1拉普拉斯方程边值问题的提法

第四章 拉普拉斯方程的格林函数法

在第二、三两章,我们较系统地介绍了求解数学物理方程的三种常用方法——分离变量法、行波法与积分变换法,本章我们来介绍拉普拉斯方程的格林函数法。先讨论此方程解的一些重要性质,再建立格林函数的概念,然后通过格林函数建立拉普拉斯方程第一边值问题解的积分表达式。

§4.1 拉普拉斯方程边值问题的提法

在第一章,我们已从无源静电场的电位分布及稳恒温度场的温度分布两个问题推导出了三维拉普拉斯方程

¶2u ¶2u ¶2u Ñu º2+2+2=0. ¶x ¶y ¶z 2

作为描述稳定和平衡等物理现象的拉普拉斯方程,它不能提初始条件。至于边界条件,如第一章所述的三种类型,应用得较多的是如下两种边值问题。

(1)第一边值问题 在空间(x , y , z ) 中某一区域W的边界G上给定了连续函数f ,要求这样一个函数u (x , y , z ) ,它的闭域W+G(或记作)上连续,在W内有二阶连续偏导数且满足拉普拉斯方程,在G上与已知函数f 相重合,即 u G=f . (4.1)

第一边值问题也称为狄利克莱(Dirichlet )问题,或简称狄氏问题,§2.3中所讨论过的问题就是圆域内的狄氏问题。

拉普拉斯方程的连续解,也就是说,具有二阶连续偏导数并且满足拉普拉斯方程的连续函数,称为调和函数。所以狄氏问题也可以换一种说法:在区域W内找一个调和函数,它在边界G上的值为已知。

(2)第二边值问题 在某光滑的闭曲面G上给出连续函数f ,要求寻找这样一个函数u (x , y , z ) ,它在G内部的区域W中是调和函数,在W+G上连续,在G上任一点处法向导数¶u 存在,并且等于已知函数f 在该点的值: ¶n

¶u

¶n =f , (4.2)

G

这里n 是G的外法向矢量。

第二边值问题也称牛曼(Neumann )问题。

以上两个边值问题都是在边界G上给定某些边界条件,在区域内部求拉普拉斯方程的解,这样的问题称为内问题。

在应用中我们还会遇到狄氏问题和牛曼问题的另一种提法。例如,当确定某

物体外部的稳恒温度场时,就归结为在区域W的外部求调和函数u ,使满足边界条件u G=f ,这里G是W的边界,f 表示物体表面的温度分布。像这样的定解问题称为拉普拉斯方程的外问题。

由于拉普拉斯方程的外问题是在无穷区域上给出的,定解问题的解是否应加以一定的限制?基于在电学上总是假定在无穷远处的电位为零,所以在外问题中常常要求附加如下条件:

lim u (x , y , z ) =0 (r =r ¥

(3)狄氏外问题 在空间(x , y , z ) 的某一闭曲面G上给定连续函数f ,要找出这样一个函数u (x , y , z ) ,它在G的外部区域W¢内调和,在W¢+G上连续,当点(x , y , z ) 趋于无穷远时,u (x , y , z ) 满足条件(4.3),并且它在边界G上取所给的函数值

u G=f . (4.4)

(4)牛曼外问题 在光滑的闭曲面G上给定连续函数f ,要找出这样一个函数u (x , y , z ) ,它在闭曲面G的外部区域W¢内调和,在W¢+G上连续,在无穷远处满足条件(4.3),而且它在G上任一点的法向导数¶u 存在,并满足 ¶n ¢

¶u

¶n ¢=f , (4.5)

G

这里n ¢是边界曲面G的内法向矢量。

下面我们重点讨论内问题,所用的方法也可以用于外问题。

第四章 拉普拉斯方程的格林函数法

在第二、三两章,我们较系统地介绍了求解数学物理方程的三种常用方法——分离变量法、行波法与积分变换法,本章我们来介绍拉普拉斯方程的格林函数法。先讨论此方程解的一些重要性质,再建立格林函数的概念,然后通过格林函数建立拉普拉斯方程第一边值问题解的积分表达式。

§4.1 拉普拉斯方程边值问题的提法

在第一章,我们已从无源静电场的电位分布及稳恒温度场的温度分布两个问题推导出了三维拉普拉斯方程

¶2u ¶2u ¶2u Ñu º2+2+2=0. ¶x ¶y ¶z 2

作为描述稳定和平衡等物理现象的拉普拉斯方程,它不能提初始条件。至于边界条件,如第一章所述的三种类型,应用得较多的是如下两种边值问题。

(1)第一边值问题 在空间(x , y , z ) 中某一区域W的边界G上给定了连续函数f ,要求这样一个函数u (x , y , z ) ,它的闭域W+G(或记作)上连续,在W内有二阶连续偏导数且满足拉普拉斯方程,在G上与已知函数f 相重合,即 u G=f . (4.1)

第一边值问题也称为狄利克莱(Dirichlet )问题,或简称狄氏问题,§2.3中所讨论过的问题就是圆域内的狄氏问题。

拉普拉斯方程的连续解,也就是说,具有二阶连续偏导数并且满足拉普拉斯方程的连续函数,称为调和函数。所以狄氏问题也可以换一种说法:在区域W内找一个调和函数,它在边界G上的值为已知。

(2)第二边值问题 在某光滑的闭曲面G上给出连续函数f ,要求寻找这样一个函数u (x , y , z ) ,它在G内部的区域W中是调和函数,在W+G上连续,在G上任一点处法向导数¶u 存在,并且等于已知函数f 在该点的值: ¶n

¶u

¶n =f , (4.2)

G

这里n 是G的外法向矢量。

第二边值问题也称牛曼(Neumann )问题。

以上两个边值问题都是在边界G上给定某些边界条件,在区域内部求拉普拉斯方程的解,这样的问题称为内问题。

在应用中我们还会遇到狄氏问题和牛曼问题的另一种提法。例如,当确定某

物体外部的稳恒温度场时,就归结为在区域W的外部求调和函数u ,使满足边界条件u G=f ,这里G是W的边界,f 表示物体表面的温度分布。像这样的定解问题称为拉普拉斯方程的外问题。

由于拉普拉斯方程的外问题是在无穷区域上给出的,定解问题的解是否应加以一定的限制?基于在电学上总是假定在无穷远处的电位为零,所以在外问题中常常要求附加如下条件:

lim u (x , y , z ) =0 (r =r ¥

(3)狄氏外问题 在空间(x , y , z ) 的某一闭曲面G上给定连续函数f ,要找出这样一个函数u (x , y , z ) ,它在G的外部区域W¢内调和,在W¢+G上连续,当点(x , y , z ) 趋于无穷远时,u (x , y , z ) 满足条件(4.3),并且它在边界G上取所给的函数值

u G=f . (4.4)

(4)牛曼外问题 在光滑的闭曲面G上给定连续函数f ,要找出这样一个函数u (x , y , z ) ,它在闭曲面G的外部区域W¢内调和,在W¢+G上连续,在无穷远处满足条件(4.3),而且它在G上任一点的法向导数¶u 存在,并满足 ¶n ¢

¶u

¶n ¢=f , (4.5)

G

这里n ¢是边界曲面G的内法向矢量。

下面我们重点讨论内问题,所用的方法也可以用于外问题。


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