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Classificazione delle PDE

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Academic year: 2021

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(1)

Classificazione delle PDE

Daniele Boffi

Dipartimento di Matematica “F. Casorati”

Universit`a di Pavia

daniele.boffi@unipv.it

http://www-dimat.unipv.it/boffi/

November 26, 2005

(2)

Classification of (linear) PDE’s

The case of two variables (can be generalized)

Lu ≡



A∂2u

∂x21 + B ∂2u

∂x1∂x2 + C∂2u

∂x22



+ L.O.T.

Matrix associated to quadratic form QF =

 A 12B

1

2B C



Note: A, B, and C might be functions themselves.

(3)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Compute eigenvalues λi of QF

I Elliptic equation: λ1λ2 > 0 (i.e., det(QF ) > 0) I Parabolic equation: λ1λ2 = 0 (i.e, det(QF ) = 0) I Hyperbolic equation: λ1λ2 < 0 (i.e., det(QF ) < 0)

With the notation of quadratic forms: definite form, semidefinite form, indefinite form, respectively.

(4)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Consider operator Lu ≡ A∂2u

∂x21 + B ∂2u

∂x1∂x2 + C∂2u

∂x22 = 0

and look for change of variables

ξ = αx2 + βx1, η = γx2 + δx1

so that Lu is a multiple of ∂ξ∂η2u (see wave equation) Lu = (Aβ2 + Bαβ + Cα2)∂2u

∂ξ2 + (Aδ2 + Bγδ + Cγ2)∂2u

∂η2 + (2Aβδ + B(αδ + βγ) + 2Cαγ) ∂2u

∂ξ∂η

(5)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Lu = (Aβ2 + Bαβ + Cα2)∂2u

∂ξ2 + (Aδ2 + Bγδ + Cγ2)∂2u

∂η2 + (2Aβδ + B(αδ + βγ) + 2Cαγ) ∂2u

∂ξ∂η If A = C = 0, trivial. Suppose A 6= 0; we want

2 + Bαβ + Cα2 = 0, Aδ2 + Bγδ + Cγ2 = 0

When αγ 6= 0, divide first equation by α2, second one by γ2 and solve for β/α and δ/γ, resp.

β/α = (2A)−1(−B ±

∆), δ/γ = (2A)−1(−B ±

∆)

∆ = B2 − 4AC

(6)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Hyperbolic case

ξ = αx2 + βx1, η = γx2 + δx1 β/α = (2A)−1(−B ± √

∆), δ/γ = (2A)−1(−B ± √

∆) For nonsingular change of variables, ∆ must be positive

α = γ = 2A, β = −B +

∆, δ = −B −

Lu = −4A(B2 − 4AC) ∂2u

∂ξ∂η

As before, solution has the form u = p(ξ) + q(η) and the lines ξ = constant and η = constant are called characteristics.

(7)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Actually, when x1 = t and x2 = x, the change of variables x0 = x − B

2At, t0 = t

maps our hyperbolic operator (A 6= 0) to a multiple of wave equation

2u

∂t2 − c22u

∂x2

Hence, L is a wave operator in a frameset moving at speed −B/(2A).

(8)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Parabolic case

Lu = (Aβ2 + Bαβ + Cα2)∂2u

∂ξ2 + (Aδ2 + Bγδ + Cγ2)∂2u

∂η2 + (2Aβδ + B(αδ + βγ) + 2Cαγ) ∂2u

∂ξ∂η For β/α = −B/(2A) coefficient of ∂ξ2u2 vanishes

But B/(2A) = 2C/B, so coefficient of ∂ξ∂η2u is zero as well Everything can be written as a multiple of ∂η2u2

(9)

Classification of PDE’s (cont’ed)

In conclusion, in the parabolic case, the change of variables ξ = 2Ax2 − Bx1, η = x1

maps the equation to A∂2u

∂η2 = 0

which has the general solution u = p(ξ) + ηq(ξ)

One family of characteristics ξ = constant

(10)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Elliptic case

No choice of parameters makes coefficients of ∂ξ2u2 and ∂η2u2 vanish In this case change of variables

ξ = 2Ax2 − Bx1

√4AC − B2, η = x1

maps equation to A  ∂2u

∂ξ2 + ∂2u

∂η2



= 0

No family of characteristics (infinite speed of propagation, no

(11)

Classification of PDE’s (cont’ed)

Final examples

I Laplace equation: elliptic I Wave equation: hyperbolic I Heat equation: parabolic

I Convection-diffusion equation:

∂u

∂t − ε∆u + div(~βu) = 0

parabolic, degenerating to hyperbolic as ε tends to zero.

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