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¿Para unir una ecuación de calor en una línea real?

Deje que$\displaystyle\mathcal{H}_{t}(x)=\frac{1}{(4\pi t)^{1/2}}e^{-x^{2}/4t}$ sea el núcleo de calor .

La condición inicial impuesta para la ecuación de calor en una línea real es$u(x,0)=f(x)$ una función pertenece a Schwartz Space .

Entonces para $u(x,t)=(f*\mathcal{H}_{t})(x)$

En mi libro de texto, el autor usa la siguiente estimación para enlazar$t>0$:

$u(x,t)$ $$$\displaystyle|u(x,t)|\leq \int_{|y|\leq |x|/2}|f(x-y)|\mathcal{H}_{t}(y)\,dy+\int_{|y|\geq |x|/2}|f(x-y)|\mathcal{H}_{t}(y)\,dy$ $ donde$$\displaystyle\leq\frac{C_{N}}{(1+|x|)^{N}}+\frac{B}{\sqrt{t}}e^{-Dx^{2}/t}$ son constantes.

Mi pregunta es ¿por qué usar los casos$C_{N},B,D>0$ y$|y|\leq|x|/2$? ¿Cómo es que limita la segunda integral de esta manera?

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Notación: probablemente voy a ser un poco desordenado, y absorbe una gran cantidad de constantes como es habitual con este tipo de cosas.

Si $f$ es en el espacio de Schwartz, a continuación, $f$ es infinitamente derivable (en particular continuo), y $f$ (así como sus derivados) caen más rápido que cualquier polinomio. Ahora, queremos dividir la integral $$ u(x,t) = \int_{\mathbb{R}^n} f(x-y)H_t(y)~dy = a + B $$ en las dos integrales a $A$$B$, de modo que tenemos un buen control tanto de $A$$B$. Si decidimos dividir la integral en un dominio compacto y su complemento, entonces ya tenemos un buen control en $g$ sobre conjuntos compactos y de control global en $|f(x-y)|$ (desde $f$ es un Schwartz función) es fácil control de la $A$ $|x|$ sobre el pacto de dominio; el problema es lidiar con $f(x-y)H_t(y)$ cerca de infinito.

Con eso dicho, ¿cómo debemos elegir nuestro dominio compacto? $H_t(y)$ decae rápidamente como $|y|\to\infty$, por lo que el problema es cómo lidiar con $|f(x-y)|$, e $|f(x-y)|$ son los siguientes: $\sup|f(z)|<\infty$ desde $f$ es un Schwartz función. Ya que tenemos el control sobre la integral en términos de $|x|$ esto no nos ayuda, pero podemos pasar de la dependencia de la $x$ a $H_t$ a través de $$ \int_\Omega f(x-y)H_t(y)~dy = \int_\Omega f(y)H_t(x-y)~dy. $$ Así que esta integral es delimitada por $$ \left|\int f(y)H_t(x-y)~dy\right| \leq C\left|\int H_t(x-y)~dy\right| \leq \frac{C}{\sqrt{t}}\left|\int e^{\frac{-|x-y|^2}{4t}}~dy\right|. $$ Este último término es $$ \left|\int_\Omega e^{(-|x|^2 + 2x\cdot y - |y|^2)/4t}~dy\right| \leq e^{-\frac{-|x|^2}{4t}}\left|\int_\Omega e^{\frac{2|x||y|}{4t}}e^{\frac{-|y|^2}{4t}}~dy\right| = e^{-\frac{-|x|^2}{4t}}\int_\Omega e^{|y|(2|x|-|y|)/4t}~dy. $$ Ahora solo nos falta el control de $e^{|y|(2|x|-|y|)/4t}$, y aquí es donde podemos elegir nuestra $\Omega$. Al $|y|$ es grande en comparación con $|x|$, $2|x|-|y| \sim -|y|$ es negativo y el integrando se comporta como $$ e^{|y|(2|x|-|y|)/4t} \sim e^{-|y|^2/4t}, $$ lo que sabemos es integrable. A través de esta heurística dejamos $\Omega = \{y:|y|\geq |x|/m\}$. A continuación, en $\Omega$, $$ e^{|y|(2|x|-|y|)/4t} \leq e^{|y|(2m|s|-|y|)/4t} = e^{(\frac{1}{2}m-\frac{1}{4})|y|^2/t} $$ y para hacer de $\frac{1}{2}m - \frac{1}{4}$ negativo elegimos $m < \frac{1}{2}$, decir $m = \frac{1}{2+\epsilon}$. Por lo $\Omega = \{y:|y| > (2+\epsilon)|x|\}$ va a trabajar. Así que nos dividimos la integral en $$ u(x,t) = \int_{|y| \leq (2+\epsilon)|x|} f(x-y)H_t(y)~dy + \int_{|y| \geq (2+\epsilon)|x|} f(x-y)H_t(y)~dy = a + B. $$ $A$ está delimitado por $C/(1+|x|)^N$ debido a que el comportamiento de esta integrando es dominado por $|f(x-y)|$ $f$ es un Schwartz función, mientras que $B$ está delimitado por $$ \frac{C}{\sqrt{t}}e^{-|x|^2/4t}\int_{|y| \geq (2+\epsilon)|x|} e^{-D|y|^2/t}~dy \leq \frac{C}{\sqrt{t}}e^{-|x|^2/4t} $$ donde $D>0$. Esto nos lleva de la deseada límites $$ |u(x,y)| \leq \frac{C}{(1+|x|)^N} + \frac{B}{\sqrt{t}}e^{-D|x|^2/t}. $$

Precaución, $D$ depende de la elección de $\epsilon$. Si uno es más cuidadoso que uno podría ser capaz de deshacerse de la $\epsilon$ en la definición de $\Omega$, pero si usted sólo desea que estos límites, el valor preciso de $m$ no es importante siempre y cuando sea lo suficientemente pequeño.

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