椭圆型方程组(system of elliptic equations) 是描述稳定或定常状态的一类
偏微分方程组。偏微分是分析数学的重要分支之一。包含未知函数及其偏导数的等式叫做偏微分方程。偏微分方程理论研究一个方程(组)是否有满足某些补充条件的解,有多少个解,解的各种性质及解的求法等。
概念
椭圆型方程组(system of elliptic equations) 是描述稳定或定常状态的一类
偏微分方程组。关于自变量x=(x1,x2,…,xn)的N个未知函数的N个2m阶
线性方程组有如下形式:
其中u,f是具有N个分量的向量函数,
是N×N阶矩阵,B是阶数低于2m的微分算子,和式对所有足标k1,k2,…,k2m从0取到n。如果矩阵:
的行列式当ξ21+ξ22+…+ξ2n≠0时异于零,则称这个方程组在点x在彼得罗夫斯基意义下是椭圆型的。如果对任意实向量ζ=(ζ1,ζ2,…,ζN)≠0和具有:
的任何实数ξ1,ξ2,…,ξn,二次型:
就称这个方程组在点x是强椭圆型的。此处符号η·ζ表示N维向量的内积。
偏微分方程
分析数学的重要分支之一。包含未知函数及其偏导数的等式叫做偏微分方程。偏微分方程理论研究一个方程(组)是否有满足某些补充条件的解,有多少个解,解的各种性质及解的求法等。
微积分理论形成后不久,在18世纪初,人们就结合各种物理问题研究偏微分方程。最早引起数学家兴趣的是关于弦的振动问题。英国数学家泰勒在1713—1715年就导出了一根张紧的振动弦的基频。法国数学家达朗贝尔在1747年建立了第一个弦振动方程:
并且得到形如两个任意函数之和的解:
丹尼尔·伯努利和欧拉等人研究了这个方程的解,并且比达朗贝尔更完整地考虑了解的边界条件和初始条件。围绕着解用
三角级数表示等问题在18世纪下半叶引起了一场激烈的争论。
1759年,欧拉考虑矩形鼓和球面波的振动,建立了二维和三维的
波动方程。由于对万有引力的研究,出现了所谓的位势方程:
它首次出现在欧拉1752年的论文中。拉格朗日和勒让德,特别是后者对这个方程的解进行了深入研究,由此引出所谓的勒让德多项式。后来由于拉普拉斯的出色工作而又称这种方程为
拉普拉斯方程。
一阶偏微分方程首先出现在几何问题和流体力学问题的研究中(1740年以后),蒙日给出一阶偏微分方程一般理论的几何解释。在
流体动力学中还出现了第一个
偏微分方程组。19世纪初期,柯西和拉格朗日等解决了一阶偏微分方程的求解问题,其基本方法是化为求解一阶常微分方程组。
在整个18世纪,对偏微分方程的研究都是处于不自觉的状态。人们认识到解偏微分方程不需要什么新的特殊技巧,它与解常微分方程的不同之处在于解中可以出现任意函数。在这一时期,通常认为把它们化为
常微分方程后便可求解,对偏微分方程理论的探讨还有待深入。
到了19世纪,随着物理科学所研究的现象在广度和深度两方面的扩展,偏微分方程逐渐成为数学研究的中心。不仅出现了一些新的类型,而且已有类型的应用范围也不断扩大。
1822年,法国数学家傅立叶在研究热传导规律时,发现了(三维)
热传导方程:
为了在各种定解条件下积分热传导方程,傅立叶首先系统地用三角级数的形式表示未知解,由此引起对
傅立叶级数的研究。
1839年,德国数学家杜布瓦-雷蒙引入了偏微分方程的标准分类法,他分别称上述波动方程、位势方程和热传导方程为双曲型的、椭圆型的和抛物型的。至此,人们逐渐弄清了二阶
线性偏微分方程的重要类型。
二阶以上的偏微分方程,很难化成
常微分方程求解。求方程满足某种特定条件的解叫做定解问题。由于偏微分方程都有很强的实际背景,因此定解问题的提法也比较多。例如对于
热传导方程,主要研究柯西问题;对于波动方程,研究最多的也是柯西问题和初边值问题;对于位势方程,则主要研究两种边值问题,第一边值问题被称为
狄利克雷问题,第二边值问题被称为诺伊曼问题。
对于上述种种定解问题,到19世纪末,已有许多解法。但定解问题的系统理论到20世纪才趋于成熟。法国数学家阿达马在20世纪初建立了偏微分方程定解问题适定性的概念。根据他的观点,如果定解问题的解存在、唯一并且连续依赖于定解条件,那么就称之为适定的。
阿达马被誉为二阶
线性偏微分方程的总结者,他不仅对定解问题做出贡献,而且根据二阶方程的特征表达式对方程进行分类,为了研究不同类型方程的共性,他还提出一般方程基本解的概念,为偏微分方程理论的建立奠定了基础。
19世纪末,人们开始在解析函数范围内研究偏微分方程。
柯西研究了满足某种初始条件的偏微分方程组,建立了著名的柯西存在性定理,他的工作后来被俄国数学家柯瓦列夫斯卡娅独立完成并推广。对于解析函数领域中的偏微分方程,人们还得到其他比较一般的结果。
在特殊类型的二阶方程得到充分的研究之后,数学家们转向一般的二阶方程,陆续得到一些结果。20世纪30年代以来,各种泛函分析方法被应用于偏微分方程的研究,不仅可以讨论二阶方程,而且发展了高阶方程的理论,并在一般的一阶方程组中也得到许多成果。偏微分方程理论发生了很大的变化。
20世纪40—50年代,人们逐渐认识到绝大多数的偏微分方程(组)无法按经典的分类进行研究,因此需要建立尽可能普遍适用的理论或给出新的分类法。瑞典数学家赫尔曼德、美国数学家卢伊等在这方面都有重要工作。
对于变系数线性方程和
非线性方程的研究,在20世纪60年代以后获得了许多进展,不断发展出一些独特的数学方法。微分算子的概念有很多扩充,出现了拟微分算子和傅立叶积分算子等工具。在非线性问题的研究中,除不动点方法外,拓扑度方法和变分法都是十分有效的工具。