內容簡介
This work is intended to provide a course of study of some of the major aspects of PDE. It is addressed to readers with a background in the basic introductory graduate mathematics courses in American universities: elementary real and complex analysis, differential geometry, and measure theory.
內頁插圖
目錄
Contents of Volumes I and III
Preface
7 Pseudo differential Operators
1 The Fourier integral representation and symbol classes
2 Schwartz kernels of pseudo differential operators
3 Adjoints and products
4 Elliptic operators and parametrices
5 L2 estimates
6 Garding's inequality
7 Hyperbolic evolution equations.
8 Egorov's theorem
9 Microlocal regularity
10 Operators on manifolds
11 The method of layer potentials
12 Parametrix for regular elliptic boundary problems
13 Parametrix for the heat equation
14 The Wey l calculus
15 Operators of harmonic oscillator type
Reference
8 Spectral Theory
1 The spectral theorem
2 Self-adjoint differential operators
3 Heat asymptotics and eigenvalue asymptotics
4 The Laplace operator on Sn
5 The Laplace operator on hyperbolic space
6 The harmonic oscillator
7 The quantum Coulomb problem
8 The Laplace operator on cones
References
9 Scattering by Obstacles
1 The scattering problem
2 Eigenfunction expansions
3 The scattering operator
4 Connections with the wave equatio
5 Wave operators
6 Translation representations and the Lax-Phillips semigroup Z( t)
7 Integral equations and scattering poles
8 Trace formulas; the scattering phase
9 Scattering by a sphere
10 Inverse problems l
11 Inverse problems II
12 Scattering by rough obstacles
A Lidskii's trace theorem
References
10 Dirac Operators and Index Theory
1 Operators of Dirac type
2 Clifford algebras
3 Spinors
4 Weitzenbock formulas
5 Index of Dirac operators
6 Proof of the local index formula
7 The Chern-Gauss-Bonnet theorem
8 Spinc manifolds
9 The Riemann-Roch theorem
10 Direct attack in 2-D
11 Index of operators of harmonic oscillator type
References
11 Brownian Motion and Potential Theory
1 Brownian motion and Wiener measure
2 The Feynman-Kac formula
3 The Dirichlet problem and diffusion on domains with boundary
4 Martingales, stopping times, and the strong Markov property
5 First exit time and the Poisson integral
6 Newtonian capacity
7 Stochastic integrals
8 Stochastic integrals, II
9 Stochastic differential equations
10 Application to equations of diffusio
A The Trotter product formula
References
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前言/序言
《現代微分方程理論:算子方法與非綫性演化》 作者: 約翰·A·史密斯(John A. Smith),數學科學研究所教授 齣版社: 經典數學叢書齣版中心 頁數: 約 850 頁(精裝) 齣版年份: 2023 年 --- 內容概述: 本書《現代微分方程理論:算子方法與非綫性演化》旨在為讀者提供一套全麵且深入的現代偏微分方程(PDE)理論框架,重點聚焦於偏微分方程在泛函分析、調和分析以及動力係統理論中的最新進展與核心工具。本書的深度和廣度超越瞭傳統的定性研究範疇,著重於構建求解和分析復雜非綫性方程組的數學基礎。 全書分為三個主要部分,共計十二章。第一部分(第1章至第4章)重建瞭讀者對綫性偏微分方程的理解,但視角完全轉嚮抽象的勒貝格空間和希爾伯特空間,引入瞭生成元理論和半群理論在常微分方程(ODE)嚮 PDE 推廣中的關鍵作用。 第二部分(第5章至第8章)是本書的核心,深入探討瞭非綫性算子理論及其在描述物理現象中的應用。最後一部分(第9章至第12章)則將理論應用於實際的物理模型,特彆是那些展現齣混沌、耗散結構或突變行為的係統。 --- 第一部分:綫性方程的抽象框架與調和分析基礎 本部分旨在鞏固讀者對綫性 PDE 的理解,但從更抽象、更具可操作性的泛函分析角度切入。 第1章:Sobolev 空間與弱解的嚴格定義 本章詳細迴顧瞭 $L^p$ 空間、有界變差函數空間(BV),並係統地引入瞭 Sobolev 空間 $W^{k,p}(Omega)$。重點在於區分經典解、弱解和分布解的內在聯係與區彆。著重探討瞭嵌入定理(Rellich-Kondrachov 緊緻性)及其在保證弱解存在性中的不可替代性。弱梯度的積分錶示法和對偶空間的概念貫穿全章。 第2章:橢圓型算子的譜理論與最大值原理的推廣 本章超越瞭標準的橢圓型方程,轉嚮研究帶有不規則邊界和非光滑係數的橢圓算子。引入算子譜理論,分析瞭拉普拉斯算子在黎曼流形上的推廣(廣義的邊界條件)。討論瞭通過比較原理(Maximum Principle)來推導解的正則性(如 Schauder 估計),並探討瞭在退化橢圓方程中最大值原理失效時的替代方法,如廣義黏性解(viscosity solutions)的初步介紹。 第3章:雙麯方程的特徵分析與能量方法 本章側重於雙麯方程(如波動方程和輸運方程)的因果結構。詳細分析瞭特徵綫理論(Lagrange-Charpit 方法)如何指導解的構造。能量方法(Energy Methods)是本章的重點,通過構造適當的能量泛函(如帶權能量),嚴格證明瞭柯西問題的適定性,並探討瞭能量耗散與波的傳播速度之間的關係。 第4章:拋物方程與平移不變性算子 拋物方程(如熱方程和擴散方程)的分析著重於時間尺度上的平滑化效應。本章引入瞭平移不變性算子(Translation-Invariant Operators)和捲積積分的概念,用於構造基礎解(Green's Function)。深入探討瞭積分估計(如 Gagliardo-Nirenberg 不等式),以在無界域上建立解的局部唯一性和全局存在性。 --- 第二部分:非綫性算子、變分法與隨機性 本部分是本書的理論高潮,旨在提供處理高度非綫性問題的先進工具,特彆是基於變分原理和不動點定理的方法。 第5章:變分結構與能量最小化 本章將 PDE 問題轉化為泛函的極值問題。詳細闡述瞭直接法(Direct Method of Calculus of Variations)的應用條件,特彆是緊緻性條件的選取。重點分析瞭非凸泛函(如 Ginzburg-Landau 泛函)帶來的挑戰,並介紹瞭山路定理(Mountain Pass Theorem)和極小極大原理在尋找非平凡解中的應用。 第6章:單調算子理論與不動點定理 本章是分析非綫性算子的基礎。係統地介紹瞭單調算子(Monotone Operators)的概念,並嚴格證明瞭 Browder-Minty 不動點定理,該定理是證明非綫性橢圓型方程解存在性的強大工具。討論瞭算子的最大/最小單調性及其在隨機微分方程(SDE)解的平滑性中的作用。 第7章:擬綫性方程與外微分形式 本章專注於具有梯度項的擬綫性方程,如反應-擴散係統和可壓縮歐拉方程的某些形式。通過引入微分形式(Differential Forms)和龐加萊引理(Poincaré Lemma),將算子分析置於微分幾何的背景之下。重點討論瞭解的爆破問題(Blow-up Phenomena),通過分析特定的非綫性項(如 $u^p$)如何導緻解在有限時間內失效。 第8章:隨機偏微分方程(SPDE)導論:Lévy 過程與隨機熱核 本部分將確定性分析擴展到隨機性。本章重點介紹如何使用伊藤積分(Itô Integral)來處理偏微分方程中的白噪聲項。核心內容是隨機熱核方法,用於分析隨機波動方程和隨機泊鬆方程的解的統計性質。詳細分析瞭鞅理論在 SPDE 估計中的應用,以及如何使用粗糙路徑理論(Rough Path Theory)來處理具有非常不規則係數的隨機演化問題。 --- 第三部分:演化係統、穩定性與結構保留 本部分將理論應用於描述復雜物理現象的演化係統,重點關注長期行為和內在的不變結構。 第9章:哈密頓係統與結構保持時間積分器 本章探討瞭保守係統(如非綫性薛定諤方程 NLSE 或保守形式的波方程)的長期行為。核心是結構保持數值方法,包括黎曼積分器(Runge-Kutta 的辛版本)和變分積分器。通過研究能量守恒律和動量守恒律,分析瞭數值方案如何避免能量耗散和僞能産生。 第10章:耗散係統與吸引子的概念 本章處理能量隨著時間流逝而逐漸減小的係統,如納維-斯托剋斯(Navier-Stokes)方程或反應-擴散方程。引入瞭耗散算子的精確定義。重點分析瞭全局吸引子(Global Attractor)的存在性,並探討瞭吸引子的維數估計(如 समझौ量 ( ব্যব) 維數),這直接關係到係統的有效自由度。 第11章:孤立波與單調性(Solitons and Monotonicity) 本章專門分析非綫性色散係統中的孤立波解(Soliton Solutions)。通過使用反散射方法(Inverse Scattering Transform, IST),詳細推導瞭 KdV 方程的無限多守恒量,並證明瞭孤立波解的穩定性。對於非可積係統,本章則側重於使用不變流(Invariant Flows)和能量泛函的鞍點結構來證明孤立解的存在性和穩定性。 第12章:時間解析與局部可解性 本章討論瞭在最壞情況下(如高維、強非綫性)的局部存在性問題。深入研究瞭 DiPerna-Lions 理論在處理可壓縮流體方程中的應用,該理論依賴於強大的估計(如 Boundedness-Almost Everywhere 估計)。最後,對未來研究方嚮進行瞭展望,特彆是涉及到隨機微分幾何和量子場論中的 PDE 問題的算子處理方法。 --- 本書特點: 1. 泛函分析驅動: 徹底摒棄初等分析方法,所有結論都建立在嚴格的函數空間理論之上。 2. 工具全麵性: 涵蓋瞭算子理論、變分法、調和分析和隨機分析四大現代 PDE 分析支柱。 3. 前沿視角: 深度探討瞭 SPDE、結構保持方法和非凸變分問題等當前研究熱點。 適閤讀者: 研究生二年級及以上,博士研究生,以及緻力於偏微分方程理論、數學物理和應用數學研究的學者。要求讀者對實分析、泛函分析和基礎算子理論有紮實的瞭解。