Уравнение Монжа – Ампера - Monge–Ampère equation

В математика, а (реальный) Уравнение Монжа – Ампера является нелинейным уравнение в частных производных особого вида. Уравнение второго порядка для неизвестной функции ты двух переменных Икс,у имеет тип Монжа – Ампера, если он линейен по детерминант из Матрица Гессе из ты а во втором порядке частные производные из ты. Независимые переменные (Икс,у) варьируются в данном домене D из р². Термин также применяется к аналогичным уравнениям с п независимые переменные. Наиболее полные результаты до сих пор были получены, когда уравнение эллиптический.

Уравнения Монжа – Ампера часто возникают в дифференциальная геометрия, например, в Weyl и Минковский проблемы в дифференциальная геометрия поверхностей. Впервые они были изучены Гаспар Монж в 1784 г.^[1] а позже Андре-Мари Ампер в 1820 г.^[2]. Важные результаты в теории уравнений Монжа – Ампера были получены А. Сергей Бернштейн, Алексей Погорелов, Чарльз Фефферман, и Луи Ниренберг.

Описание

Учитывая две независимые переменные Икс и у, и одна зависимая переменная ты, общее уравнение Монжа – Ампера имеет вид

{displaystyle L [u] = A (u_ {xx} u_ {yy} -u_ {xy} ^ {2}) + Bu_ {xx} + 2Cu_ {xy} + Du_ {yy} + E = 0,}

куда А, B, C, D, и E - функции, зависящие от переменных первого порядка Икс, у, ты, ты_Икс, и ты_у Только.

Теорема Реллиха

Пусть Ω - ограниченная область в р³, и предположим, что на Ω А, B, C, D, и E являются непрерывными функциями Икс и у Только. Рассмотрим Задача Дирихле найти ты так что

{displaystyle L [u] = 0, quad {ext {on}} Omega}

{displaystyle u | _ {частичная омега} = g.}

Если

{displaystyle BD-C ^ {2} -AE> 0,}

то проблема Дирихле имеет не более двух решений.^[3]

Результаты эллиптичности

Предположим теперь, что Икс переменная со значениями в домене в р^п, и это ж(Икс,ты,Du) - положительная функция. Тогда уравнение Монжа – Ампера

{displaystyle L [u] = det D ^ {2} u-f (mathbf {x}, u, Du) = 0qquad qquad (1)}

это нелинейный эллиптическое уравнение в частных производных (в том смысле, что это линеаризация эллиптический), если ограничить внимание выпуклый решения.

Соответственно, оператор L удовлетворяет версии принцип максимума, и в частности решения проблемы Дирихле уникальны, если они существуют.^{[нужна цитата ]}

Приложения

Уравнения Монжа – Ампера естественным образом возникают в нескольких задачах Риманова геометрия, конформная геометрия, и Геометрия CR. Одно из самых простых приложений - решение задачи предписанного Кривизна Гаусса. Предположим, что действительная функция K задается на области Ω в р^пзадача заданной кривизны Гаусса стремится отождествить гиперповерхность р^п+1 как график z = ты(Икс) над Икс ∈ Ω, так что в каждой точке поверхности кривизна Гаусса равна K(Икс). В результате получается уравнение в частных производных:

{displaystyle det D ^ {2} u-K (mathbf {x}) (1+ | Du | ^ {2}) ^ {(n + 2) / 2} = 0.}

Уравнения Монжа – Ампера связаны с Задача Монжа – Канторовича об оптимальных перевозках масс., когда «функционал стоимости» в нем определяется евклидовым расстоянием.^[4]

Смотрите также

Комплексное уравнение Монжа – Ампера.

Дополнительные ссылки

Гилбарг, Д. и Трудингер, Н.С. Эллиптические дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка. Берлин: Springer-Verlag, 1983. ISBN 3-540-41160-7 ISBN 978-3540411604
СРЕДНИЙ. Погорелов (2001) [1994], «Уравнение Монжа – Ампера», Энциклопедия математики, EMS Press

внешняя ссылка

Вайсштейн, Эрик В. "Дифференциальное уравнение Монжа-Ампера". MathWorld.

[1] Монж, Гаспар (1784). "Mémoire sur le Calcul intégral des équations aux différences partielles". Mémoires de l'Académie des Sciences. Париж, Франция: Imprimerie Royale. С. 118–192.

[2] Ампер, Андре-Мари (1819). Mémoire contenant l'application de la theorie Expée dans le XVII. e Cahier du Journal de l'École polytechnique, à l'intégration des équations aux différentielles partielles du premier et du second ordre. Париж: королевская империя. Получено 2017-06-29.

[3] Courant, R .; Гильберт, Д. (1962). Методы математической физики. 2. Издатели Interscience. п. 324.

[4] Бенаму, Жан Давид; Ян Бренье (2000). "Вычислительная механика жидкости решение проблемы массопереноса Монжа-Канторовича". Numerische Mathematik. 84 (3): 375–393. Дои:10.1007 / s002110050002.

[1]

[2]

[3]

[4]