如何确定结构保持(能量、质量守恒)的 PDE?

计算科学 数值分析 数值建模
2021-12-27 06:51:22

如何判断一个偏微分方程是否是结构守恒的(能量守恒,质量守恒)?判断保存结构是否有一些标准?或者更确切地说,如何推导出 PDE 的能量守恒形式的公式?我是这个领域的新手,我渴望收到一些关于这些主题的参考资料(一些书籍、代表性论文或一些专家的主页)。

3个回答

如果偏微分方程是从最小作用原理推导出来的,并且如果它具有不变性,那么某些量是守恒的。例如,在力学中,关于时间的不变性意味着某个标量(称为“能量”)的守恒,关于框架原点的不变性意味着某个向量的守恒(称为“动量”)和相对于框架的方向意味着另一个向量(“角动量”)的守恒。Emmy Noether 的一般定理研究了这些对称性和守恒量的结构。

关于点力学的例子,Landau 的课程 [1] 非常清晰,非常完整。关于 Emmy Noether 的一般理论,[2] 非常有启发性并且相当容易阅读,无需太多背景知识。

[1] Landau 和 Lifshitz,理论物理课程,第 1 卷 - 力学

[2] 德怀特·诺伊恩施万德,艾美·诺特的奇妙定理

我认为质量转换不属于同一类别的保存量。例如在流体动力学中,它由连续性方程明确地强制执行。

正如 Bruno Levy 所指出的,某些类别的物理系统具有众所周知的结构特性。例如,考虑一个哈密顿系统

z˙=JH(z)

其中是一个辛矩阵,是哈密顿量。哈密​​顿量本身被保留,任何其他函数也被保留,使得泊松括号对于所有这类系统的对称性产生了守恒定律,并且有使用符号代数的软件包可以自动发现任意 ODE 系统的一些对称性(另请参阅此列表JHHF{H,F}=HJF=0z)。哈密​​顿系统具有其他与对称性或守恒定律不直接相关的有用性质。例如,每个平衡点要么是鞍点,要么是中心,即不存在渐近稳定的平衡;在哈密顿流下,相空间区域的体积始终保持不变;和许多其他人。但是,如果您还不确定开始时,用算法确定某个完全任意的系统是否是哈密顿系统可能是不可行的,特别是当您考虑非规范泊松结构时。

其他类型的系统具有不同的结构特性。例如,考虑梯度流

z˙=F(z) ;

然后沿着这个系统的轨迹。热方程是梯度流动的典型例子。梯度流在的极值处具有平衡,平衡点的稳定性取决于dF/dt0FF. 与哈密顿系统不同,梯度流可以具有稳定的平衡。

哈密​​顿系统和梯度流都具有有趣且有用的结构,但通常没有算法可以采用任意微分方程并找出它属于哪一类系统。你当然可以排除一些可能性。例如,如果系统显然具有渐近稳定的平衡,则它不可能是哈密顿量。同样,如果系统的线性化不是对称矩阵,则根据Clairaut 定理,它不可能是梯度流

此外,在实际应用中总是有一些奇怪的例子与任何分类方案相悖。例如,线性偏微分方程通常分为椭圆、双曲线或抛物线,但有许多示例并不完全适合这些类别:欧拉-特里科米方程在空间域内改变类型;描述薄膜流动的偏微分方程是一个混合椭圆双曲线系统;等等。

偏微分方程基本主题的标准参考是 Lawrence C. Evans 的教科书“偏微分方程”。他的第 8.6 章以非常简洁的方式讨论了诺特定理。

这个问题非常广泛,因此很难确定具体的参考。关于诺特定理的维基百科文章可能是一个好的开始,包括那里给出的参考资料