数理方程第四章 格林函数法

内任意一点，若 是以 M 为中心，a为半径 a 0
1 u(M 0 ) 4
及由性质1，有
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1 1 u u ( ) dS a r n n r
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第4章格林函数法

又因为，在
u v u v u v v uvdV ( x x y y z z )dV u ndS
vudV (

u v u v u v u )dV v dS n x x y y z z
分方程，又可以研究偏微分方程；既可以研究齐次方 程又可以研究非齐次方程；既可以研究有界问题，又 可以研究无界问题。它的内容十分丰富，应用极其广 泛。这一章，我们主要介绍用格林函数求解拉普拉斯
方程的边值问题。
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4.1 格林公式及其应用
4.1.1 基本解 对拉普拉斯方程 u uxx u yy uzz 0 , 其球坐标形式为：
若取 c1 1, c2 0,则得到特解 V0 ( r ) ,称此解为三维Laplace
r
c1 c2 , (r 0, c1 , c2 为任意常数)。 r 1
方程的基本解,它在研究三维拉普拉斯方程中起着重要的作用.
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对二维拉普拉斯方程 u uxx u yy 0 ,其极坐标形式为:
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格林函数又称为点源函数或影响函数。顾名思 义，它表示一个点源在一定的边界条件和(或)初值条 件下所产生的场或影响。由于任意分布的源所产生的 场均可看成许许多多点源产生的场的叠加，因此格林 函数一旦求出，就可算出任意源的场。格林函数法以 统一的方式处理各类数学物理方程，既可以研究常微
证明 只要在Green公式中取 v 1 即证。 注：此性质表明调和函数的法向导数沿区域边界的积分为零。 对稳定的温度场，流入和流出物体界面的热量相等，否则就 不能保持热的动态平衡，而使温度场不稳定。
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思考：Laplace方程Neumann问题有解的必要条件是什么？
若取 c1 1, c2
1 0 , 则得到特解 V0 (r ) ln , 称此解为二维 r
Laplace方程的基本解.
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4.1.2 格林公式
由高斯公式 P Q R dV P cos(n, x) Q cos(n, y) R cos(n, z) d S x y z v v v 令P u , Q u , R u ,则得到格林第一公式： x y z
u u 0, | f . n
性质2 (平均值定理)
u n dS f dS 0.
设函数 u( M ) 在区域 内调和，
M0 是
的球面，此球完全落在区域 的内部，则有
1 u(M 0 ) udS 2 a 4a 证明： 由调和函数的积分表示：
调和函数在区域内任一点的值可以通过积分表达式用这个 函数在区域边界上的值和边界上的法向导数来表示。
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若函数
内满足Poisson方程 u
1 u(M 来自百度文库 ) 4
u 在 上有一阶连续偏导数，且在
F ，则同样有
将以上两公式相减，得到格林第二公式：
v u (uv vu )dV (u n v n )dS
调和函数：具有二阶偏导数并且满足拉普拉斯方程的连续函数。
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4.1.3 调和函数的积分表达式 由Green公式可导出调和函数的积分表示。由于函数： 1 1 rMM ( x x0 ) 2 ( y y 0 ) 2 ( z z 0 ) 2
0
除在 M 0 点外处处满足三维Laplace方程u
定理：若函数 内调和，则
0，于是有
u 在 上有一阶连续偏导数，且在
1 1 u ( M ) u(M ) ( ) dS n rMM 0 rMM 0 n
1 u(M 0 ) 4
2u 1 u 1 2u 2 0 2 2 r r r r
(4.1.2)
求方程(4.1.2)的径向对称解 u V (r ) (即与 无关的解) ,则有：
其通解为： V (r ) c1 ln r c2 , (r
d 2V 1 dV 0 2 dr r dr
0, c1 , c2 为任意常数)。
1 1 u ( M ) 1 u(M ) ( ) dS n rMM 0 rMM 0 n 4 F (M ) rMM dV 0
4.1.4 调和函数的性质
性质1. 设 u ( x, y, z ) 是区域 内的调和函数，它在 u 上有一阶连续偏导数，则 dS 0, 其中 , n n 是 的外法线方向。
1 2 u 1 u 1 2u (r ) 2 (sin ) 2 2 0 2 2 r r r r sin r sin
(4.1.1)
求方程(4.1.1)的球对称解u V (r ) (即与 和 无关的解) ,则有：
其通解为：V ( r )
d 2 dV (r )0 dr dr