Кіріспе

Математикада тұтқырлық шешімі тұжырымдамасын 1980-ші жылдардың басында Пьер Луис Лайонс және Майкл Г. Крандалл парциалдық дифференциалдық теңдеудің (ПДТ) «шешімі» дегеннің классикалық түсінігін жалпылау ретінде енгізді. Тұтқырлық шешімі ПДТ-нің көптеген қолданыстарында, мысалы, динамикалық бағдарламалауда туындайтын бірінші реттік теңдеулер (Гамильтон-Якоби-Белман теңдеуі), дифференциалдық ойындар (Гамильтон-Якоби-Исаакс теңдеуі) немесе фронт эволюциясы мәселелері, сондай-ақ стохастикалық оңтайлы басқаруда немесе стохастикалық дифференциалдық ойындарда туындайтын екінші реттік теңдеулер үшін табиғи шешім тұжырымдамасы болып табылады. Классикалық түсінік бойынша, ПДТ белгілі бір доменде шешімге ие, егер біз бүкіл доменде үздіксіз және дифференциалданатын u(x) функциясын таба алсақ, онда ол функцияның бірінші және екінші туындылары аталған домендегі әрбір нүктеде жоғарыдағы теңдеуді қанағаттандыруы керек. Егер скалярлық теңдеу дегенеративті эллиптикалық болса (төменде анықталады), онда тұтқырлық шешімі деп аталатын әлсіз шешім түрін анықтауға болады. Тұтқырлық шешімі тұжырымдамасы бойынша u-дың барлық жерде дифференциалдануы міндетті емес. Мүмкін, кейбір нүктелерде бірінші немесе екінші туындысы болмауы мүмкін, бірақ u теңдеуді тиісті жалпыланған мағынада қанағаттандырады. Анықтама тек белгілі бір типтегі сингулярлықтарға ғана рұқсат береді, сондықтан теңдеулердің үлкен класы үшін болу, бірегейлік және біркелкі шектердегі тұрақтылық сақталады.

Анықтама

Сiлтiлiк ерiтiндiлерiнiң анықтамасын берудiң бiрнеше эквиваленттi тәсiлдерi бар. Мысалы, Флеминг пен Сонер кiтабының II.4-бөлiмiне немесе Пайдаланушылар нұсқаулығындағы жартылай реактивтi ұшақтарды қолдану туралы анықтамаға қараңыз. Дегенеративтi эллипстiк: Егер кез келген екi симметриялық матрица және , мұнда матрица оң анықталған болса, және кез келген , және мәндерi үшiн, мына теңсiздiк орындалады. Мысалы, (Лапласианды бiлдiретiн белгi) дегенеративтi эллипстiк болып табылады, себебi бұл жағдайда , ал матрицаның iзi оның өзiндiк мәндерiнiң қосындысы болады. Кез келген нақты бiрiншi реттiк теңдеу дегенеративтi эллипстiк болып табылады. Сiңiмдiлiк субшешiмi: Жоғары жартылай үздіксіз функция , егер кез келген нүкте және функция үшiн, мұнда олардың маңайында болса, онда бұл жоғарыда аталған дегенеративтi эллипстiк теңдеудің сiңiмдiлiк мағынасындағы субшешiмi деп анықталады. Сiңiмдiлiк супершешiмi: Төменгi жартылай үздіксіз функция , егер кез келген нүкте және функция үшiн, мұнда олардың маңайында болса, онда бұл жоғарыда аталған дегенеративтi эллипстiк теңдеудің сiңiмдiлiк мағынасындағы супершешiмi деп анықталады. Сiңiмдiлiк шешiмi: Үздіксіз функция , егер ол супершешiм де, субшешiм де болса, онда бұл PDE-нiң сiңiмдiлiк шешiмi болып табылады. Атап айтқанда, шекаралық шарттар сiңiмдiлiк мағынасында мұнда талқыланбады.

Мысал

Шекаралық мәндер есебін қарастырайық, немесе , [0,1] аралығындағы шекаралық шарттармен . Онда, функция – тұтқырлық шешімі болып табылады. Шындығында, шекаралық шарттар классикалық түрде орындалатынын және функция ішкі аймақта жақсы анықталғанын, бірақ тек нүктесінде ғана анықталмағанын ескерейік. Демек, тұтқырлық субшешім және тұтқырлық супершешім үшін шарттар нүктесінде орындалатынын көрсету қажет. функциясы нүктесінде дифференциалданатын және нүктесіне жақын болсын деп есептейік. Осы шарттардан келесі шығады: . үшін бұл теңсіздік , екенін білдіреді, себебі . Екінші жағынан, үшін , себебі функция дифференциалданатындықтан, сол және оң жақ шектері сәйкес келіп, тең болады, сондықтан біз , яғни , демек, функция – тұтқырлық субшешімі. Сонымен қатар, функция супершешім болып табылады, себебі нүктесінде және оның айналасында дифференциалданатын функция жоқ. Бұл функцияның тұтқырлық шешімі екенін білдіреді. Шындығында, осы есеп үшін функцияның бірегей тұтқырлық шешімі екенін дәлелдеуге болады. Бірегейлік бөлігі күрделірек дәлелді қажет етеді.

Талқылау

Алдыңғы шектік мәндер мәселесі – бір кеңістіктік өлшемдегі эйконал теңдеуі, мұндағы шешім домен шекарасына дейінгі белгілі қашықтық функциясы болып табылады. Сондай-ақ, алдыңғы мысалда, белгісінің маңыздылығын атап өту қажет. Атап айтқанда, бірдей шекаралық шарттармен берілген ПДИ-нің тұтқырлық шешімі – . Бұл шешімнің жоғалып бара жатқан тұтқырлық мәселесінің лимит шешімі екенін байқау арқылы түсіндірілуі мүмкін, ал – жоғалып бара жатқан тұтқырлық мәселесінің лимит шешімі. шешімнің әрбір үшін ПДИ-ді шешетінін оңай тексеруге болады. Сонымен қатар, шешімдер отбасы тұтқырлық нольге жақындағанда шешімге жақындайды (суретті қараңыз).

Негізгі қасиеттері

Сілiмдiк ерiтiндiлерiнiң үш негiзгi қасиетi – болу, бiрегейлiк және тұрақтылық. Ерітiндiлердiң бiрегейлiгi теңдеуде кейбiр қосымша құрылымдық талаптарды қажет етедi. Дегенмен, оны эллипстік теңдеулердiң өте үлкен класы үшін көрсетуге болады. Кейiннен, 1984 жылы Крандалл, Эванс және Лайонстың бiрлесiп жасаған жұмысында Гамильтон-Джакоби теңдеуiнiң сiлiмдiк ерiтiндiлерiнiң анықтамасы мен қасиеттерi жетiлдiрiлдi. Бiрнеше жыл бойы сiлiмдiк ерiтiндiлерге қатысты жұмыстар бiрiншi реттiк теңдеулерге бағытталды, себебi екiншi реттiк эллипстік теңдеулердiң ерекше жағдайларды ескере алмайынша, бiрегей сiлiмдiк ерiтiндiсi болатыны белгiсiз болды. 1988 жылы Роберт Дженсеннiң енгiзген салыстыру принципін қолдану арқылы, шешiмнiң екіншi туындысы бар реттелген жуықтамасын пайдалана отырып, маңызды нәтижеге қол жеткiзiлдi (дәлелдердiң қазiргi нұсқаларында бұл sup-конволюциялар және Александров теоремасы арқылы қол жеткiзiледi). Кейiнгi жылдары сiлiмдiк ерiтiндiлер түсiнiгi дегенеративтi эллиптикалық ПДЭ-ны талдауда кеңiнен таралды. Барлес және Суганидис тұрақтылық қасиеттерiне сүйене отырып, шектi айырмашылық схемаларының жуықтасуының өте қарапайым және жалпы дәлелiн алды. Сiлiмдiк ерiтiндiлердiң қосымша тұрақтылық қасиеттерi, әсiресе бiркелкі эллиптикалық жағдайда Луис Каффареллидiң жұмысы арқылы алынды. Сiлiмдiк ерiтiндiлер эллиптикалық ПДЭ-ны зерттеудегi маңызды ұғымға айналды. Әсiресе, сiлiмдiк ерiтiндiлер шексiз Лапласианды зерттеуде маңызды рөл атқарады. Қазiргi таңдағы тәсiл бойынша, ерiтiндiлердiң болуы көбiнесе Перрон әдiсi арқылы қамтамасыз етiледi. Бұл жағдайда, сiлiмдiк ирротациялық, сығылмайтын сұйықтықтың көлемдiк сiлiмдiлiгiне сәйкес келедi. Басқа ұсыныстар да болды: олардың негiз қалаушыларының құрметiне Crandall-Lions ерiтiндiлерi, олардың тұрақтылық қасиеттерiне сiлтеме жасайтын әлсiз ерiтiндiлер немесе олардың ең ерекше қасиеттерiне байланысты салыстыру ерiтiндiлерi.