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비선형 1계 미분방정식의 경계의 직선화 📂편미분방정식

비선형 1계 미분방정식의 경계의 직선화

빌드업

비선형 1계 미분 방정식특성 방정식을 쉽게 풀기 위한 방법 중 하나는 정의역 Ω\Omega의 경계인 Ω\partial \Omega의 어떤 작은 부분인 Γ\Gamma를 곧게 펴주는 것이다. 이는 항상 가능한 일이므로 경계 위의 점 x0x^{0}의 근방에서는 경계가 곧은 직선이라고 처음부터 가정하고 문제를 접근할 수 있다. 이를 경계의 직선화straightening the boundary라고 한다.

1.JPG

ΩRn\Omega \subset \mathbb{R}^{n}열린 집합이고 Ω\partial \OmegaC2C^{2}라고 하자. 그리고 편미분방정식 FC1(Rn×R×Ωˉ)F \in C^{1}(\mathbb{R}^{n} \times \mathbb{R} \times \bar \Omega)가 주어졌다고 하자. 그리고 다음과 같은 경계조건이 주어졌다고 하자.

{F(Du, u, x)=0in Ωu=gon Γ \begin{equation} \left\{ \begin{aligned} F(Du,\ u,\ x)&=0 && \text{in } \Omega \\ u&=g && \text{on } \Gamma \end{aligned} \right. \end{equation}

이때 ΓΩ\Gamma \subset \partial \Omega이고 g:ΓRg : \Gamma \to \mathbb{R}이다.

설명

경계위의 고정된 점 x0Ωx^{0} \in \partial \Omega가 있다. 그리고 변환 Φ : RnRn\Phi\ :\ \mathbb{R}^{n} \to \mathbb{R}^{n}를 다음과 같이 정의한다.

{Φ(Ω):=VΦ(x):=(Φ1(x), ,Φn(x))=(y1, , yn)=y,yVyi=Φi(x):=xi,xRn (i=1,,n1)yn=Φn(x):=xnγ(x1,,xn1),xRn \left\{ \begin{align*} \Phi (\Omega) &:= V \\ \Phi (x) &:= \left( \Phi^{1}(x),\ \cdots, \Phi^{n}(x) \right) = (y_{1},\ \cdots,\ y_{n})=y, \quad y \in V \\ y_{i}=\Phi^{i}(x) &:= x_{i}, \quad x \in \mathbb{R}^{n}\ (i=1,\cdots, n-1) \\ y_{n}=\Phi^{n}(x) &:= x_{n}-\gamma (x_{1},\cdots,x_{n-1}), \quad x \in \mathbb{R}^{n} \end{align*} \right.

Φ\Phi는 경계의 어떤 부분의 nn번째 좌표를 00으로 만들어주는 변환이다. 이는 정의에 의해서 전단사임이 자명하다. 따라서 역변환이 존재하고 이를 Ψ\Psi라고 하자.

{lΨ(y):=Φ1(y)Ψi(y)=xi=yi,yRn (i=1,,n1)Ψn(y)=xn=yn+γ(x1,,xn1),xRn \left\{ \begin{align*} {l}\Psi (y) &:= \Phi^{{}-1}(y) \\ \Psi^{i}(y) &= x_{i}=y_{i}, \quad y \in \mathbb{R}^{n}\ (i=1,\cdots, n-1) \\ \Psi^{n}(y) &= x_{n}=y_{n}+\gamma (x_{1},\cdots,x_{n-1}), \quad x \in \mathbb{R}^{n} \end{align*} \right.

이를 그림으로 나타내면 아래와 같다.

2.JPG

이제 ΓΩ\Gamma \subset \partial \Omega가 열린 집합이고 gC(Γ)g\in C(\Gamma)라고 하자. 그리고 고정된 점 x0Γx^{0} \in \Gamma가 주어졌다고 하자. 그리고 uC1(Ω)C(Ωˉ)u \in C^{1} (\Omega)\cap C(\bar \Omega)가 경계조건 (1)(1)을 푸는 해라고 가정하자. 그리고 vv를 아래와 같이 정의하자.

v(y):=u(Ψ(y)) yV v(y) := u(\Psi (y)) \quad \forall\ y\in V

다시 말해 VV에서 uu와 같은 함숫값을 가지는 vv를 정의한 것이다. 그러면 다음이 성립한다.

u(x)=v(Φ(x)) xΩ u(x)=v(\Phi (x)) \quad \forall\ x\in \Omega

이제 Du,u,xDu, u, xVV에서 어떻게 되는지 알아보자. 우선 uxiu_{x_{i}}부터 계산해보면 다음과 같다.

uxi(x)=k=1nvyk(Φ(x))Φxik(x) u_{x_{i}}(x)=\sum \limits _{k=1}^{n} v_{y_{k}} \left( \Phi (x) \right) \Phi^{k}_{x_{i}}(x)

따라서

Du(x)=(k=1nvyk(Φ(x))Φx1k(x), , k=1nvyk(Φ(x))Φxnk(x))=(vy1Φx11++vynΦx1n, , vy1Φxn1++vynΦxnn)=(vy1vy2vyn)(Φx11Φx21Φxn1Φx12Φx22Φxn2Φx1nΦx2nΦxnn)=Dv(Φ(x))DΦ(x) \begin{align*} Du(x) &= \left( \sum \limits _{k=1}^{n} v_{y_{k}} \left( \Phi (x) \right) \Phi^{k}_{x_{1}}(x),\ \cdots,\ \sum \limits _{k=1}^{n} v_{y_{k}} \left( \Phi (x) \right) \Phi^{k}_{x_{n}}(x) \right) \\ &= (v_{y_{1}}\Phi^{1}_{x_{1}}+\cdots+v_{y_{n}}\Phi^{n}_{x_{1}},\ \cdots ,\ v_{y_{1}}\Phi^{1}_{x_{n}}+\cdots+v_{y_{n}}\Phi^{n}_{x_{n}} ) \\ &= \begin{pmatrix} v_{y_{1}} & v_{y_{2}} & \cdots & v_{y_{n}} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \Phi^{1}_{x_{1}} & \Phi^{1}_{x_{2}} & \cdots &\Phi^{1}_{x_{n}} \\ \Phi^{2}_{x_{1}} & \Phi^{2}_{x_{2}} & \cdots & \Phi^{2}_{x_{n}} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \Phi^{n}_{x_{1}} & \Phi^{n}_{x_{2}} & \cdots & \Phi^{n}_{x_{n}} \end{pmatrix} \\ &= Dv\left( \Phi (x) \right) D\Phi (x) \end{align*}

혹은

Du(Ψ(y))=Dv(y)DΦ(Ψ(y)) Du(\Psi (y)) = Dv(y) D\Phi (\Psi (y))

그러면 (1)(1)의 식은 다음과 같다.

F(Du(Ψ(y)),u(Ψ(y)),Ψ(y))=F(Dv(y)DΦ(Ψ(y)),v(y),Ψ(y))=0 F\Big( Du(\Psi (y) ), u( \Psi (y) ), \Psi (y) \Big) = F\Big( Dv(y)D\Phi (\Psi (y)), v(y), \Psi (y) \Big)=0

이제 다음과 같이 비선형 1계 편미분 방정식을 정의하자.

G(q,w,y):=F(qDΦ(Ψ(y)),w,Ψ(y)),(q,w,y)Rn×R×Vˉ G(q, w, y):=F \Big (q D\Phi (\Psi (y) ), w, \Psi (y) \Big), \quad \forall (q, w, y)\in\mathbb{R}^{n}\times\mathbb{R}\times\bar V

그러면 GC1(Rn×R×Vˉ)G\in C^{1}(\mathbb{R}^{n} \times \mathbb{R} \times \bar V)이고 위의 결과들로부터 아래의 식이 성립한다.

G(Dv(y), v(y), y)=0,yV G \Big( Dv(y),\ v(y),\ y \Big)=0, \quad \forall y\in V

그리고 Δ:=Φ(Γ)\Delta:=\Phi (\Gamma)이고 h(y):=g(Φ(y))yΔh(y):=g(\Phi (y)) \quad y \in \Delta라고 정의하자. 그러면 Δ\Delta는 열린 집합이고 ΔV\Delta \subset \partial V이다. 그리고 Δ\Deltay0y^{0} 근방에서 평평하다. 요약하자면, 위에서 정의한 vC1(V)C(Vˉ)v \in C^{1}(V) \cap C(\bar V)는 아래의 경계조건을 만족하는 해가 된다.

{G(Dv, v, y)=0in Vv=hon ΔV \left\{ \begin{align*} G(Dv,\ v,\ y) &= 0 && \text{in } V \\ v &= h && \text{on } \Delta \subset \partial V \end{align*} \right.

이는 (1)(1)과 경계의 어떤 임의로 선택한 부분이 평평하다는 것 밖에 다르지 않고 그 외에는 전부 같다. 그리고 항상 이렇게 경계를 평평하게 펴줄 수 있으므로 처음부터 주어진 문제가 이렇다고 가정하고 풀 수 있다.