第6章拉普拉斯方程和格林函数法
拉普拉斯方程、水平集方法等
拉普拉斯方程（Laplace's equation），又名调和方程、位势方程，是一种偏微分方程。
定义三维情况下，拉普拉斯方程可由下面的形式描述，问题归结为求解对实自变量x、y、z二阶可微的实函数φ：上面的方程常常简写作：或其中div表示矢量场的散度（结果是一个标量场），grad表示标量场的梯度（结果是一个矢量场），或者简写作：Δφ = 0其中Δ称为拉普拉斯算子.拉普拉斯方程的解称为调和函数。
如果等号右边是一个给定的函数f(x, y, z)，即：则该方程称为泊松方程。
拉普拉斯方程和泊松方程是最简单的椭圆型偏微分方程。
偏微分算子或Δ（可以在任意维空间中定义这样的算子）称为拉普拉斯算子，英文是Laplace operator或简称作Laplacian。
拉普拉斯方程的狄利克雷问题可归结为求解在区域D内定义的函数φ，使得φ在D的边界上等于某给定的函数。
为方便叙述，以下采用拉普拉斯算子应用的其中一个例子——热传导问题作为背景进行介绍：固定区域边界上的温度（是边界上各点位置坐标的函数），直到区域内部热传导使温度分布达到稳定，这个温度分布场就是相应的狄利克雷问题的解。
拉普拉斯方程的诺伊曼边界条件不直接给出区域D边界处的温度函数φ本身，而是φ沿D的边界法向的导数。
从物理的角度看，这种边界条件给出的是矢量场的势分布在区域边界处的已知效果（对热传导问题而言，这种效果便是边界热流密度）。
拉普拉斯方程的解称为调和函数，此函数在方程成立的区域内是解析的。
任意两个函数，如果它们都满足拉普拉斯方程（或任意线性微分方程），这两个函数之和（或任意形式的线性组合）同样满足前述方程。
这种非常有用的性质称为叠加原理。
可以根据该原理将复杂问题的已知简单特解组合起来，构造适用面更广的通解。
二维拉普拉斯方程狄利克雷边界条件（u(r=2)=0、u(r=4)=4sin(5*θ)）下的环形拉普拉斯方程（r=2、R=4）图形两个自变量的拉普拉斯方程具有以下形式：解析函数解析函数的实部和虚部均满足拉普拉斯方程。
拉普拉斯方程积分解
拉普拉斯方程积分解一、引言拉普拉斯方程是数学中的一个重要的偏微分方程，其在物理学、工程学、计算机科学等领域有广泛的应用。
由于拉普拉斯方程的解析解往往难以求得，因此寻找适当的数值方法求解成为了一项重要任务。
本文将介绍拉普拉斯方程的积分解法。
二、拉普拉斯方程1. 定义在二维平面上，设函数u(x,y)满足以下条件：∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² = 0则称u(x,y)满足二维平面上的拉普拉斯方程。
2. 物理意义拉普拉斯方程在物理学中有广泛应用，如电势场、热传导等问题都可以用它来描述。
例如，在电势场问题中，电荷在空间中产生电场，而电场又可以表示为电势函数的梯度。
因此，求解电势函数就是求解梯度场问题，而梯度场问题就可以转化为求解拉普拉斯方程。
三、积分解法1. 基本思想积分解法是一种常见的数值方法，其基本思想是将求解的问题转化为积分问题，然后通过数值积分的方法来求解。
对于拉普拉斯方程，我们可以将其转化为一个积分形式，然后通过数值积分的方法来求解。
2. 积分形式设u(x,y)是二维平面上的拉普拉斯方程的解，则有：u(x,y) = 1/2π ∫∫ D G(x,y;x',y')f(x',y') dxdy其中G(x,y;x',y')是二维平面上的格林函数，D是包含所有点的区域，f(x',y')是边界条件。
3. 格林函数格林函数是一个非常重要的概念，在偏微分方程中有广泛应用。
对于拉普拉斯方程而言，格林函数G(x,y;x',y')可以表示为：G(x,y;x',y') = -1/2π ln(r)其中r = ((x-x')² + (y-y')²)¹/²。
4. 数值积分在实际计算中，我们需要对积分式进行数值积分。
常见的数值积分方法包括梯形法、辛普森法等。
格林函数方法
格林函数方法
1、格林函数
格林函数（Green's function）是指由著名数学家.格林（Green）提出的数学方法，它是一种可以求解各种微分方程的技术。
格林函数的定义是对于任意给定的初值问题，在区间上的解的和等于给定的数值13。
其用法主要有两种：一种是用于求解某些有定型的初值问题；另一种是求解某些微分方程的积分解。
格林函数的结果可以用来解决复杂的初值问题和理解复杂的微分方程以及系统的时间变化。
2、格林函数的原理
格林函数可以用来解决一类有特定初值条件的常微分方程组。
它的原理是基于一种叫做拉普拉斯变换（Laplacetransform）的数学变换理论，它是一种将微分方程组变换成求积分方程组的方法，从而可以使原本困难的初值问题变得容易解决，其在解决物理学中不变解中特别有用。
3、格林函数的计算
对于特定的初值条件，可以使用格林函数计算出拉普拉斯变换得到的积分方程的结果，从而计算得到解析解。
计算过程比较复杂，需要用到积分变换和methods。
总之，格林函数是一种可以求解复杂常微分方程的有效数学方法，它基于拉普拉斯变换的原理，对于特定的初值问题，运用格林函数，可以计算出相应的解析解。
第六讲格林函数法刘
M
0
1
4
u M
n
1 rM0M
1 rM0M
u M
n dS
能不能直接提供狄利克雷问题和牛曼问
题的解 ？
为得到狄利克雷问题的解, 必须消去 这需要引入格林函数的概念.
un, |
设 u, v 为 内的调和函数并且在 上
G n
|z0
G z
|z0
{ } 1
4
z z0
3
z z0
3
(
x
x0
)2
y
y0
2
z
z0
2
2
[ x x0 2 y y0 2 z z0 2]2
|z0
1
2
z0
(x
x0
)2
y
y0
2
z02
u |z0 f x, y
首先找格林函数 GM , M. 在0 半空间 z的 0
点放M 0 置x0 ,单y0 ,位z0 正电荷， 关于边界 M 0 的对称
点为z 0 ，
M1x0 , y0 ,z0
在M1放置单位负电荷，则它与 M 0处的单位
正电荷所产生的正电位在平面 z 0上互相
u n
dS
4
u
4
u n
0
令 0 , 则 lim0 u uM0 ,
lim
0
4
拉普拉斯方程和格林函数法
以上两个边值问题都是 区域内部求拉普拉斯方程的解. 这样的问题称为内问题.
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6．2 格林公式 设 是以足够光滑的曲面 为边界的有界区域，
P ( x , y , z ), Q( x , y , z ), R( x , y , z ) 在 上连续的，在
内具有一阶连续偏导数的任意函数， 则成立如下
第一边值问题也称为狄利克莱(Dirichlet)问题， 拉普拉斯方程的连续解称为调和函数.所以，狄氏问题 也可以换一种说法：在区域 内找一个调和函数， 它在边界 上的值为已知.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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（2）第二边值问题 在某光滑的闭曲面 上给出 连续函数 f
，要求寻找这样一个函数 u( x , y , z ) 它在 中是调和函数，在 上连续，在 u 上任一点处法向导数 存在，并且等于已知函数 f n u f 在该点的值： n 第二边值值问题也称牛曼（Neumann）问题.
内是调和的，M是 0
内任一点， K a 表示以 M为中心，以 0
1 u( M 0 ) udS . 2 4 a Ka
a
为半径，
且完全落在区域 内部的球面，则成立下列平均值公式
证明 将调和函数的积分表达式应用于球面 K a
且有
1 1 1 1 1 , 2, r a n r r r a
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（1）第一边值问题 在空间 ( x , y , z ) 中某一区域 的边界 上给定了连续函数 f ，要求这样一个函数 u( x , y , z ) ，它在闭域 (或记作 )上连续，在
内存在二阶偏导数且满足拉普拉斯方程，在
电势与格林函数静电问题中的拉普拉斯方程与格林函数解法
电势与格林函数静电问题中的拉普拉斯方程与格林函数解法导言：在静电学中，研究电势和格林函数是解决电场分布的重要方法。
本文将讨论电势与格林函数在静电问题中的应用，重点介绍拉普拉斯方程以及格林函数解法。
一、拉普拉斯方程简介拉普拉斯方程是描述电势在无电荷区域中分布的基本方程。
对于一个二维情况下的电势分布问题，拉普拉斯方程可以写作：∇²ψ = 0其中，∇²表示拉普拉斯算子，ψ表示电势。
二、格林函数的概念与意义格林函数是求解拉普拉斯方程问题的关键工具。
格林函数是指满足以下条件的函数G(x,x')：∇²G(x,x') = -1 / ε₀ * δ(x-x')其中，ε₀是真空介电常数，δ(x-x')表示Dirac函数。
格林函数在某一点的值表示在该点放置单位点电荷时在空间中的分布情况。
三、格林函数的求解方法格林函数的求解可以通过使用边值问题的方法，具体步骤如下：1. 确定给定区域的边界条件以及相应的边界值。
2. 根据边界条件和拉普拉斯方程建立复杂变量的边界值问题。
3. 利用复变函数的解析性质求解得到问题的解析解。
4. 根据格林第一定理以及叠加原理，得到最终的格林函数解。
四、拉普拉斯方程与格林函数解法实例在一个有限区域中，假设存在一个带电导体表面，题目要求求解该区域内的电势分布。
根据已知条件，可以将问题建模为一个边值问题，通过求解格林函数来得到电势分布。
结论：在静电学问题中，电势与格林函数是求解电场分布的重要方法。
通过拉普拉斯方程与格林函数的解法，可以得到电势的具体分布情况。
在实际问题中，我们可以根据具体的边界条件和几何形状，使用适当的数值方法或解析方法求解，从而获得准确的电势分布结果。
参考文献：[1] Griffiths D J. Introduction to Electrodynamics[M]. Pearson Education Limited, 2017.[2] Lewin W. Mathematical Methods in Classical Mechanics[M]. Springer Science & Business Media, 2012.。
拉普拉斯方程的完整求解
拉普拉斯方程的完整求解拉普拉斯方程是一种常见的偏微分方程，在数学、物理、工程等领域都有广泛的应用。
它描述了一个物理系统中的稳态情况，即在没有时间变化的情况下，物理量的分布情况。
在本文中，我们将介绍拉普拉斯方程的完整求解方法，包括数学推导和物理应用。
一、数学推导拉普拉斯方程的一般形式为：∇^2ϕ=0其中，∇^2为拉普拉斯算子，表示对空间中各个方向的二阶导数之和。
ϕ为待求函数。
为了求解该方程，我们需要先确定边界条件。
边界条件指的是在物理系统的边界上，待求函数的取值或导数的取值已知。
常见的边界条件包括：1. Dirichlet 边界条件：在边界上，待求函数的取值已知。
2. Neumann 边界条件：在边界上，待求函数的法向导数已知。
3. Robin 边界条件：在边界上，待求函数的取值或法向导数与外界参数成比例。
根据不同的边界条件，我们可以采用不同的数学方法求解拉普拉斯方程。
下面我们分别介绍三种常见的方法。
1. 分离变量法当边界条件为 Dirichlet 边界条件时，我们可以采用分离变量法求解拉普拉斯方程。
具体来说，我们假设待求函数可以表示为以下形式：ϕ(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z)将该式代入拉普拉斯方程，得到：X''/X+Y''/Y+Z''/Z=0由于等式左侧的三个部分只依赖于x、y、z 中的一个，因此它们必须都等于一个常数λ。
于是我们得到三个独立的常微分方程：X''+λX=0Y''+λY=0Z''+λZ=0这些方程的解分别为：X(x)=Asin(√λx)+Bcos(√λx)Y(y)=Csin(√λy)+Dcos(√λy)Z(z)=Esin(√λz)+Fcos(√λz)其中，A、B、C、D、E、F 为待定常数。
将这些解代入待求函数的表达式中，再利用边界条件，我们就可以求出这些常数，从而得到完整的解。
拉普拉斯方程的格林函数法
以 M0为中心, 以充分小的正数 为半径做球面 ,
在 内挖去以 为球面的球 K 得到区域 K .
在区域
K
内直到边界上，v
1 r
可任意求导。
在第二格林公式
( u 2v
v 2 u)dV
(u
v n
v
u )dS
n
中, 取 u 为调和函数, 而令 v 1 , r
4) 平均值公式
设 u(M) 是 内的调和函数, M0 , Ka 表示以 M0 为中心，a 为半径且完全落在 内的球面, 则
u M0
1
4 a2
Ka
udS
uM0
1
4
u
M
n
1 rM 0 M
1 rM 0 M
u M
令
P x, y, z u v
x
Q x, y, z u v
y
R x, y, z u v
z
则 P,Q,RC C1 ,
P x
Q y
R z
dV
u v 2v
u v 2v
sin
u
1
r2 sx,y,z)在以原点为中心的同一球面的 值为常数。u 仅为半径 r 的函数:u=u(r)。
方程可化简为：
1 r2
r
r
2
u r
0
第六章 格林函数法
M* 2
M0
又因为v(x0,y0,z0)=M0,说明v(x,y,z)必在V内取最大值。 但一方面，v(x,y,z)在V内取最大值时，其海色矩阵：
vxx vyx
vxy vyy
vxz vyz
V
V
9
1
0.5 n 0
0.5
1 2 1.5 t1
0.5
00
1 0.8
0.6 0.4 x 0.2
2、第二格林公式
设u(x,y,z),V(x,y,z)在SŲSV上有一阶连续偏导数，它们在 V中有二阶偏导，则：
uv vu dS uv vudV
S
V
证明：由第一格林公式得：
uv dS u vdV uvdV (1)
1
0.5 n 0
0.5
1 2 1.5 t1
0.5
00
1 0.8
0.6 0.4 x 0.2
数理方程与特殊函数
任课教师：杨春 Email: yc517922@
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1
1
0.5 n 0
0.5
1 2 1.5 t1
0.5
00
1 0.8
0.6 0.4 x 0.2
第六章 格林函数法
本章主要介绍利用格林函数法求解拉普拉斯方程与泊 松方程的三类边值问题。
作函数
v(x,
y,
z)
u(x,
y,
z)
M0 M 8R2
*
[( x
x0 )2
(
y
y0
)2
(z
z0 )2
]
其中P(x,y,z)是V中点，R是包含V的球体半径。
26
1
0.5 n 0
0.5
关于拉普拉斯算子和格林函数的数学理论和应用
关于拉普拉斯算子和格林函数的数学理论和应用拉普拉斯算子和格林函数是数学中的两个重要概念，被广泛应用于数学、物理、工程等领域。
本文将介绍拉普拉斯算子和格林函数的基本概念、性质和应用。
一、拉普拉斯算子拉普拉斯算子是向量算子，用于描述向量场的散度。
在三维空间中，拉普拉斯算子的表达式为：$$\Delta \phi = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial z^2}$$其中，$\phi$ 为标量函数。
在二维平面和一维线性空间中，拉普拉斯算子的表达式分别为：$$\Delta \phi = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 \phi}{\partial y^2}$$$$\Delta \phi = \frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2}$$拉普拉斯算子的性质很重要，其中最重要的性质是齐次性。
齐次性指的是，对于任意的标量函数 $\phi$，有如下等式成立：$$\Delta (af) = a \Delta f, \quad a \in \mathbb{R}$$也就是说，拉普拉斯算子可以与标量函数的加法和数乘交换顺序。
这个性质非常有用，因为它使得拉普拉斯算子可以应用于线性微分方程的解析和求和问题等。
二、格林函数格林函数是一种特殊的函数，用于求解偏微分方程的边界值问题。
偏微分方程的边界值问题是指，在某个空间区域内，给定方程的解在该区域边界上的特定值，解决方程在整个区域内的解。
例如，要求在一个矩形区域中求解波动方程的解。
格林函数的概念最早由数学家 George Green 提出，后来由格林本人描述，并被称为“格林函数”。
格林函数的实质是一个函数，它表示在某个点上的函数值，是由在其他所有点上的函数值共同决定的。
拉普拉斯方程的格林函数法
拉普拉斯方程的格林函数法
本次课主要内容
4.1 拉普拉斯方程边值问题的提法4.2 格林公式
4.1拉普拉斯方程边值问题的提法
狄氏问题
•在区域Ω内找一个调和函数，它在边界Γ上的值为已知。
3、内问题与外问题
以上两个边值问题都是在边界Γ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。
重点讨论内问题
4.2 格林公式
二个格林公式
借助于二个格林公式，可以得到拉氏方程的狄氏问题与牛曼问题的解的积分表达式。
为何引入格林公式
积分公式的起点是通过直接积分或分部积分将未知函数从微分号下解脱出来
我们要求解的数值方程中均含有Δ，格林公式是将未知函数从微分算符Δ下解脱出来的工具。
而格林公式则是曲面积分中高斯公式的直接推论。
两个推论(Gauss 公式)
格林公式建立了区域Ω中的场与边界Γ上的场之间的关系。
因此，利用格林公式可以将区域中场的求解问题转变为边界上场的求解问题。
格林公式说明了两种标量场之间应该满足的关系。
因此，如果已知其中一种场的分布特性，即可利用格林公式求解另一种场的分布特性。
3、调和函数的性质
1、定义：如果函数u(x,y,z)满足:(1)在具有二阶连续偏导数；Ω+Γ称u 为Ω上的调和函数。
2、调和函数的性质。
2
∇=u (2)。
格林函数法
第五章 格林函数法一 拉普拉斯方程的对称解与格林公式 1 拉普拉斯方程的对称解定义：如果在n 维空间的一个区域内，函数),...,,(21n x x x u 具有二阶连续偏导数，且满足n 维拉普拉斯方程:+∂∂=∆212x u u (2)2nxu∂∂+=0则称),...,,(21n x x x u 是n 维调和函数。
常见的是二维02222=∂∂+∂∂=∆yux u u 和三维的调和函数0222222=∂∂+∂∂+∂∂=∆zuy u x u u 。
二维拉普拉斯方程：02222=∂∂+∂∂=∆yux u u 的通解为： 211ln C rC u +=如果取π211=C ，02=C 就得到一个重要的特解ru 1ln 21π=，由于该解与点0M 的选择有关，所以常记作：MM rM M u u 01ln 21),(0π==三维拉普拉斯方程：0222222=∂∂+∂∂+∂∂=∆zu y u x u u 的通解为：211C rC u +=如果取π411=C ，02=C 就得到一个重要的特解ru π41=，由于该解与0M 点的选择有关，所以常记作：MM rM M u u 041),(0π==2格林公式及其应用(1)高斯公式设Ω是以分片光滑闭曲面Γ为边界的有界区域，函数),,(z y x P ，),,(z y x Q ，),,(z y x R 在闭区域上Γ+Ω=Ω_连续，其一阶偏导数在Ω内连续，则：⎰⎰⎰∂∂+∂∂+∂∂ΩdV zR y Q x P )(= dS z n R y n Q x n P ⎰⎰++Γ)],cos(),cos(),cos([。
其中dV 是体积元素，dS 是Γ上面积元素，n 是Γ上外法向量。
(2)第一格林公式设),,(z y x u ，),,(z y x v 的一阶偏导数在_Ω上连续，二阶偏导在Ω内连续，令x v u P ∂∂=，y v u Q ∂∂=，zvu R ∂∂=代入高斯公式可得：⎰⎰⎰⋅+⎰⎰⎰⎰⎰∂∂=∆ΩΩΓgradudV gradv dS vuu udV v 。
第六章 格林函数法
第六章 格林函数法本章利用高等数学中的格林(Green)公式导出调和函数的积分表达式，引进格林函数(又叫点源函数)，它是一种广义函数.利用格林函数求解稳态的边值问题，这种方法叫格林函数法，它是解数学物理问题时常用的方法之一.§2.6.1 格林（Green ）公式 调和函数的积分表达式2.6.1.1 格林公式设D 是以分片光滑的曲面S 为其边界的有界区域，函数P (x ,y ,z ), Q (x ,y ,z ), R (x ,y ,z )是在D 上连续，在区域D 内有连续偏导数的任意函数，则成立奥一高公式 V z R y Q x P D d (∂∂+∂∂+∂∂∫∫∫=∫∫++SS z n R y n Q x n P d )],cos(),cos(),cos([,这里d V 是体积元，n 是曲面S 的外法线方向，d S 为S 上的面积元.由此可以导出格林第二公式或格林公式：S nu v n v uV u v v u D S d d )()(∫∫∫∫∫∂∂−∂∂=Δ−Δ. 事实上，设函数u (x ,y ,z ), v (x ,y ,z )以及它们的所有的一阶偏导数在闭区域S D D U =上是连续的，u 、v 在D 内具有连续的二阶偏导数.令 P =x v u ∂∂, Q =yv u ∂∂, R =z v u ∂∂, 代入奥一高公式得到格林第一公式：V z v z u y v y u n v x u S n v uV v u DD S d d d )()(∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂−∂∂=Δ∫∫∫∫∫∫∫∫ 这里是三维拉普拉斯(Laplace)算子，Δn∂∂表示曲面S 的外法线方向导数.如果引进梯度算子＝∇k j v v v z yi x ∂∂+∂∂+∂∂ ，那么格林第一公式缩写成 ∫∫∫∫∫∫∫∫∇⋅∇−∂∂=ΔDS D V v u s n v uv v u d d d )()(，类似地，如果令 P =x u v ∂∂， Q =y u v ∂∂， R =zu v ∂∂，就有 ∫∫∫∫∫∫∫∫∇⋅∇−∂∂=ΔD D SV u v S n u v V u v d d )()(d 注意到向量的数性积的可交换性，上两式相减，得格林第二公式(又叫格林公式)：S nu v n v u V u v v u D S d d )()∂∂−∂∂=Δ−Δ∫∫∫∫∫（ . 2.6.1.2拉普拉斯方程的基本解在三维空间内，记),()()()(222N M r z y x r =−+−+−=ςηξ表示点M (x ，y ，z )、)(ςηξ，，N 之间的距离，利用复合函数求导的链式法则，对空间中任意固定的一点N ，函数r1除点N 外关于变量（x , y , z ）处处满足拉普拉斯方程0=Δu ；注意到函数r1的特征，同样对于任意固定的一点M (x , y , z ),函数r1除点M 外，关于变量),,(ςηξ处处满足拉普拉斯方程，即0)1(=Δr， （N M ≠）. 函数r1在求解拉普拉斯方程和泊松(Poisson)方程时有极重要的作用，通常把函数r1称为三维拉普拉斯方程或者泊松方程的基本解.同样，对于二维空间，函数),(1ln )()(1ln 1ln 22N M r y x r =−+−=ηξ 叫做二维拉普拉斯方程或泊松方程的基本解.2.6.1.3 调和函数的积分表达式仍以三维空间为例，利用格林公式不难得到三维空间调和函数的积分表达式.定理:（调和函数的积分表达式）设函数u (x , y , z )在闭区域D 上有连续的一阶偏导数，且u (x , y , z )在区域D 内调和（即0=Δu 在D 内成立），那么对于D 内任意固定的一点就有),,(0000z y x M ,])1(1[41)(0S nr u n u r M u S d ∂∂−∂∂=∫∫π D M ∈0 ,这里M 为点(x , y , z )，并有2020200)()()(),(z z y y x x M M r r −+−+−== .事实上，设为区域D 内任意固定的一点，M (x ,y ,z )为),,(0000z y x M D 上的一个动点，动点M 到定点M 0的距离2020200)()()(),(z z y y x x M M r r −+−+−== .注意到函数r 1除点M 0外，处处调和，M 0挖去.以M 0点为球心，充分小的正数（ρ>0),用表示这个小球的球面.记区域D 0M K ρ0M S ρ0M K ρ1=D \ (通常称区域D 内挖去点M 0M K ρ0).这时区域D 1的表面为.U S 0M S ρ于是函数u , v =r1在闭区域011M S S D D ρU U =上可用格林公式，就有∫∫∫∫∫∫∫∂∂−∂∂+∂∂−∂∂=Δ−ΔS S n u r n r u D S n u r n r u V u r r u M S 01)1)1((1)1((]1)1([ρd d d 因为在区域D 1内0)1(,0=Δ=Δru ，上式左边等于零，由此得 01)1()1)1((00=∂∂−∂∂+∂∂−∂∂∫∫∫∫∫∫S S n u r S S n r u S n u r n r u M M S ρρd d d 现在讨论上式左边的后两项积分.注意到，对区域D 1而言，小球面0M S ρ的外法线方向应指向球心M 0 , 与半径r 的方向刚好相反，因此在球面上有0M S ρ2211)1(1(ρ==∂∂−=∂∂rr r n r ，这样上式第二项积分有 )(44)(1)1(1212200M u M u s S u S S n r u M M ππρρρρρ===∂∂∫∫∫∫d d , 这里用到积分中值定理，M 1为球面上的某一点.0M S ρ对于上式第三项积分，用积分中值定理有||22044112M n u M n u S n u r M S ∂∂⋅=∂∂⋅⋅=∂∂∫∫πρπρρρd 这里M 2为上的某一点.0M S ρ 因为nu ∂∂在M 0点的邻域内是有界的，让0→ρ，则M 1、M 2趋于球心M 0 ,所以第三项积分趋于零，由此得0)(4)1)1((0=+∂∂−∂∂∫∫M u S n u r n r u Sπd . 从而得到有界区域D 内调和函数u 的积分表达式：S nr u n u r M u S d )1(1(41)(0∂∂−∂∂=∫∫π, D M ∈0. 这个公式说明，调和函数u 在区域D 内任意一点M 0处的值可以由它的边界S 上的值和它在边界S 上的法向导数nu ∂∂的值来确定，这对解边值问题提供了方便.推论：若u 在有界区域D 内是二阶连续的可微函数，则有积分表达式∫∫∫∫∫Δ−∂∂−∂∂=DS V r u S n r u v u r M u d d ππ41))1(1(41)(0，. D M ∈0这是因为在闭区域1D 上用格林公式，有 S n u r S n r u S n u r n r u V u D r S M d d d )11(()1)1((101∂∂−∂∂+∂∂−∂∂=Δ−∫∫∫∫∫∫∫ρ 类似上述的讨论，上式右端当0→ρ时，区域,其余都一样.D D →1对于二维情形，由于基本解为r1ln ，所以不难得到在二维有界区域D 内调和的函数u 的积分表达式：S nr u n u r M u C d )1(ln )1[ln(21)(0∂∂−∂∂=∫π, D M ∈0. 这里C 为区域D 的边界.对一般的在区域D 内有二阶连续可微函数u ，则积分表达式为S u r l n r u n u r M u DC d d Δ−∂∂−∂∂=∫∫∫)1(ln 21])1(ln )1[ln(21)(0ππ, .D M ∈0这两个公式的证明作为习题留给读者自己去证明.§2.6.2 拉普拉斯（Laplace ）方程的狄里克雷问题2.6.2.1 边值问题的提法数学物理的不少问题都会归结为求拉普拉斯方程的解，根据边界条件的不同提法，可以把它的定解问题分为三类：第一边值问题，又称狄里克雷(Dirichlet)问题.求区域D 内调和，而在D 的边界S 上取已知值f 的函数u ，即狄里克雷问题的提法为：0=Δu ， 在D 内,|u s =f 1(M ) ， 在S 上.第二边值问题，又称诺伊曼(Neumann)问题，它的提法为： 0=Δu ， 在D 内,),(|2M f nu S =∂∂ S M ∈. 第三边值问题，又称洛平(Robin)问题，它的提法为：， 在D 内,0=Δu ),(3M f u n u S=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∂∂βα S M ∈. 这里α、β为已知常数，且不同时为零；f 、f 、f 为已知函数.)(1M )(2M )(3M 如果以上的提法，针对求有界区域D 内的解，称为内问题，如果求区域的外部的解，称为外问题.对于狄里克雷问题、诺伊曼问题解的存在性，要用到积分方程的理论，由于已超出本书的范围，这里不再赘述，感兴趣的读者可以查阅相关的书籍，例如由沈乃录主编的《积分方程》一书，将会给你一个满意的解答.2.6.2.2 狄里克雷问题的格林函数 格林函数法我们重点来解狄里克雷问题.从调和函数u 的积分表达式出发，在区域D 内的调和函数u 的积分表达式为：S n r u nu r M u S d ∫∫∂−∂∂=)/1(1(41)(0π， D M ∈0. 这里由于狄里克雷问题0=Δu ， 在D 内,|u s =f (M ) ， 在∈M S 上.所以，积分表达式中的第二项u 在边界面S 上的值已知，用f (M )代替，就有S n r M f nu r M u S d ∫∫∂−∂∂=))/1()(1(41)(0π， D M ∈0, 这样求解的关键是如何从上式中消去带nu ∂∂（未知的）这一项. 由格林公式出发，要在区域D 内求一个函数g ，它在区域D 内调和（即0=Δg ），则格林公式为：S n u g ng uS d ∫∫∂∂−∂∂=)(0 用π41乘以上式，再和积分表达式相加，就有 S n g r M f n u g r M u S d ∫∫−∂−∂∂−=])/1()()1[(41)(0π， D M ∈0如果上式中在边界面S 上有g r −1＝0，即=S g |r1，那末狄里克雷问题的解就是：S ng r M f M u S d ∫∫−∂−=])/1()([41)(0π， D M ∈0. 综上所述，欲解狄里克雷问题：0=Δu ， 在D 内,|u s =f(M) ， 在∈M S 上就转化为解另一个狄里克雷问题：0=Δg ， 在D 内,=S g |r1 ， ∈M S, 这里，);(0M M r r =);(0M M g g =，∈M S ，D M ∈0一般说来，函数也不是好求的，它与边界曲面S 的形状有关，但是不管怎么讲，给出了一个解狄里克雷问题的思路，并且对于一些特殊的区域D ，例如球体、半空间、圆域、半平面等可以用初等的方法求出函数g (M ; M );(0M M g 0)来.为了更清楚，我们令函数 );();(1);(000M M g M M r M M G −= 注意到基本解的特征，);(10M M r g (M ；M 0)的要求，对于函数G (M ；M 0)有两个基本性质：(1)除点D M ∈0外，函数G (M ；M 0)在区域D 内调和，即 0);(0=ΔM M G , M , M 0D ∈ 且0M M ≠ ;(2)在边界面S 上， ,0);(0=M M G ∈M ,S D M ∈0 . 通常把函数G (M ；M 0)称为拉普拉斯方程0=Δu 关于区域D 的狄里克雷问题的格林函数.用求格林函数G (M ；M 0)的方法解狄里克雷问题称为格林函数法.如果格林函数G (M ；M 0)求得，那么狄里克雷问题的解也就有了，并且为S M M G nM f M u S d );()(41)(00∫∫∂∂−=π , D M ∈0.对于二维的情形，完全类似地，可以得到 S nG M f M u C d ∫∂∂−=)(21)(0π , D M ∈0 为狄里克雷问题 C D M M f u D M u C=∂∈=∈=Δ),(,0| 的解，这里格林函数 );(1ln );(00M M g rM M G −=，作为习题留给读者自己去证明.例1. 球的狄里克雷问题和球的格林函数 球内狄里克雷问题的提法： , 在球内 0=Δu 2222R z y x <++ u=f (M ) , 在球面 上 2222R z y x =++这里 M =(x , y , z ).解： 先求球 的格林函数 2222R z y x <++ 设球内任一点，由此求满足另一个球狄里克雷问题：),(00,00z y x M );(0M M g 0);(0=ΔM M g , 在球内);(1);(00M M r M M g = , 在球面上 对于球而 2222R z y x <++M 1言，函数可以用初等的方 );(0M M g 法求得.记202020z y x ++＝ρ，点 M 0的对称点为M 0R S 1,显然点M 1在球外，并在OM 0的延长线上（如图），由对称点的定义知：21R ＝ρρ⋅其中1ρ为OM 1的长，即 2121211z y x ++＝ρ ，),,(1111z y x M =，由调和函数的基本解，这个应该是);(0M M g 1r A这种形式，这里 2121211)()()(z z y y x x r −+−+−= ，A 为待定常数.显然函数1r A在球内是调和的.问题是怎样确定常数A .由的第二个条件在球面上应为);(0M M g r 1.为区别起见，球面上的点记为),,(z y x M ′′′′.由于，所以在21R =⋅ρρM OM ′Δ0与中，是公共角，且夹这角的两边成比例1M M O ′ΔO ∠10OM M O M O OM ′=′，因此M OM ′Δ0与1M M O ′Δ相似，从而有M O OM M M M M ′=′′010，亦即R r r ρ=1，这样在球面上有OR S rr R 111=⋅ρ ， 可见常数202020z y x RRA ++==ρ，所求的101);(r R M M g ⋅=ρ，因此球的格林函数为2121212020202020201100)()()(1)()()(1);(1);(1);(z z y y x x z y x Rz z y y x x M M r R M M r M M G −+−+−⋅++−−+−+−=⋅−=ρ得球内狄里克雷问题的解为S nG M f M u RS d ∂∂′−=∫∫)(41)(00π,（）.球∈0M 2222R z y x <++为了计算，还须将这公式化成便于积分的形式.采用球面坐标系.设点M ′的球坐标为),,(ϕθ′′R ，点M 0的球坐标为),,(00ϕθρ，将记为O∠α，于是在球面上，ORS nr nr ∂∂∂∂1(,)1(1有 02022)(1grad 11)1()1(n n ⋅∂∂+∂∂+∂∂−=⋅−=∂∂−=∂∂⋅∂∂=∂∂k zr j y r i x r r r r n r r n r r r n r 其中n 0是球面的外法线单位向量.O R S 在球面上, OR S M ′点的坐标为),,(z y x ′′′，由此r x x x r 0−′=∂∂ , r y y y r 0−′=∂∂ , rz z z r 0−′=∂∂ , 设r 0是r 方向上的单位向量，由此),cos(1)(1)1(200002n r r k r z z j r y y i r x x r n r −=⋅−′+−′+−′−=∂∂n , 同理 ),cos(1)1(1211n r r nr −=∂∂，这样),cos(),cos(1)1()1(12121n r r Rn r rn r n r R n G ρρ−=∂∂−∂∂=∂∂−为了简化上式，在与M OM ′Δ01M M O ′Δ中用余弦定理得Rr r R n r 2),cos(222ρ−+=， 12121212),cos(Rr r R n r ρ−+= ， 注意到在球面上有OR S rr R 11=ρ，并且，于是有 21R =⋅ρρ3221212),cos(),cos(1Rr R n r r R n r rn G ρρ−=−=∂∂−, 从而球内狄里克雷问题的解化简为ϕθθραρρϕθπρπππ′′′+−−′′=−′=∫∫∫∫d d d sin ]cos 2[),(4)(41)(2322222003220R R R f RS rR M f R M u O RS这也叫球的泊松积分.利用M 0的对称点M 1构造格林函数的方法，叫做镜像法，物理学中又叫静电源象法.例 2. 半空间的狄里克雷问题.半空间的狄里克雷问题就是求一个在上半空间内的调和函数u (x , y, z )，且在边界面z =0上满足u (x , y , 0)=f (x , y )，即0>z⎪⎩⎪⎨⎧=>=Δ=),(0,0|0y x f u z u z解：设在半空间在z >0内任意一点，这里z ),(00,00z y x M 0>0,那么M 0关于平面的对称点M 0=z 1就是 ),(00,0z y x −.所以函 数2020201)()()(11z z y y x x r ++−+−=是半空间内的调和函数，并且在边界面z =0上，显然有0>z rr 111=，因此半空间z >0内的格林函数为20202020202010)()()(1)()()(111);(z z y y x x z z y y x x r r M M G ++−+−−−+−+−=−=对于半空间z >0，边界面z ＝0的外法线方向与z 轴的正向相反，于是z G nG ∂∂−=∂∂，这个半空间z >0的狄里克雷问题的解为S n G y x f z y x u z d ∫∫=∂∂−=0000),(41),,(π =S zG y x f z d ∫∫=∂∂0),(41π=y x z y y x x y x f z d d ∫∫+∞∞−+∞∞−+−+−232020200])()[(),(2π.§2.6.3 泊松方程的狄里克雷问题在研究有外力作用下的薄膜平衡和有热流的热平衡以及稳定电场的静电势等问题时，都会导出称谓泊松方程的数学物理方程.泊松方程的一般形式是),,(z y x F u u u u zz yy xx =++≡Δ,其中F (x , y , z )为已知函数.泊松方程的狄里克雷问题的提法是),,(z y x F u =Δ （x , y , z ）D ∈, )(|M f u S= M 在D 的边界面S 上.对于在有界区域D 内有二阶连续的可微函数u (M ),有积分表达式V r uS n r u n u r M u DSd d ∫∫∫∫∫Δ−∂∂−∂∂=ππ41))1(1(41)(0, . D M ∈0设是区域);(0M M G D 的格林函数，就有);();(1);(000M M g M M r M M G −=这里函数为区域);(0M M g D 内的调和函数，在边界面S 上有r g S1|=，对格林公式S n u v n v u V u v v u D Sd d ()(∂∂−∂∂=Δ−Δ∫∫∫∫∫中用函数替代v ，再两边乘以);(0M M g π41得∫∫∫∫∫Δ+∂∂−∂∂=DSV u g S n u r n g ud d ππ41)1(410将以上两等式相加，消去S n ur Sd ∂∂∫∫141π项就得泊松方程狄里克雷问题的解为∫∫∫∫∫+∂∂−=DSV FG S n G fM u d d ππ4141)(0显然，上式第一项是定解问题0=Δu 在D 内，的解；第二项是定解问题的解f u S=|0,|==ΔSu F u 对于二维泊松方程的狄里克雷问题可以类似地求解.。
第六章格林函数
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一、半空间上的格林函数 上半空间区域上的格林函数满足
⎧ΔG = −δ (r − r0 ), ⎨ ⎩G z =0 = 0 z>0
在半空间 z > 0 上取一点 M 0 ( x0 , y0 , z0 ), 令 r0 = x + y + z 表示自原点到该点的距离， 并在该点放置一个单位正电荷，它所形成的静电场 在任何一点 M ( x, y, z ) 处的电位函数为 1 1 1 = ⋅ 4π rM0M 4π (x − x0 )2 + ( y − y0 )2 + (z − z0 )2
u (ξ ,η , ζ ) = − ∫∫
S
∂G f dσ＋∫∫∫ Gϕ dω. ∂n Ω
对于拉普拉斯第一边值问题， 如果ϕ = 0,
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上式可写为
∂G dσ u (ξ ,η , ζ ) = − ∫∫ f ∂n S 其中G也可称为拉普拉斯方程第一边值问题的格林函数.
三、格林函数的物理意义
把区域 Ω 的边界考虑为一个金属壳体， 并把它用导线接地， 并在 Ω 内一点 P (ξ ,η , ζ ) 放置一个单位正电荷，令 V ( P, Q ) = V ( x − ξ , y − η , z − ζ ) 表示这个静电场的电位函数，由于现在电荷是 集中在一点的，可用 δ 函数来表示电荷分布密度，
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k k Δu + f ( x, y , z ) = 0 cρ cρ
或
Δu = − f .
其中 f 为已知函数，这是泊松方程。 如果没有热源，即 f ≡ 0 则
Δu = 0,
我们得到拉普拉斯方程。 例二： 设在一真空空间区域 Ω 中存在一个
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静电场 E ( x, y , z ), 电荷的密度分布函数为 ρ ( x, y, z ), 根据静电学中的基本定律，有 ρ divE = ∇ • E = (高斯定理) ε0 且 rotE = ∇ × E = 0. (斯托克斯定理) 这个静电场是无旋的，那么必定是有势的， 即存在一个电位函数： u = u ( x, y, z ) 使得
数学物理方程学习指导书第6章拉普拉斯方程的格林函数法
第6章 拉普拉斯方程的格林函数法在第4、5两章，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.6.1 拉普拉斯方程边值问题的提法在第3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22222220.u u uu x y z∂∂∂∇≡++=∂∂∂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，如第一章所述有三种类型，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Ω的边界Γ上给定了连续函数f ，要求这样一个函数(,,)u x y z ，它在闭域Ω+Γ (或记作Ω)上连续，在Ω内存在二阶偏导数且满足拉普拉斯方程，在Γ上与已知函数f 相重合，即.u f Γ= (6.1)第一边值问题也称为狄利克莱(Dirichlet)问题，或简称狄氏问题.4.3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称为调和函数.所以，狄氏问题也可以换一种说法：在区域Ω内找一个调和函数，它在边界Γ上的值为已知.（2）第二边值问题 在某光滑的闭曲面Γ上给出连续函数f ，要求寻找这样一个函数(,,)u x y z ，它在Γ内部的区域Ω中是调和函数，在Ω+Γ上连续，在Γ上任一点处法向导数un∂∂存在，并且等于已知函数f 在该点的值： .uf n Γ∂=∂ （6.2） 这里n 是Γ的外法向矢量.第二边值值问题也称牛曼（Neumann ）问题.以上两个边值问题都是在边界Γ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Ω的外部求调和函数u ，使满足边界条件,u f Γ=这里Γ是Ω的边界，f 表示物体表面的温度分布，象这样的定解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一个条件*）lim (,,)0(r u x y z r →∞==（6.3）（3）狄氏外问题 在空间(,,)x y z 的某一闭曲面Γ上给定连续函数f ，要找出这样一个函数(,,)u x y z ，它在Γ的外部区域'Ω内调和，在'Ω+Γ上连续，当点(,,)x y z 趋于无穷远时，(,,)u x y z 满足条件(6.3)，并且它在边界Γ上取所给的函数值.u f Γ= （6.4）（4）牛曼外问题 在光滑的闭曲面Γ上给定连续函数f ，要找出这样一个函数(,,)u x y z ，它的闭曲面Γ的外面部区域'Ω内调和，在'Ω+Γ上连续，在无穷远处满足条件(6.3)，而且它在Γ上任一点的法向导数'un ∂∂存在，并满足 ,'uf n Γ∂=∂ （6.5） 这里n '是边界曲面Γ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.6．2 格林公式为了建立拉普拉斯方程解的积分表达式，需要先推导出格林公式，而格林公式则线面积分中奥-高公式的直接推论.设Ω是以足够光滑的曲面Γ为边界的有界区域，(,,),(,,),(,,)P x y z Q x y z R x y z 是在Ω+Γ上连续的，在Ω内具有一阶连续偏导数的任意函数，则成立如下的奥-高公式*）从数学角度讲，补充了这个条件就能保证外问题的解是唯一的，如果不具有这个条件，外问题的解可能不唯一.例如，在单位圆Γ外求调和函数，在边界上满足1=Γu.容易看出，及1),,(1≡z y x u22221),,(zy x z y x u ++=都在单位圆外满足拉普拉斯方程，并且在单位圆Γ上满足上述边界条件.P Q R d x y z Ω⎛⎫∂∂∂++Ω ⎪∂∂∂⎝⎭⎰⎰⎰ [cos(,)cos(,)cos(,)],P n x Q n y R n z dS Γ=++⎰⎰ (6.6)其中d Ω是体积元素，n 是Γ的外法向矢量，dS 是Γ上的面积元素.下面来推导公式(6.6)的两个推论.设函数(,,)u x y z 和(,,)v x y z 在Ω+Γ上具有一阶连续偏导数，在Ω内具有连续的二阶偏导数.在(6.6)中令,,,v v v P uQ u R u x y z∂∂∂===∂∂∂ 则有2()u v u v u v u v d d x x y y z z ΩΩ⎛⎫∂∂∂∂∂∂∇Ω+++Ω ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰ ,vudS nΓ∂=∂⎰⎰ 或2().vu v d u dS grad u grad v d n ΩΓΩ∂∇Ω=-⋅Ω∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ （6.7） (6.7)式称为第一格林(Green)公式.在公式(6.7)中交换,u v 位置，则得2().uv u d v dS grad u grad v d n ΩΓΩ∂∇Ω=-⋅Ω∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ （6.8） 将(6.7)与(6.8)式相减得到22().v u u v v u d u v dS n n ΩΓ∂∂⎛⎫∇-∇Ω=- ⎪∂∂⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰ （6.9） (6.9)式称为第二格林公式.利用格林公式我们可以推出调和函数的一些基本性质. (i)调和函数的积分表达式所谓调和函数的积分表达式，就是用调和函数及其在区域边界Γ上的法向导数沿Γ的积分来表达调和函数在Ω内任一点的值.设0000(,,)M x y z 是Ω内某一固定点，现在我们就来求调和函数在这点的值，为此，构造一个函数1v r == （6.10）函数1r除点0M 外处处满足拉普拉斯方程，这函数在研究三维拉普拉斯方程中起着重要的作用，通常称它为三维拉普拉斯方程的基本解.由于1v r=在Ω内有奇异点0M ,我们作一个以0M 为中心，以充分小的正数ε为半径的球面,εΓ在Ω内挖去,εΓ所包围的球域K ε得到区域K εΩ-（图6-1），在K εΩ-内1v r=是连续可微的.在公式(4.9)中取u 为调和函数，而图6-1取1v r=，并以K εΩ-代替该公式中的Ω，得 221111(),K u r u u d u dS r r n r n εεΩ-Γ+Γ⎡⎤⎛⎫∂ ⎪⎢⎥∂⎝⎭⎢⎥∇-∇Ω=-∂∂⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰ （6.11） 因为在K εΩ-内2210,0.u r∇=∇=而在球面εΓ上221111,r r n r r ε⎛⎫⎛⎫∂∂ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭=-==∂∂ 因此22211144,r u dS udS u u n εεπεπεεΓΓ⎛⎫∂ ⎪⎝⎭==⋅=∂⎰⎰⎰⎰其中u 是函数u 在球面εΓ上的平均值.同理可得22211144,r u dS udS u u n εεπεπεεΓΓ⎛⎫∂ ⎪⎝⎭==⋅=∂⎰⎰⎰⎰ 此外u n ⎛⎫∂ ⎪∂⎝⎭是un ∂∂在球面εΓ上的平均值，将此两式代入(6.11)可得 11440.u u u dS u n r r n n εππεΓ⎛⎫⎛⎫∂∂∂⎛⎫-+-= ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎰⎰ 现在令0,ε→由于00lim ()u u M ε→=（因为(,,)u x y z 是连续函数），0lim 40u n επε→⎛⎫∂=⎪∂⎝⎭（因为(,,)u x y z 是一阶连续可微的，故un∂∂有界）则得 000111()()(),4MM MM u M u M u M dS n r r n πΓ⎡⎤⎛⎫∂∂⎢⎥=--⎪ ⎪∂∂⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎰⎰ (6.12)此外为明确起见，我们将r =记成0MM r .(6.12)说明，对于在Ω+Γ上有连续一阶偏导数的调和函数u ，它在区域Ω内任一点0M 的值，可通过积分表达式(6.12)用这个函数在区域边界Γ上的值及其在Γ上的法向导数来表示*）.(ii)牛曼内问题有解的必要条件设u 是在以Γ为边界的区域Ω内的调和函数，在Ω+Γ上有一阶连续偏导数，则在公式(6.9)中取u 为所给的调和函数，取1v =，就得到0udS nΓ∂=∂⎰⎰(6.13) 由(6.13)可得牛曼内问题u f nΓ⎛⎫∂=⎪∂⎝⎭有解的必要条件为函数f 满足*）上面的推导是假定点),,(0000z y x M 在区域Ω内，如果0M 在Ω外或0M 在边界Γ上，我们也可用同样方法推得另外两个式子，把它们合并在一起可得⎰⎰Γ⎪⎩⎪⎨⎧ΩΓΩ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-。
拉普拉斯方程及其解法
拉普拉斯方程及其解法拉普拉斯方程是一个经典的偏微分方程，它的形式为：∇²u=0其中，u表示待求的函数，∇²表示Laplace算子，表示二阶偏导数的和。
拉普拉斯方程在各个领域中都有着重要的应用，如电场、热传导、流体力学等。
在数学上，对于二维或三维函数的拉普拉斯方程，其解法有许多种，其中最常用的为分离变量法与格林函数法。
一、分离变量法分离变量法在解决二维及三维拉普拉斯方程中具有广泛的适用性，它的基本思想是将多维问题化为一系列单变量问题的组合。
假设拉普拉斯方程的解可以表示为三维函数的乘积形式：u(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z)则将这个表达式代入拉普拉斯方程中，可以得到以下三个方程：X''(x)/X(x)+Y''(y)/Y(y)+Z''(z)/Z(z)=0由于每个方程都与坐标变量无关，因此可以将它们分别表示为常微分方程的形式：X''(x)/X(x)=λ1，Y''(y)/Y(y)=λ2，Z''(z)/Z(z)=λ3上述三个方程中的参数λ1、λ2、λ3为方程的本征值，它们的取值将直接影响到解的形式。
当λ1、λ2、λ3为常数时，可以将三个方程的通解写成以下形式：X(x)=Acos(α1x)+Bsin(α1x)，Y(y)=Ccos(α2y)+Dsin(α2y)，Z(z)=Ecos(α3z)+Fsin(α3z)其中，A、B、C、D、E、F为任意常数，α1、α2、α3为根据本征值计算出来的常数。
将上述三个方程的通解带入原式，经过简单分析、代数变换，可以得到二维或三维拉普拉斯方程的解。
二、格林函数法另一种常用的解法为格林函数法。
在一定条件下，基于格林函数的方法能够得到更加简单和结构精细的解，因此在应用中有着广泛的应用。
假设存在格林函数G(x,y)，它有以下特性：①G(x,y)满足拉普拉斯方程，即∇²G(x,y)=δ(x-x0,y-y0)。
第六章 格林函数法
利用格林公式，有
U ΔUdV n dS Ω S
取边界S 为球面，其半径为 r，则有
1
S
U U B dS dS 2 dS 4πB n r r S S
1 4π
所以
B
最后得三维拉普拉斯方程的基本解
1 U 3 M ; M 0 4πrMM 0
整理后得
u v u v u v uΔΔdV dV x x y y z z Ω Ω v u dS n S
于是得到第一格林公式
v uΔ vdV u n dS - grad u grad vdV S
第六章 格林函数法
本章主要研究基本解和格林函数及其在边
值问题中的应用，并介绍初值问题的相关
解法。
6.1 格林公式 三维问题
高斯公式
P Q R x y z dV Ω
S
Pn1 Qn2 Rn3 dS
（1）
其中 n 为S的外法线方向。 在高斯公式中取
考虑到基本解在 r = 0 处应具有奇异性，取 A = 0。为进一步 确定B值，对式（a）两边进行面积分得
Δ Ud x x , y y d 1
0 0 D D
利用格林公式，有
U Δ Udσ n ds D C
取边界C为圆周， 其半径为 r ，则有
1 U U B ds ds ds 2πB n r r C C C
（2）
同理，有
u vΔ udV v n dS - grad u grad vdV S
将上二式两边相减得第二格林公式
（3）
u v uΔ v - vΔ u dV u n v n dS S
拉普拉斯方程的格林函数法共45页文档
45、自己的饭量自己知道。——苏联
拉普拉斯方程的格林函数法
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28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
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n 第二边值值问题也称牛曼（Neumann）问题.
以上两个边值问题都是 区域内部求拉普拉斯方程的解.
这样的问题称为内问题.
6．2 格林公式
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设 是以足够光滑的曲面 为边界的有界区域， P( x, y, z),Q( x, y, z), R( x, y, z) 在 上连续的，在 内具有一阶连续偏导数的任意函数， 则成立如下
内 v1 r
是连续可微的.
在公式(4.9)中取 u 为调和函数 取 v 1 ，并以 r
K 代替该公式中的 ，得
(u2 1 1 2u)d
u
1 r
1
u
dS
,
K
rr
n r n
#
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因为在
K
内 2u 0,2 1 r
0.
而在球面
上
1 r
n
1 r
0
v
u n
u
v n
dS .
将上式与积分表达式相减得u(M0来自) u v n
1
4
1 n rMM0
1
4 rMM0
v
u n
dS
.
如果能选取调和函数 v 使满足
于是有
1
v
,
4 rMM0
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1
u(M0 ) u n 4 rMM0 v dS.
令
1
G(M , M0 ) 4 rMM0 v,
r
1 r2
1
2
,
因此
u
1 r
dS
n
1
2
udS
1
2
u 4 2
4 u,
同理可得
u
1 r
dS
n
1
2
udS
1
2
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u 4 2 4 u,
将此两式代入(#)可得
u
n
1 r
1 r
u n
dS
4
u
4
u n
0.
现在令 0, 则得
1
1 1 u(M )
u(M0 ) 4
且有
1 r
1 a
,
n
1 r
r
1 r
1 a2
,
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1 u 1 u
dS
dS 0
r Ka
a Ka n
即证
(iv)拉普拉斯方程解的唯一性问题
利用格林公式讨论拉普拉斯方程解的唯一性问题， 可以证明如下的结论： （1）狄利克莱问题的解是唯一确定的； （2）牛曼问题的解除了相差一常数外也是唯一确定的.
u(M )
n
rMM0
rMM0
dS, n
(ii)牛曼内问题有解的必要条件
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设 u 是在以 为边界的区域 内的调和函数，
在 上有一阶连续偏导数，则在公式(6.9)中取
u为所给的调和函数，取 v 1，就得到
u
dS 0
由此可得牛曼内问题
n
u
n
f
有解的必要条件为函数
在高斯公式中令 P u v ,Q u v , R u v ,
x
y
z
则有
(u
2v )d
u x
v x
u y
v y
u z
v z
d
v
u
n
dS
,
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(u
2v
)d
u
v n
dS
grad
u grad
v
d.
上式称为第一格林公式，
在上式中交换 u,v位置，则得
(v
2u)d
v
u n
dS
grad
u grad
v
d.
( u 2v
v 2u)d
u
v n
v
u n
dS
.
————第二格林公式
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利用格林公式我们可以推出调和函数的一些基本性质.
(i)调和函数的积分表达式
设 M0( x0 , y0 , z0是) 内某一固定点，求调和函数 在这点的值，为此，构造一个函数
1
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以 u1, u2 表示定解问题的两个解，则它们的差 v u1 u2 必是原问题满足零边界条件的解，
对于狄氏问题， v 满足
2v 0,在内; v 0, 对于牛曼问题， v 满足
（*）
2v 0,在内;
v
n
0,
（**）
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在格林第一公式中取 u v u1 u2 则得
的奥-高公式
P x
Q y
R z
d
[P cos(n, x) Q cos(n, y) Rcos(n, z)]dS,
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下面来推导高斯公式的两个推论. 设函数 u( x, y, z) 和 v( x, y, z) 在 上具有一阶连续
偏导数，在 内具有连续的二阶偏导数.
f 满足
fdS 0.
(iii) 平均值公式
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设函数 u(M )在某区域 内是调和的，M是0
内任一点， Ka 表示以 M为0 中心，以 a 为半径，
且完全落在区域 内部的球面，则成立下列平均值公式
1
u(M0 ) 4 a2 Ka udS.
证明 将调和函数的积分表达式应用于球面 Ka
1
v
.
r ( x x0 )2 ( y y 0 )2 (z z0 )2
通常称它为三维拉普拉斯方程的基本解
由于 v
1在 r
内有奇异点 M0
,我们作一个以 M0
为中心，以充分小的正数 为半径的球面 ,
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在 内挖去 所包围的球域 K 得到区域 K
（如图），在 K
0
v
v n
dS
(
gradv
)2
d
.
由条件(*)或(**)得 ( gradv)2d 0,
故在 内必有 gradv 0,
v v v 0, v C. x y z
对于狄氏问题，由 u 0,得C 0.故v 0.
6．3 格林函数
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在格林第二公式中取 u,v 均为调和函数，则得
第一边值问题也称为狄利克莱(Dirichlet)问题， 拉普拉斯方程的连续解称为调和函数.所以，狄氏问题 也可以换一种说法：在区域 内找一个调和函数， 它在边界 上的值为已知.
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（2）第二边值问题 在某光滑的闭曲面 上给出
连续函数 f ，要求寻找这样一个函数 u( x, y, z) 它在 中是调和函数，在 上连续，在 上任一点处法向导数 u存在，并且等于已知函数 f
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第6章 拉普拉斯方程的格林函数法
6.1 拉普拉斯方程边值问题的提法
三维拉普拉斯方程
2u
2u x 2
2u y2
2u z 2
0.
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，应用得较多的 是如下两种边值问题.
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（1）第一边值问题 在空间 ( x, y, z) 中某一区域 的边界 上给定了连续函数 f ，要求这样一个函数 u( x, y, z) ，它在闭域 (或记作 )上连续，在 内存在二阶偏导数且满足拉普拉斯方程，在 上与已知函数 f 相重合，即 u f .