¿Son las características la única solución a la ecuación de advección en 1+1D?

Actualmente estoy leyendo sobre dinámica de fluidos y el problema de Riemann, y una ecuación muy utilizada para introducir el tema es la ecuación de advección 1+1D con coeficiente constante v :

(1) tu t + v tu X = 0

para el cual una solución es

tu ( X , t ) = tu ( X v t , 0 ) = tu 0 ( X v t )
dónde tu 0 = tu ( t = 0 ) es alguna condición inicial.

Esto se puede derivar fácilmente usando el método de separación de variables: Sea tu ( X , t ) = F ( X ) gramo ( y ) . Entonces

tu t = F ( X ) gramo t

tu X = gramo ( t ) F X
Insertando en la ecuación de advección y reestructurando un poco, obtenemos

1 gramo gramo t = 1 F F X = λ

dónde λ es una constante. Resolviendo cada ecuación por separado nos da

gramo = k 1 mi λ v t
F = k 2 mi λ X
tu ( X , t ) = F gramo = k mi λ ( X v t )

con k 1 , k 2 y k = k 1 k 2 son constantes derivadas de la integración. Con

tu 0 = tu ( X , t = 0 ) = k mi λ X
uno puede ver fácilmente que la solución se puede expresar como
tu ( X , t ) = tu 0 ( X v t )

Hasta ahora, todo bien. Aquí está mi pregunta: ¿Es esa la única solución de la ecuación de advección 1+1D con coeficientes constantes? ¿Hay alguna prueba de que esta es la única solución?

Voté para migrar esto a Matemáticas .
La dinámica de fluidos y sus soluciones pueden requerir matemáticas, pero ciertamente es una cuestión de física...

Respuestas (2)

Sí, es la única solución. Consejos para la prueba:

  1. Ir a las coordenadas del cono de luz : X ±   :=   X ± v t .

  2. Muestre que la ecuación de OP. (1) en 1+1D se convierte en tu X +   =   0 .

  3. deducir que tu = tu ( X ) es una función de X solo.

Veo que usando tu X + = 0 implica que tu = tu ( X ) , pero no veo cómo eso excluye cualquier otra solución.
solo hay 2 coordenadas ( X + , X ) en 1+1D y tu no puede depender de X + . Entonces se sigue la conclusión anterior.

La ecuación es lineal y la solución de una ecuación lineal con una incógnita siempre es única.