Fourier变换解热方程

考虑

(){tuΔu=f(x,t),xRnu(x,0)=φ(x)

由于算子 ΔRn 有绝对连续谱:

ΔRn(eixξ)=|ξ|2eixξ,x0[0,+)

可以用 Fourier 变换处理。

注:分离变量法与 Fourier 变换
分离变量法和 Fourier 变换是一回事
离散谱:Fourier 级数
绝对连续谱:Fourier 变换

用 Fourier 变换研究初值问题

() 两边关于 x 作 Fourier 变换,可得

{tu^(ξ,t)+4π2|ξ|2u^(ξ,t)=f^(ξ,t)u^(ξ,0)=φ^(ξ)

这是一阶线性常微分方程,解得

u^(ξ,t)=e4π2|ξ|2tφ^(ξ)+0te4π2|ξ|2(ts)f^(ξ,s)ds

f0,则 u(x,t)=(e4π2|ξ|2t)φ., 表示逆变换

对 Schwarz 函数的对偶空间 f(S(Rn))=S(Rn) )(缓增分布)
定义 Fourier 变换为 f^,φ=f,φ^φS(Rn)

解方程

{utΔu=0,xRnu(x,0)=φ(x)

两边作 Fourier 变换得

{tu^+4π2|ξ|2u^(ξ,t)=0u^(ξ,0)=φ^(ξ)

u^(ξ,t)=e4π2|ξ|2tφ^(ξ)

两边同时取 Fourier 逆变换,得

u(x,t)=(e4π2|ξ|2tφ^)=(e4π2|ξ|2t)φ=41(2πt)nπn2eπ2|x2πt|2=e|x|24t(4πt)n2

这就解出了方程:

u(x,t)1(4πt)n2Rne|xy|24tφ(y)dy

性质探究:是不是解?

K(x)=1(4π)n2e|x|24Kt(x)=1(t)nK(xt),则

u(x,t)=(Ktφ)(x)

对于 {Kt(x)}t>0,有

RnKt(x)dx=RnK(x)dx=1
Rn|Kt(x)|dx=1(bounded)
  1. η>0
|x|>η|Kt(x)|dx=y=x/t|y|>η/tK(y)dyt0+0.

Claim .

φ 是连续、有界函数,则 limt0+u(x,t)=φ(x).

说明解是解这个初值问题的。

证明

u(x,t)φ(x)=RnKt(y)φ(xy)dxRnKt(y)φ(x)dy=z=y/tRnK(z)φ(xtz)K(z)φ(x)dz=RnK(z)(φ(xt)φ(x))dz.

ε>0δ s.t. |y|<δ,则

|φ(xy)φ(x)|<ε

且由于 K(z)Rn 上可积, ε>0R s.t.

|z|>RK(z)dz<ε

于是

|u(x,t)φ(x)|=|RnK(z)(φ(xtz)φ(x))dz||z|>R+|z|<R

后一项:由于 t0+|tz|<δ,因此

|φ(xtz)φ(x)|<ε

||ε|K(z)|dzε

前一项:设 |φ|MxRn,则 2M|z|>R|K(z)|dz2Mε.
|uφ|<ε,Claim 得证。

解的性质

原方程的解是 φ 与一个光滑函数的卷积,因此

  1. t>0 ,解 u(x,t)C 是光滑的。(卷积磨光)
  2. supx|u(x,t)|supx|φ(x)|;若 φ(x)>0u>0
  3. 无限传播速度。
  4. 沿时间不能反向演化:u(x,t) 不满足方程。(反观波方程:可以)
    (热方程的熵:Rnulogudx

非齐次

{tuΔu=f(x,t),xRnu(x,0)=φ(x)

作 Fourier 变换

{tu^+4π2|ξ|2u^(ξ,t)=f^(ξ,t)u^(ξ,0)=φ^(ξ)u^(ξ,t)=e4π2|ξ|2tφ^(ξ)+0te4π2|ξ|2(ts)f^(ξ,s)ds

再作 Fourier 逆变换

u(x,t)=1(4πt)n2Rne|xy|24tφ(y)dy+0t1(4π(ts))n2Rne|xy|24(ts)f(y,s)dyds