1차원 열방정식은
ut(x,t)=κuxx(x,t),−∞<x<∞, t>0
으로 초기조건이 주어지거나 경계조건이 주어야 한다. u(x,t)가 해라면 u(λx,λ2t) 또한 해가 됨음 쉽게 확인해 볼 수 있다. 즉, 열방정식은 scale 변경에 불변이 특성을 가진다. 이 특성을 이용해서 열방정식의 특별한 해를 구해보자. scale 불변성을 보면 해의 x,t에 대한 의존성은 x/√t→λx/√λ2t=x/√t의 조합형태로 나타나야 될 것으로 보인다.
u(x,t)=h(x/√t)
그런데 에너지 보존에 의해서 계의 전체 열에너지는 시간에 무관하게 일정한 값을 가져야 한다. 열에너지가 온도에 비례하므로 총 열에너지는 다음 적분값에 비례한다.
∫∞−∞u(x,t)dx=const
따라서 u=h(x/√t)와 같은 형태의 해는 에너지 보존을 만족시킬 수 없다.
∫∞−∞h(x/√t)dx=√t∫∞−∞h(y)dy∝√t
그렇지만 u(x,t)dx가 스케일 불변꼴이면 가능하므로
u(x,t)=1√th(x/√t)
와 같은 형태로 시도하자. 그러면 열방정식의 좌우변의 항이
uxx=t−3/2h″(x/√t),ut=−12t−3/2[h(x/√t)+h′(x/√t)x/√t]
이므로 이를 열방정식에 대입하면 (y=x/√t)
κh″(y)+12h(y)+12yh′(y)=0→ h″(y)+12κ(yh(y))′=0→ h′(y)+y2κh(y)=const→0
여기서 const=0 일 때 해만 고려한다. 이 경우
h(y)=Ae−y2/4κ→u(x,t)=A√te−x2/4κt
인 해를 얻는다. ∫∞−∞u(x,t)dx=1로 정규화시키면 적분상수 A는
A=1√4πκ
임을 알 수 있다. 이렇게 정규화된 해를 열방정식의 기본해, Green 함수 또는 heat kernel이라고 부른다.
K(x,t)=1√4πκte−x2/4κt
K(x,t)는 t→0+일 때 δ(x)와 같은 특성을 가지는데, 물리적으로는 t=0 시점에 원점에 δ−함수로 표현되는 열원을 놓았을 때 열의 확산을 기술하는 해이다. 열방정식이 선형이므로 x−축을 따라 분포된 각각의 {δ(x−xi)|i=1,2,…} 열원의 선형결합도 해가 된다.
u(x,t)=∑iK(x−xi,t)fi
또한 연속적으로 분포하는 열원의 경우에는 합을 적분형태로 변경하면 되므로 t=0일 때 온도분포가 f(x)로 주어진 경우 다음 표현이
u(x,t)=∫∞−∞K(x−y,t)f(y)dy
열방정식을 만족시키고, 초기조건도 만족시킴을 확인할 수 있다.
limt→0∫∞−∞K(x−y,t)f(y)dy=∫∞−∞δ(x−y)f(y)dy=f(y)
해의 몇가지 재미있는 특징을 살펴보자. t=0일 때 열원이 유한한 영역에서만 0이 아니더라도 K(x,t>0)가 0이 아니기 때문에 매우 짧은 시간에 모든 영역으로 열이 퍼져나간다. 즉 열이 퍼지는 속도가 무한대에 해당한다. 열방정식은 비상대론적인 방정식이다. 두 번째로 t>0일 때 K(x−y,t)가 x=y인 지점에서 벗어나는 경우에 매우 빨리 0으로 변하므로 해는 무한번 미분가능하다. 즉, 처음 주어진 온도 분포가 불연속적이더라도 바로 매끄러운 온도분포로 변하게 만드는 특성이 있다. 이 열방정식을 잡음이 들어있는 신호나 영상에 적용하면 smoothing 효과를 줄 수 있다. 그리고
u(λx,λ2t)=∫K(λx−y,λ2t)f(y)dy=∫K(λx−λy′,λ2t)λf(λy′)dy′=∫K(x−y′,t)λf(λy′)dy′
이므로 스케일링된 해는 초기 온도분포가 λf(λy)인 경우와 같음을 알 수 있다. 초기에 국소적으로 가열된 경우라면 λf(λx)의 분포는 거의 δ 함수에 접근할 것이므로 충분히 시간이 지나고 먼 거리에서는 온도분포는 초기조건에 무관하게 됨을 알 수 있고, 이는 smoothing 효과로 이해할 수 있다.

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