eta,\xi,\mathrm{D})u=0 pada suatu himpunan terbuka Ω2\displaystyle\Omega \subset \mathbb{R}^2 jika

Ωu(η,ξ)L*(η,ξ,D)ϕ(η,ξ)dηdξ=0\int_\Omega u(\eta,\xi)\, L^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} = 0 untuk setiap fungsi uji ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega). Hal ini dipenuhi jika uC2(Ω)\displaystyle u \in C^2(\Omega) merupakan solusi dari (7.3.1), sebagaimana dapat ditunjukkan menggunakan integrasi parsial.

Misalkan Ω\Omega dilintasi oleh suatu kurva karakteristik Γ\Gamma yang menjadi tempat uu kehilangan kemulusannya. Karena kurva karakteristik merupakan kurva level dari perubahan variabel yang digunakan untuk memperoleh bentuk tereduksi persamaan hiperbolik, kita dapat mengasumsikan bahwa kurva karakteristik Γ\Gamma yang melintasi Ω\Omega adalah garis ξ=0\xi=0 seperti pada Gambar 7.6.

Kurva karakteristik Gamma membagi Omega menjadi Omega_+, Omega_0, dan Omega_- untuk syarat transmisi solusi kuat.

Kita memiliki Ω=Ω+Ω0Ω\Omega = \Omega_+ \cup \Omega_0 \cup \Omega_-, di mana Ω+={(η,ξ)Ω:ξ>0}\displaystyle\Omega_+ = \left\{ (\eta,\xi) \in \Omega : \xi>0 \right\}, Ω={(η,ξ)Ω:ξ<0}\displaystyle\Omega_- = \left\{ (\eta,\xi) \in \Omega : \xi<0 \right\} dan Ω0={(η,ξ)Ω:ξ=0}\Omega_0 = \left\{ (\eta,\xi) \in \Omega : \xi=0 \right\}.

Misalkan u:Ωu:\Omega \to \mathbb{R} merupakan solusi kuat yang juga memenuhi (7.3.1) dalam pengertian klasik pada Ω+\Omega_+ dan Ω\Omega_-. Fakta bahwa uu merupakan solusi kuat memberlakukan beberapa syarat tambahan pada uu di sepanjang Ω0\Omega_0.

Kita dapat mengasumsikan bahwa u(η,ξ)=0u(\eta,\xi) = 0 untuk (η,ξ)Ω(\eta,\xi) \not\in \Omega. Kita juga dapat memandang fungsi uji ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega) sebagai anggota 𝒟(2)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^2) yang berdukungan kompak di dalam Ω\Omega. Hal ini akan sering kita lakukan untuk menyederhanakan pembahasan ketika kita harus bekerja pada suatu subhimpunan terbuka dari n\displaystyle\mathbb{R}^n.

Dengan menggunakan integrasi parsial, untuk ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega) kita memperoleh

Ωu(η,ξ)L*(η,ξ,D)ϕ(η,ξ)dηdξ=Ω+u(η,ξ)L*(η,ξ,D)ϕ(η,ξ)dηdξ+Ωu(η,ξ)L*(η,ξ,D)ϕ(η,ξ)dηdξ=0++u(2ϕηξη(A1,0ϕ)ξ(A0,1ϕ)+A0,0ϕ)dηdξ+0+u(2ϕηξη(A1,0ϕ)ξ(A0,1ϕ)+A0,0ϕ)dηdξ=0+(uϕξ|++uηϕξdη)dξ0+(uA1,0ϕ|++uηA1,0ϕdη)dξ+0++u(ξ(A0,1ϕ)+A0,0ϕ)dηdξ\begin{aligned} & \int_\Omega u(\eta,\xi)\, L^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &= \int_{\Omega_+} u(\eta,\xi)\, L^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} +\int_{\Omega_-} u(\eta,\xi)\, L^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &= \int_0^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} u \left( \frac{\displaystyle \partial^{2}{\phi}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} -\frac{\partial}{\partial \eta}{\left(A_{1,0}\phi\right)} - \frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ & \quad + \int_{-\infty}^0 \int_{-\infty}^{+\infty} u \left( \frac{\displaystyle \partial^{2}{\phi}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}}-\frac{\partial}{\partial \eta}{\left(A_{1,0}\phi\right)} - \frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + A_{0,0}\phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &= \int_0^{+\infty} \left( u \frac{\partial{\phi}}{\partial \xi}\bigg|_{-\infty}^{+\infty} - \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\partial{u}}{\partial \eta}\frac{\partial{\phi}}{\partial \xi} \,\mathrm{d}{\eta} \right) \,\mathrm{d}{\xi} - \int_0^{+\infty} \left( u A_{1,0} \phi\bigg|_{-\infty}^{+\infty} - \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0} \phi \,\mathrm{d}{\eta}\right) \,\mathrm{d}{\xi} \\ & \quad + \int_0^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} u \left(-\frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \end{aligned}

+0(uϕξ|++uηϕξdη)dξ0(uA1,0ϕ|++uηA1,0ϕdη)dξ+0+u(ξ(A0,1ϕ)+A0,0ϕ)dηdξ=+0+(uηϕξ+uηA1,0ϕuξ(A0,1ϕ)+uA0,0ϕ)dξdη++0(uηϕξ+uηA1,0ϕuξ(A0,1ϕ)+uA0,0ϕ)dξdη=+(uηϕ|0++0+2uηξϕdξ)dη+(uA0,1ϕ|0+0+uξA0,1ϕdξ)dη+0++(uηA1,0ϕ+uA0,0ϕ)dηdξ++(uηϕ|0+02uηξϕdξ)dη+(uA0,1ϕ|00uξA0,1ϕdξ)dη+0+(uηA1,0ϕ+uA0,0ϕ)dηdξ\begin{aligned} & \quad + \int_{-\infty}^0 \left( u \frac{\partial{\phi}}{\partial \xi}\bigg|_{-\infty}^{+\infty} - \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\partial{u}}{\partial \eta}\frac{\partial{\phi}}{\partial \xi} \,\mathrm{d}{\eta} \right) \,\mathrm{d}{\xi} - \int_{-\infty}^0 \left( u A_{1,0} \phi\bigg|_{-\infty}^{+\infty} - \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0} \phi \,\mathrm{d}{\eta}\right) \,\mathrm{d}{\xi} \\ & \quad + \int_{-\infty}^0 \int_{-\infty}^{+\infty} u \left(-\frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &= \int_{-\infty}^{+\infty} \int_0^{+\infty} \left( - \frac{\partial{u}}{\partial \eta}\frac{\partial{\phi}}{\partial \xi} + \frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0} \phi - u \frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + u A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\xi}\,\mathrm{d}{\eta} \\ &\quad + \int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^0 \left( -\frac{\partial{u}}{\partial \eta}\frac{\partial{\phi}}{\partial \xi} + \frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0} \phi - u \frac{\partial}{\partial \xi}{\left(A_{0,1}\phi\right)} + u A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\xi}\,\mathrm{d}{\eta} \\ &= \int_{-\infty}^{+\infty} \left( -\frac{\partial{u}}{\partial \eta} \phi\bigg|_0^{+\infty} + \int_0^{+\infty} \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} \phi \,\mathrm{d}{\xi} \right) \,\mathrm{d}{\eta} - \int_{-\infty}^{+\infty} \left( u A_{0,1} \phi\bigg|_0^{+\infty} - \int_0^{+\infty} \frac{\partial{u}}{\partial \xi} A_{0,1} \phi \,\mathrm{d}{\xi}\right) \,\mathrm{d}{\eta} \\ &\quad + \int_0^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} \left(\frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0}\phi + u A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &\quad + \int_{-\infty}^{+\infty} \left( -\frac{\partial{u}}{\partial \eta} \phi\bigg|_{-\infty}^0 + \int_{-\infty}^0 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} \phi \,\mathrm{d}{\xi} \right) \,\mathrm{d}{\eta} - \int_{-\infty}^{+\infty} \left( u A_{0,1} \phi\bigg|_{-\infty}^0 - \int_{-\infty}^0 \frac{\partial{u}}{\partial \xi} A_{0,1} \phi \,\mathrm{d}{\xi}\right) \,\mathrm{d}{\eta} \\ &\quad + \int_{-\infty}^0 \int_{-\infty}^{+\infty} \left(\frac{\partial{u}}{\partial \eta} A_{1,0}\phi + u A_{0,0} \phi \right) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \end{aligned}

=Ω+(L(η,ξ,D)u(η,ξ))ϕ(η,ξ)dηdξ+Ω(L(η,ξ,D)u(η,ξ))ϕ(η,ξ)dηdξ+Ω0(u+(η,0)A0,1(η,0)ϕ(η,0)+u+η(η,0)ϕ(η,0))dηΩ0(u(η,0)A0,1(η,0)ϕ(η,0)+uη(η,0)ϕ(η,0))dη=Ω0(u+(η,0)u(η,0))A0,1(η,0)ϕ(η,0)dη+Ω0(u+η(η,0)uη(η,0))ϕ(η,0)dη\begin{aligned} &= \int_{\Omega_+} \left( L(\eta,\xi,\mathrm{D}) u(\eta,\xi)\right)\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} + \int_{\Omega_-} \left(L(\eta,\xi,\mathrm{D}) u(\eta,\xi)\right)\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} \\ &\quad +\int_{\Omega_0} \left( u_+(\eta,0) A_{0,1}(\eta,0) \phi(\eta,0) + \frac{\partial{u_+}}{\partial \eta}(\eta,0)\phi(\eta,0) \right) \,\mathrm{d}{\eta} \\ &\quad - \int_{\Omega_0} \left( u_-(\eta,0) A_{0,1}(\eta,0) \phi(\eta,0) + \frac{\partial{u_-}}{\partial \eta}(\eta,0)\phi(\eta,0) \right) \,\mathrm{d}{\eta} \\ &=\int_{\Omega_0} \left(u_+(\eta,0) -u_-(\eta,0)\right) A_{0,1}(\eta,0) \phi(\eta,0)\,\mathrm{d}{\eta} +\int_{\Omega_0} \left( \frac{\partial{u_+}}{\partial \eta}(\eta,0) - \frac{\partial{u_-}}{\partial \eta}(\eta,0) \right)\phi(\eta,0) \,\mathrm{d}{\eta} \end{aligned} di mana u±(η,0)=limξ0±u(η,ξ)\displaystyle u_\pm(\eta,0) = \lim_{\xi\rightarrow 0^\pm} u(\eta,\xi) dan u±η(η,0)=limξ0±uη(η,ξ)\displaystyle\frac{\partial{u_\pm}}{\partial \eta}(\eta,0) = \lim_{\xi\rightarrow 0^\pm} \frac{\partial{u}}{\partial \eta}(\eta,\xi). Kita mengasumsikan bahwa limit-limit ini ada.

Agar Ωu(η,ξ)L*(η,ξ,D)ϕ(η,ξ)dηdξ=0\displaystyle\int_\Omega u(\eta,\xi)\, L^\ast(\eta,\xi,\mathrm{D})\phi(\eta,\xi) \,\mathrm{d}{\eta}\,\mathrm{d}{\xi} =0 untuk setiap ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega), harus berlaku

Ω0(u+(η,0)u(η,0))A0,1(η,0)ϕ(η,0)dη+Ω0(u+η(η,0)uη(η,0))ϕ(η,0)dη=0\int_{\Omega_0} \big(u_+(\eta,0) - u_-(\eta,0)\big) A_{0,1}(\eta,0) \phi(\eta,0) \,\mathrm{d}{\eta} +\int_{\Omega_0} \left( \frac{\partial{u_+}}{\partial \eta}(\eta,0) - \frac{\partial{u_-}}{\partial \eta}(\eta,0)\right) \phi(\eta,0) \,\mathrm{d}{\eta} = 0 untuk setiap ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega). Inilah syarat transmisi untuk memperoleh solusi kuat.

Jika kita meninjau persamaan gelombang L(η,ξ,D)u=2uηξ=0\displaystyle L(\eta,\xi,\mathrm{D})u = \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial \eta^{} \partial \xi^{}} = 0, syarat transmisi agar uu menjadi solusi kuat adalah

Ω0(u+η(η,0)uη(η,0))ϕ(η,0)dη=0\int_{\Omega_0} \left( \frac{\partial{u_+}}{\partial \eta}(\eta,0) - \frac{\partial{u_-}}{\partial \eta}(\eta,0)\right) \phi(\eta,0) \,\mathrm{d}{\eta} = 0 untuk setiap ϕ𝒟(Ω)\displaystyle\phi\in \mathcal{D}(\Omega). Karena hal ini berlaku untuk setiap fungsi uji ϕ𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega), harus berlaku

u+η(η,0)uη(η,0)=0\frac{\partial{u_+}}{\partial \eta}(\eta,0) - \frac{\partial{u_-}}{\partial \eta}(\eta,0) = 0 untuk hampir setiap ηIΩ\eta \in I_\Omega, dengan IΩ={η:(η,0)Ω}\displaystyle I_\Omega=\{\eta\in\mathbb{R}:(\eta,0)\in\Omega\}. Jika pembatasan uu dan uη\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial \eta} dari masing-masing sisi dapat diperluas secara kontinu hingga sumbu η\eta, maka hal ini menunjukkan bahwa u+(η,0)u(η,0)\displaystyle u_+(\eta,0) - u_-(\eta,0) konstan pada setiap komponen terhubung dari IΩI_\Omega.

Contoh.

Pada Contoh 7.1.3, jika fungsi-fungsi ff, gg, AA, dan BB berkelas C\displaystyle C^\infty, maka solusi uu yang dikonstruksi dalam contoh tersebut merupakan solusi kuat karena syarat transmisi dipenuhi. Terdapat diskontinuitas loncatan konstan di sepanjang garis-garis karakteristik x=ctx = ct dan x=ct+Lx = -ct +L, beserta pantulannya pada batas x=0x=0 dan x=Lx=L. Sebagai contoh, dari (7.1.13) diperoleh lim𝒂𝒅𝒂R3u(𝒂)=u(𝒅)+B(0)f(L)\displaystyle\lim_{\substack{\boldsymbol{a} \to \boldsymbol{d}\\ \boldsymbol{a} \in R_3}} u(\boldsymbol{a}) = u(\boldsymbol{d})+ B(0) - f(L), di mana daerah R3R_3 didefinisikan pada Gambar 7.4.

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