home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / physics / 11291 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-07-21  |  7.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!dtix!darwin.sura.net!uvaarpa!murdoch!kelvin.seas.Virginia.EDU!crb7q
  2. From: crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU (Cameron Randale Bass)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Re: Chaos
  5. Summary: longer than it probably should be
  6. Message-ID: <1992Jul21.222553.8643@murdoch.acc.Virginia.EDU>
  7. Date: 21 Jul 92 22:25:53 GMT
  8. References: <14etutINNt7u@ellipse.mps.ohio-state.edu> <1992Jul20.194122.4545@murdoch.acc.Virginia.EDU> <1992Jul21.211342.17902@galois.mit.edu>
  9. Sender: usenet@murdoch.acc.Virginia.EDU
  10. Organization: University of Virginia
  11. Lines: 185
  12.  
  13. In article <1992Jul21.211342.17902@galois.mit.edu> jbaez@nevanlinna.mit.edu (John C. Baez) writes:
  14. >In article <1992Jul20.194122.4545@murdoch.acc.Virginia.EDU> crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU (Cameron Randale Bass) writes:
  15. >
  16. >>     Work on existence and uniqueness and 'attractors' in 2-D with
  17. >>     usually special forcings and/or boundary conditions is hardly
  18. >>     of earth-shattering import.  Much more interesting from Foias
  19. >>     is his work on the Hopf functional formulation of turbulence
  20. >>     This is, of course, unrelated to 'chaos'.  Most people do not know
  21. >>     that the Navier-Stokes equations have been 'solved' (formally
  22. >>     by functional methods J. Rat. Mech. Anal. 1:87 (1952) and all
  23. >>     that followed from that work).  This could be very interesting
  24. >>     if we were better at functional integration.  I suggest that work in 
  25. >>     this area (of course, there are people working in this area)
  26. >>     is probably more potentially earthshaking, and there are applications
  27. >>     in other research backwaters (e.g. QM).
  28. >
  29. >Hmm... I suppose I should just read the reference, but I wonder in what
  30. >sense the Navier-Stokes equation can be said to be "solved".  There is
  31. >no good global existence theorem for solutions, for one thing.  It's
  32. >true that the Navier-Stokes equation, like most decent PDE's, can be
  33. >written as a ODE with values in an infinite-dimensional vector space
  34.  
  35.     Only in the sense that the problem has been recast formally
  36.     in terms of a linear functional equation and 'solved' in terms
  37.     of functional integrals.  Unfortunately, as far as that goes,
  38.     it is nearly useless.  One hopes that if we were somehow on a 
  39.     better footing as far as the approximation of functional integrals
  40.     then this would be a very useful path.
  41.  
  42.     And I believe that you are correct in that there are no widely applicable
  43.     existence or uniqueness results except some fairly special
  44.     ones by Temam and the boys (for example in Temam's 'Navier-Stokes
  45.     Equations').
  46.  
  47. >df/dt = G(f)
  48. >
  49. >and then "solved" by an integral equation
  50. >
  51. >f(t) = f(0) + int_0^t G(f(s)) ds .
  52. >
  53. >While this technique is really useful for studying PDE it would be
  54. >misleading to say to ordinary folks that the Navier-Stokes equation had
  55. >been solved if this was all there was to it.  Of course, you say it was
  56. >"solved" with quotes.   If it's possible to clarify without too much
  57. >work that'd be nice.
  58.  
  59.      Yes, it would.  You are right about my use of the quotes.  It
  60.      was for the reason that the 'solution' is completely analogous to
  61.      what you have above.  However, it is even worse than this.  If we
  62.      were given G in the above example, we'd stand a good chance of
  63.      getting substantial information out of the 'solution'.  The G in 
  64.      the Hopf equation is cast in terms of functional integrals.  
  65.  
  66.      For completness sake, a LaTeX copy of some of my notes for an old 
  67.      proposal in which I derive the Hopf functional formulation for 
  68.      Burgers' equation is included below for purposes of increasing network 
  69.      volume.
  70.  
  71. >By the way, it's very enjoyable to read you writing about this stuff - as
  72. >opposed to the SSC - I guess I like physics more than politics.
  73.  
  74.      Thanks.  However, I find that boiling my blood occasionally keeps the
  75.      arterial plaque down.
  76.  
  77.                                 dale bass
  78.  
  79.      Quick and dirty derivation of the Hopf functional formulation of
  80.      Burgers' equation (LaTeX format, I have no idea how well-checked
  81.      it is either since I wrote it five years ago).
  82.  
  83. ...
  84.  
  85. Burgers' equation gives us
  86. \begin{equation}
  87. {\partial u \over \partial t}
  88. = Q(u) = - u {\partial u \over \partial x}
  89. + \mu {\partial^2 u \over \partial x^2}
  90. \label{eho1.1}
  91. \end{equation}
  92. We use the characteristic functional
  93. \begin{equation}
  94. \Phi(y,t) = \int_\Omega e^{i (y,u)} P^t (du)
  95. = \int_\Omega e^{i (y,u^t)} P (du)
  96. \label{eho1.2}
  97. \end{equation}
  98. (The above follows from the
  99. assertion that $u \in T^{-t} B \rightarrow u^t \in B$ so that
  100. \begin{eqnarray}
  101. P^t(B)& =& P(T^{-t} B) \\
  102. P^t(e^{i(y,u)} du) 
  103. &=& 
  104. P(e^{i(y,u^t)} du)
  105. \label{eho1.3}
  106. \end{eqnarray}
  107. and is very important in what follows.)
  108. The characteristic functional $\Phi$ should be continuous and for all
  109. values of $y(x)$
  110. \begin{equation}
  111. \Phi(0,t) = 1 \quad\quad |\Phi(y(x),t)| \leq 1.
  112. \label{}
  113. \end{equation}
  114. (more on the function $y$
  115. and the characteristic functional, compact support, zero at infinity etc...)
  116.  
  117. We can differentiate this functional with respect to time
  118. (ordinary derivative)
  119. \begin{eqnarray}
  120. {\partial \Phi(y,t) \over \partial t}
  121. &=& \int_\Omega i (y,u^t) \, e^{i (y,u^t)} P (du) \nonumber \\
  122. &=&  i \int_\Omega (y,u^t) \, e^{i (y,u)} P^t (du) \nonumber \\
  123. &=&  i \int_\Omega (y,Q) \, e^{i (y,u)} P^t (du) \nonumber \\
  124. &=&  i \int_\Omega \left[\int_R y Q(u) \, dx\right] \, 
  125. e^{i (y,u)} P^t (du) 
  126. \label{eho1.4}
  127. \end{eqnarray}
  128. Change the order of integration to take $y$ out of the 
  129. $\Omega$ integral
  130. \begin{equation}
  131. {\partial \Phi(y,t) \over \partial t} 
  132. =  i \int_R y \left[\int_\Omega  Q(u) \, 
  133. e^{i (y,u)} P^t (du) \right] \, dx
  134. \label{eho1.5}
  135. \end{equation}
  136. Substitute for $Q$ in this expression from Burgers' equation
  137. \begin{equation}
  138. \int_\Omega  Q(u) \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  139. \int_\Omega  \left( - u u_x + \mu u_{xx} \right) \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  140. \label{eho1.6}
  141. \end{equation}
  142. But $uu_x = (1/2) (u^2)_x$, so that term by term
  143. for the first part of equation \ref{eho1.6}
  144. \begin{equation}
  145. {1 \over 2} 
  146. {\partial \over \partial x}
  147. \int_\Omega  u^2 \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  148. {1 \over 2} 
  149. {\partial \over \partial x}
  150. \int_\Omega  
  151. {\partial \over i \partial y(x) \, dx}
  152. {\partial \over i \partial y(x) \, dx}
  153.  \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  154. \label{eho1.7}
  155. \end{equation}
  156. For the second part, we have
  157. \begin{equation}
  158. \mu
  159. {\partial^2 \over \partial x^2}
  160. \int_\Omega  u \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  161. \mu
  162. {\partial^2 \over \partial x^2}
  163. \int_\Omega  
  164. {\partial \over i \partial y(x) \, dx}
  165.  \, e^{i (y,u)} P^t (du)
  166. \label{eho1.8}
  167. \end{equation}
  168. So finally, we can pull all of the functional derivatives out
  169. of the integral and consolidate with the definition
  170. \begin{equation}
  171. \Phi(y,t) = \int_\Omega e^{i (y,u)} P^t (du)
  172. \label{eho1.9}
  173. \end{equation}
  174. to get 
  175. \begin{equation}
  176. {\partial \Phi \over \partial t} = 
  177. \int_R y(x)
  178. \left[
  179. {i \over 2}
  180. {\partial \over \partial x}
  181. {\partial^2 \Phi \over \partial y(x) \, dx \,\, \partial y(x) \, dx}
  182. +
  183. \mu
  184. {\partial^2 \over \partial x^2}
  185. {\partial \Phi \over i \partial y(x) \, dx} \right]
  186. \, dx
  187. \label{eho1.10}
  188. \end{equation}
  189. This is the Hopf functional form of Burger's equation,
  190. --
  191. C. R. Bass                                           crb7q@virginia.edu
  192. Department of Mechanical and Aerospace Engineering
  193. University of Virginia
  194. Charlottesville, Virginia                            (804) 924-7926
  195.