二阶PDE的分类与总结
4.1.1 二阶常系数偏微分方程的分类
u=u(x,y),n=2a11uxx+2a12uxy+a22uyy+b1ux+b2uy+c0u=f
换一个坐标
{x=x(ξ,η)=aξ+bηy=y(ξ,η)=cξ+dη
得到
u(x,y)=u(x(ξ,η)+y(ξ,η))=u(ξ,η)
并且有
ux=uξξx+uηηxuy=uξξy+uηηyuxx=(uξ)xξx+uξξxx+(uη)xηx+uηηxx=(uξξξx+uξηηx)ξx+(uηξξx+uηηηx)ηxuyy==(uξξξy+uξηηy)ξy+(uηξξy+uηηηy)ηy
写成矩阵形式
Dx,y2u=(uxxuyxuxyuxy)Dξ,η2u=(uξξuηξuξηuηη)
那么二阶导数可以写成
uxx=(ξxηx)(uξξuηξuξηuηη)(ξxηx)
进一步可以得到
D(x,y)2u=(ξxξyηxηy)(uξξuηξuξηuηη)(ξxηxξyηy)=J0Dξ,η2uJ0T
Tr(AD(x,y)2)=Tr(AJ0D(x,y)2uJ0T)=Tr(J0TAJ0Dξ,η2)
选取正交矩阵J0,使得
J0TJ0=J0J0T=IJ0TAJ0=(λ100λ2)
故
Tr(AD(x,y)2)=Tr((λ100λ2)(uξξuηξuξηuηη))=λ1uξξ+λ2uηη
其中λ1,λ2 为矩阵的特征值
矩阵的特征值满足以下特征方程
∣λI−A∣=det((λ−a11−a12−a12λ−a22))=(λ−a11)(λ−a22)−a122=λ2−(a11+a22)λ−(a122−a11a22)=0
得到特征值的解
λ±=2T0±T02+4Δ0