第一章 偏微分方程和一阶线性偏微分方程解
一阶偏微分方程基本知识
一阶偏微分方程根本知识这一章我们来讨论一阶线性偏微分方程和一阶拟线性偏微分方程的解法，因为它们都可以化为常微分方程的首次积分问题，所以我们先来介绍常微分方程的首次积分。
一阶常微分方程组的首次积分首次积分的定义从第三章我们知道，n阶常微分方程y n fx,y',y'', ,y n1，〕在变换yy,yy',L,ynyn112〕之下，等价于下面的一阶微分方程组dy1f1x,y1,y2,L,yn,dxdy2f2x,y1,y2,L,y n,dxMMMMdy nf n x,y1,y2,L,y n.dx〔〕在第三章中，已经介绍过方程组〔〕通解的概念和求法。
但是除了常系数线性方程组外，求一般的〔〕的解是极其困难的。
然而在某些情况下，可以使用所谓“可积组合〞法求通积分，下面先通过例子说明“可积组合〞法，然后介绍一阶常微分方程组“首次积分〞的概念和性质，以及用首次积分方法来求解方程组〔〕的问题。
先看几个例子。
例1求解微分方程组--WORD格式--可编辑--dx yxx2y21,dy xyx2y2 1.dt dt〔〕解：将第一式的两端同乘x，第二式的两端同乘y，然后相加，得到x dx y dy x2y2x2y21，dt dt1dx2y2x2y2x2y21dt。
2这个微分方程关于变量t和x2y2是可以别离，因此不难求得其解为x2y21e2t C1，x2y2〔〕C1为积分常数。
〔〕叫做〔〕的首次积分。
注意首次积分〔〕的左端V x,y,t作为x，y，和t的函数并不等于常数；从上面的推导可见，当xx(t),y y(t)时微分方程组〔〕的解时，Vx,y,t才等于常数C1，这里的常数C1应随解而异。
因为式〔〕是一个二阶方程组，一个首次积分〔〕缺乏以确定它的解。
为了确定〔〕的解，还需要找到另外一个首次积分。
将第一式两端同乘y，第二式两端同乘x，然后用第一式减去第二式，得到y dx x dy x2y2，dt dt即x dy y dx x2y2，dt dt亦即d arctan yx。
偏微分方程的解法
偏微分方程的解法偏微分方程（Partial Differential Equations，简称PDEs）是数学中的一个重要分支，它描述了多变量函数的偏导数之间的关系。
这些方程在自然科学、工程应用和社会科学等领域都发挥着重要作用。
解决偏微分方程是一个复杂而有挑战性的过程，需要运用多种数学方法和工具来求解。
在本文中，我将为您介绍几种常见的偏微分方程的解法，并提供一些示例以帮助您更好地理解。
以下是本文的主要内容：1. 一阶线性偏微分方程的解法1.1 分离变量法1.2 特征线方法2. 二阶线性偏微分方程的解法2.1 分离变量法2.2 特征值法2.3 Green函数法3. 非线性偏微分方程的解法3.1 平移法3.2 线性叠加法3.3 变换法4. 数值方法解偏微分方程4.1 有限差分法4.2 有限元法4.3 谱方法5. 偏微分方程的应用领域5.1 热传导方程5.2 波动方程5.3 扩散方程在解一阶线性偏微分方程时，我们可以使用分离变量法或特征线方法。
分离变量法的基本思路是将方程中的变量分离，然后通过积分的方式求解每个分离后的常微分方程，最后再将结果合并。
特征线方法则是将方程中的变量替换为新的变量，使得方程中的导数项消失，从而简化求解过程。
对于二阶线性偏微分方程，分离变量法、特征值法和Green函数法是常用的解法。
分离变量法的核心思想与一阶线性偏微分方程相似，将方程中的变量分离并得到常微分方程，然后进行求解。
特征值法则利用特征值和特征函数的性质来求解方程，适用于带有齐次边界条件的问题。
Green函数法则通过引入Green函数来求解方程，其特点是适用于非齐次边界条件的情况。
非线性偏微分方程的解法则更加复杂，常用的方法有平移法、线性叠加法和变换法。
这些方法需要根据具体问题的特点选择合适的变换和求解技巧，具有一定的灵活性和创造性。
除了上述解析解法，数值方法也是解偏微分方程的重要手段。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和谱方法等。
1.3一阶线性偏微分方程的通解法
1.3 一阶线性偏微分方程的通解法1.3.1 (3)，1.3.2 (3)，1.3.3(2)通解法：对某些偏微分方程，通过积分先求出通解，再由定解条件定出特解的解法。
1.3.1 两个自变量的一阶线性偏微分方程(,)(,)(,)(,)0.1(,),(,),(,),(,)D (,),(,)u ua x yb x yc x y u f x y x y a x y b x y c x y f x y a x y b x y ∂∂++=∂∂（）其中，为平面区域上的连续函数，且不同时为0.1D (,)0,(,)0,(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)=exp -exp ()0.3(,)(,)(,)()a x y b x y u c x y f x y u y b x y b x y x c x y c x y f x y u x y dy dy dy g x b x y b x y b x y g x C ≡≠∂+=∂⎡⎤⎛⎞⎛⎞+⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦∫∫∫若在上，则（0.2）可看做含参数的常微，其通解.（其中，为任意函数。
）D (,)(,)0,=,)(,)(,)(,)0(,)a x y b x y x y x y xyJ x y xyξϕηψϕϕϕψϕψψψ≠⎧⎨=⎩∂∂∂∂∂==≠∂∂∂∂∂若在上，则方程（0.2）不能直接积分求解。
试作变量代换（（0.4）要求其雅可比行列式（保证新变量的独立性）利用链式法则++(,)=((,,(,)(,.=,)(,)(,)=0u u u u u ux x x y y y u x y u u x y u u u a b a b cu f xy x y x y a x y b x y x y ϕψϕψξηξηξηξηξηϕϕψψξηξϕϕϕ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂==∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂∂∂++++=⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠∂∂+∂∂，的方程（0.1）变成)))的新方程（0.5）若取（是一阶齐次线性偏微分方程（0.6）的解，则新(,(,)u a b cu f xy u u ψψηηξη⎛⎞∂∂∂++=⎜⎟∂∂∂⎝⎠方程（0.5）成为（0.2）型的方程，（0.7）对积分即可求出其通解)，代回原自变量即得通解。
高等数学偏微分方程教材
高等数学偏微分方程教材引言：高等数学偏微分方程教材是一本专注于讲解偏微分方程的教材。
它旨在帮助学生深入理解该领域的概念和技巧，培养他们的数学思维和解决实际问题的能力。
本教材的编写旨在提供清晰、系统和综合的课程内容，以满足学生对高等数学偏微分方程的学习需求。
第一章偏微分方程简介1.1 偏微分方程的概念与分类- 偏微分方程的定义与基本概念- 常见的偏微分方程分类及其特点1.2 偏微分方程的数学建模- 偏微分方程在自然科学和工程领域的应用- 建立数学模型与偏微分方程的联系第二章一阶偏微分方程2.1 一阶偏微分方程的基本概念与解法- 一阶线性偏微分方程的解法- 一阶齐次与非齐次偏微分方程的解法2.2 传热问题与一维热传导方程- 一维热传导方程的物理背景与模型建立- 定解条件与初值问题解法- 热传导问题的数值解法与应用第三章二阶线性偏微分方程3.1 二阶线性偏微分方程的基本理论- 二阶线性偏微分方程的一般形式与特征方程 - 常系数与变系数二阶线性偏微分方程的解法3.2 波动方程与振动问题- 波动方程的物理背景与模型建立- 结束条件与初值问题的解法- 波动问题的数值解法与应用第四章椭圆型偏微分方程4.1 椭圆型偏微分方程的基本理论- 椭圆型偏微分方程的定义与性质- 球坐标与柱坐标下的椭圆型偏微分方程4.2 热传导问题与二维热传导方程- 二维热传导方程的模型建立与解法- 边值问题与数值解法- 热传导问题的应用案例第五章抛物型偏微分方程5.1 抛物型偏微分方程的基本理论- 抛物型偏微分方程的定义与分析 - 热传导方程与时间相关问题5.2 扩散过程与扩散方程- 扩散方程的模型与解法- 边界条件与初始值问题的解法- 扩散问题的数值解法与应用第六章偏微分方程的数值解法6.1 偏微分方程的数值离散化- 偏微分方程的差分格式与有限元法 - 空间离散化与时间离散化的方法6.2 常见数值解法的实现与应用- 追赶法与矩阵分解法- 迭代法与收敛性分析- 各种数值方法的优缺点与应用领域结语：高等数学偏微分方程教材的编写旨在全面深入地介绍偏微分方程的理论与应用。
偏微分方程解析解
偏微分方程解析解偏微分方程（Partial Differential Equation，简称PDE）是数学中研究最广泛的领域之一，它涉及到物理、工程、金融等众多领域中的实际问题。
解析解是指通过解析方法得到的能够精确描述偏微分方程解的解析表达式。
本文将介绍偏微分方程解析解的求解方法，并通过一些具体的例子进行说明。
一、一阶线性偏微分方程1.1 一维线性传热方程考虑一维线性传热方程：$$\frac{{\partial u}}{{\partial t}} = k\frac{{\partial^2 u}}{{\partialx^2}}$$其中，$u(t,x)$表示时间$t$和空间$x$上的温度分布，$k$为传热系数。
为了求解这个方程，我们引入一个新的变量，令$v(t,x) = u(t,x) -F(x)$，其中$F(x)$是由于边界条件所确定的函数。
将$v(t,x)$代入上面的方程得到：$$\frac{{\partial v}}{{\partial t}} = k\frac{{\partial^2 v}}{{\partialx^2}}$$接下来，我们可以使用分离变量法求解这个二阶偏微分方程。
假设$v(t,x)$可以表示为$v(t,x) = T(t)X(x)$的形式，则将这个表达式代入上面的方程中，得到：$$\frac{{T'(t)}}{{T(t)}} = k\frac{{X''(x)}}{{X(x)}}$$由于左边是关于$t$的表达式，右边是关于$x$的表达式，它们只能等于一个常数，即：$$\frac{{T'(t)}}{{T(t)}} = \frac{{X''(x)}}{{X(x)}} = -\lambda^2$$其中，$\lambda$是常数。
对于关于$x$的方程，我们可以得到：$$X''(x) + \lambda^2 X(x) = 0$$这是一个常微分方程，可以求解出$X(x)$的形式。
第一章 偏微分方程定解问题
定解问题
泛定方程
演化方程 稳定方程
线性边界条件 边界条件
波动方程 输运方程 拉普拉斯方程 泊松方程 第一类边界条件 第二类 第三类
dS u1
u
(2) 第二类（Neumann）边界条件
VS
k u q(t ) n s
当q(t) 0（齐次，表示绝热）
热场
(3) 第三类（Robin）边界条件 牛顿冷却定律：单位时间内从物体通过边界上单位面积流
到周围介质的热量跟物体表面和外面的温差成正比。
dQ
h(u
u1)dSdt
k
u n
dSdt
h 热交换系数；u1 周围介质的温度, k为热传导系数
举例（设未知函数为二元函数）
1. u 0 x
解为： u f ( y)
f 为任意函数
2. u a u 0 t x
x
t
1
a
(
)
作变量代换
x x at
a u 0
解为：u f (x at)
f 为任意函数
7
举例（未知函数为二元函数）
2u
3.
0
xt
解为： u g(x) h(t)
数学物理方程主要内容
三种基本问题
初值问题 边值问题 混合问题
三种基本方程、 五种基本解法、两个基本原理、两个特殊函数
波动方程 热传导 拉普拉斯方程
通解法 行波法 分离变量法 积分变换法 格林函数法
叠加原理 齐次化原理
贝塞尔函数 勒让德函数
一些常见符号
哈密尔顿算子或梯度算子，读作nabla
偏微分方程讲义
习题3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . §3.5 极坐标系下的分离变量法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 3.5.2 由射线和圆弧所界定区域中问题的解法 . . . . . . . . . . . . . . . 周期边界条件问题的解法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv 3.6.3 3.6.4 3.6.5 Legendre方程的级数解、 Legendre多项式 . . . . . . . . . . . . . . Bessel方程的级数解、 Bessel函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 圆盘中热传导方程的解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
习题1.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . §1.5 线性偏微分方程的叠加原理，定解问题的适定性 1.5.1 叠加原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
习题3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . §3.6 高维曲线坐标系下的分离变量法、球函数和柱函数 . . . . . . . . . . . . 3.6.1 3.6.2 Bessel方程和Legendre方程的导出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 二阶线性齐次常微分方程的级数解法 . . . . . . . . . . . . . . . .
chapter1_偏微分方程定解问题
对于一般的偏微分方程，找出通解非常困难。但我们可以根据方程的物理背景或数学特点，
找出某些特定形式的特解来满足实际需要。例如，根据解析函数的实、虚部是调和函数，即 可得到二维 Laplace 方程2u 0 的中心对称解u ln 1 (r 0) ，周期解u ex sin y ，多项式解
r
u x2 y 2 等。
u
c(x, y)
u
f (x, y) ，
(1)
y b(x, y) b(x, y)
利用一阶线性常微分方程的求解方法得其通解：
， y c( x, )
u(x,
y)
e ( y0
d ) b( x, )
y
y
0
c( b(
x,s x,s
) )
ds
e y
0
f (x,)
d g(x)
b( x, )
其中g(x) 是任意的C1 函数。
1.2 定解问题及其适定性：
偏微分方程的解族很大，可以包含任意函数，例如：
例 1.2.1：求解二阶偏微分方程 2u 0 ，u u( ,) 。
解：两边依次对 ， 积分，得
u f ( ) g() ， 对于任意C1(R) 函数 f 和 g ，都是方程在全平面的解。
#
称m 阶偏微分方程的含有m 个任意函数的解为方程的通解，不含任意函数或某些任意函数 为常数的解为方程的一个特解。通解中的任意函数一旦确定，通解就成了特解。
第一章． 偏微分方程定解问题
偏微分方程：是指含有多元的未知函数u
u(
x)
,
x
(
x1,
x2,,
xn)
及其若干阶偏导数的关式
u u u F (x,u, , ,..., ,...,
偏微分方程 教学大纲
数学与应用数学专业《偏微分方程》教学大纲●本课程教学的目的偏微分方程是数学专业的一门重要专业课程。
它的理论和方法，对于其他数学学科，对于物理，力学及工程技术中的某些问题，都有广泛的应用。
通过本课程的教学，使学生正确理解偏微分方程的基本概念，掌握基本理论和基本方法，培养学生分析问题和解决某些实际问题的能力。
●学习方法指导1．贯彻理论联系实际的原则，力求反映偏微分方程的实际背景及其应用，每章讲解时安排适当的应用例题。
2．注意通过典型例题的介绍，使学生理解与掌握基本概念，领会基本理论的作用与意义。
3．注意基本技能的训练，安排一定数量的练习题及难度适宜的证明题。
4．加强与有关课程的联系与配合。
通过对数学分析、高等代数、普通物理、常微分方程、复变函数、泛函分析等课程中已学过的知识的应用，使学生得到巩固和深化。
5．适当注意内容现代化。
将有关偏微分方程的最新研究动态及研究成果贯穿于相应内容的讲解中，让学生及时了解世界最前沿的有关偏微分方程的研究进展。
●本课程的重、难点偏微分方程是以建立数学模型、进行理论分析和解释客观现象并进而解决实际问题为内容的一门数学分支学科。
学习这门课程必须掌握几类经典方程的求解方法、基本理论，并能运用基本理论解释物理现象，这些内容既是偏微分方程的基本内容也是重、难点内容。
●本课程教学基本内容及课时分配和教学环节安排第一章方程的导出及定解问题的提法（7学时讲授讨论作业）【知识点提示】偏微分方程的基本概念；几个经典的偏微分方程；定解问题的提法。
【重、难点提示】偏微分方程的基本概念；如何从物理现象导出几个经典的方程。
【教学目的】通过本章的教学，使学生对偏微分方程的基本概念和本课程学习的主要内容有一个大概的认识，了解如何从物理现象导出几个经典的方程及各种定解问题的提法。
【教学内容】第一节序言第二节基本概念1.1. 什么是偏微分方程1.2. 偏微分方程的解1.3. 偏微分方程的阶1.4. 线性偏微分方程1.5. 非线性偏微分方程第三节几个经典方程2.1. 弦振动方程2.2. 热传导方程2.3. 拉普拉斯(Laplace)方程第四节定解问题3.1. 定解问题3.2. 三类典型的边界条件3.3. 适定性第二章特征理论与方程的分类（7学时讲授讨论作业）【知识点提示】二阶方程的特征和分类，化方程为标准型。
偏微分方程-浙大
(i = 1, 2, 3), (18)
k=1
∂uk = 0 (或写成 divu = 0), ∂xk
其中ρ是常密度而µ 是运动的粘性系数。
6
例12. 空气动力学方程 3 ∂ ∂ρ + (ρvj ) = 0, ∂t j =1 ∂xj 3 ∂ ∂ (ρvi ) + (ρvi vj + δij p) = 0, ∂t ∂xj j =1 3 ∂ ∂ (ρvj E + pvj ) = 0, ∂t (ρE ) + ∂xj j =1
n
i=1
∂2 ∂x2 i
n
（Laplace 算子）,
∂2 ∂2 ∂2 ∂2 − − · · · − − = ∂t2 ∂x2 ∂x2 ∂t2 1 n 例1. Laplace方程
i=1
∂2 ∂2 − ∆ （波算子）。 = ∂x2 ∂t2 i
∆u
∂2u ∂2u + · · · + = ∂x2 ∂x2 1 n
(6)
其中ε, µ 是描述电磁介质的常数，分别称为真空介电常数和导磁系数。特别地，作为关 系式 εEt = curlH, 的推论，如果t = 0时，关系式 divE = divH = 0 成立，则上式对所有的t均成立。不难验证，这里的每个分量Ei , Hk 均满足具有c2 = 1/εµ的波动方程(5)。事实上，在方程组中消去磁场强度便得到电场强度的偏微分方 程：这只需对(6)式中的第二式求旋度，再用其第四式可得 curl(curlE ) = −µ(curlH )t = −εµEtt , µHt = −curlE
m阶PDE称 为 拟 线 性 的，如果它关于未知函数u的m阶偏导数是线性的，并且
2一阶偏微分方程的求解方法
1)
(6.23)
由假设(6.18), f j (x1, x2,, xn) 在某区域 D 内处处不同时为零, 这意
味着上述以 f j (x1, x2,, xn) ( j 1, 2,, n )为变量的线性方程组在区 域 D 内有非零解, 所以其系数行列式在区域 D 内必为零, 即
u x1
(u, u1 ,, un 1 ) (x1, x2,, xn )
(6.20 )
通过这 n 1个独立的首次积分, 我们可以获得偏微分方程(6.17)
的通解结构.
.
例6.6 试求偏微分方程 u u 0 的通解.
x y
解: 作自变量变换
x
y
1 (t 2 1 (t
s) s)
Байду номын сангаас
2
则
u u x u y 1 (u u ) 0 s x s y s 2 x y
6.24
其中 (,) 是任意的二元连续可微函数. 确定某函数关系 0 使得(6.24)满足初始条件 u |z1 xy, 我们有
0 ( x y , 2 y ) xy.
令 x y, 2 y. 解之得
x ( 1)2, y 12.
2
4
故可确定
0 为
0 (
,)
xy
1 (
4
1)2 2.
2
回代通解内可得满足满足初始条件的解:
例6.7 求解偏微分方程
(x y) u (x y) u 0,
x
y
其中 x2 y2 0.
解: 特征方程为
dx dy , xy xy
它有一个首次积分:
x2
y2
arctan y
ex
C.
北航偏微分第一章习题解答
一、偏微分方程建立1：在弦横振动的问题中，若弦受到一与速度成正比的阻力，试导出弦的阻尼振动方程。
解：（1）如图1.1所示，Δ考虑弦中任意小段x的受力情况。
x1.1图依题意，设单位长弦线所受的阻力为t（表示的是阻力常数），则在振动过程中，bu b x Δ221cos cos T T 段所受到的纵向的力为1αα−1()t bu x x ，所受到的横向的力为x 221sin sin T T α−αη−+ΔΔ其中10η<2T ≤，和分别表示的是1T x Δ段两端受到的拉力。
（2）由题意，弦仅做横向运动，而无纵向振动，于是由Newton 运动定律得到：2212211cos cos sin sin ()t t T T T T bu x x ααααη−=⎧⎨10()t x u x x x ρη−−+ΔΔ⎩=+ΔΔ ρ表示的弦线的密度，表示的弦线的加速度。
tt u 其中（3）在小振动的情况下，有：1122n (u x sin tan (,),sin ta ,)x x u x t x t αα≈=≈21cos cos 1α=+Δ，ααα≈=()tt x x u x x xη于是，方程就化为：1221(,)(,)()x x t T T T T u x x t T u x t bu x ηρ⎧⎪==⎨+Δ−−+ΔΔ⎪⎩令=+ΔΔ 即可以化成：(,)(,)x x t t u x x t u x t T bu x x ρρ()()t x u x x ηη+Δ−−+Δ=+Δ0x Δ→Δ最后令：，得到：2tt t xx u cu a u +=其中2a ,T bc ρρ==。
2．细杆或弹簧受到某种外界原因而产生纵向振动，以)表示静止时在(,u x t x 点处在时刻 离开原位置的偏移，假设振动过程中所发生的张力服从虎克定律，试证明)满足方程t (,u x t 2222()u u x E t xρ∂∂=∂∂(其中)x ρ为杆的密度，为杆的杨氏模量。
常微分方程-总复习
dy a1 x b1 y c1 dx a2 x b2 y c2
dx
x
2.3 恰当方程和积分因子 2.3.1 恰当方程 定义、判别方法、求解方法 2.3.2 积分因子 定义、特殊类型方程的积分因子的求法 2.4 一阶隐方程和参数表示
第三章 一阶微分方程解的存在定理
解的存在唯一性定理的内容及证明过程。
近似计算和误差估计；
解对初值的可微性
第四章 高阶微分方程
4.1 线性微分方程的一般理论 4.1.1 齐线性方程解的性质与结构 定理2－定理6 4.1.2 非齐线性方程与常数变易法 定理7 常数变易法 4.2 常系数线性方程的解法 4.2.2 复值函数与复值解 复值函数的运算性质、定理8、定理9
4.2.2 常系数齐线性方程和欧拉方程 欧拉待定指数函数法、根据特征根的性质确定 方程的基本解组、欧拉方程的求解 4.2.3 非齐线性方程－比较系数法
第五章 线性微分方程组
5.1 解的存在唯一性定理 5.1.1 记号和定义 将n阶线性微分方程的初值问题化为等价的微分 方程组的初值问题 5.1.2 存在唯一性定理 5.2 线性微分方程组的一般理论 5.2.1 齐线性微分方程组
定理2－定理6 定理1＊定理2＊ 5.2.2 非齐线性微分方程组 定理7 定理8 常数变易公式
常微分方程
总复习
第一章 绪论
基本概念 常微分方程、偏微分方程、微分方程的阶 线性和非线性微分方程 解：隐式解、通解、特解 积分曲线
第二章 一阶微分方程
2.1 变量分离方程和变量变换 2.1.1 变量分离方程 2.1.2 可化为变量分离方程的类型 y 1) dy g
2) 2.2 线性方程与常数变易法 一阶齐线性微分方程、一阶非齐线性微分方程、 伯努利方程
1 偏微分方程定解问题
(5)微小横振动——绝对位移和相对位移都很小。
建立坐标系：确立未知函数 研究对象：u ( x, t ) ，弦上某点在 t 时刻的横向位移。
7
数学物理方程
第1章偏微分方程定解问题
微元分析法：取微元[x,x+dx]， t时刻 牛顿运动定律： F=ma
2 u ( x, t ) dx u0 T t , x dx T t , x G t , x; dx 2 t T x dx g t , x dxu0
17
数学物理方程 翻译：对微元应用物理定律 dt时间内温度升高所需热量
第1章偏微分方程定解问题
Q Q流入 Q放出 u Q cdxdydz dt t
2u 2u 2 u Q流入 Q左右 Q上下 Q前后 k（ 2 2 2 )dtdxdydz x y z u u Q左右 k dtdydz k dtdydz x (t , x, y , z ) x (t , x dx, y , z ) 2u z k 2 dtdxdydz (x+dx, x+dy, z+dz) x 2u Q前后 k 2 dtdxdydz y dz 2 y u dy Q上下 k 2 dtdxdydz z (x,y,z) dx
2 2u u 2 a f t, x 2 2 t x
ut 6uxux uxxx 0
(4)自由项 在偏微分方程中，不含有未知函数及其偏导数的 项称为自由项．
3
数学物理方程
第1章偏微分方程定解问题
2u 2 2 a u f (t , x) ☆波动方程： 2 t
2 T2 u u u T2 T1 张力沿切线： T T12 T22 T1 1 T1 T1 x x x 由(1)得: T1 T1 t （T 与 x 无关）
偏微分方程解法
偏微分方程解法一、概述偏微分方程是数学中的一个重要分支，广泛应用于物理、工程、经济等领域。
解决偏微分方程的方法有很多种，其中最常用的方法是数值解法和解析解法。
本文将重点介绍偏微分方程的解析解法。
二、基本概念1. 偏微分方程：含有多个自变量和它们的偏导数的方程。
2. 解析解：能够用一定的代数式或函数表示出来的解。
3. 常微分方程：只含一个自变量和它的导数的方程。
4. 偏微分方程分类：（1）线性偏微分方程：各项次数之和为1或2。
（2）非线性偏微分方程：各项次数之和大于2。
5. 解析解法分类：（1）可分离变量法（2）相似变量法（3）积分因子法（4）特征线法（5）变换法三、可分离变量法可分离变量法是求解一类特殊形式线性偏微分方程最常用的方法，其基本思想是将未知函数表示成各自变量之积，然后将其带入原偏微分方程中得到一组常微分方程，再求解这些常微分方程，最后将得到的解代回原方程中即可。
以一阶线性偏微分方程为例：$$\frac{\partial u}{\partial t}+a(t)u=b(t)$$其中$a(t)$和$b(t)$为已知函数，$u=u(x,t)$为未知函数。
将未知函数表示成各自变量之积：$$u=X(x)T(t)$$将其带入原方程中得到：$$XT'+aXT=bXt$$将$X$和$T$分离变量并整理得到：$$\frac{1}{X}\frac{dX}{dx}=\frac{1}{at+b}-\frac{c}{X}$$其中$c$为常数。
对上式两边同时积分得到：$$ln|X|=ln|at+b|-ct+D_1,D_1为常数。
$$即可得到$X(x)$的解析解。
同理，对于$T(t)$也可以通过可分离变量法求出其解析解。
最后将$X(x)$和$T(t)$的解代入原方程中即可得到未知函数$u=u(x,t)$的解析解。
四、相似变量法相似变量法是一种适用于非线性偏微分方程的方法，其基本思想是通过引入新的自变量和因变量，将原偏微分方程转化成一个形式相似但更简单的方程，从而求出原方程的解析解。
一阶偏微分方程的解法
一阶偏微分方程的解法偏微分方程是数学里一个广泛应用的领域。
其中，一阶偏微分方程是最为基础的一类，也是最常见的一类偏微分方程。
本文将介绍一阶偏微分方程的解法，希望能够对学习和应用偏微分方程的人们提供一定的帮助。
一、基础概念在介绍一阶偏微分方程的解法之前，我们需要先了解一些基础概念。
偏微分方程中的“偏”表示该方程与多个变量有关，微分方程表示该方程中包含有未知函数的导数项，即该方程描述了一个函数在不同变量下的变化。
一阶偏微分方程中，未知函数的偏导数项最高只有一次，且只涉及到一个变量。
方程中的未知函数只依赖于某一个变量，它的解也只涉及到一个变量。
因此，一阶偏微分方程通常可以写成以下的形式：$$ F(u_x, u_y, u_{xx}, u_{yy}, u_{xy}, x, y) = 0 $$其中，$u_x, u_y, u_{xx}, u_{yy}, u_{xy}$分别表示未知函数在不同变量下的偏导数，$x, y$是独立变量。
为了解决该方程，需要找到一个函数 $u(x,y)$，使得它满足该方程。
二、解法分析接下来，我们将介绍一阶偏微分方程的解法。
我们将着重介绍三种解法，分别是：特征线法、变换法和分离变量法。
1. 特征线法特征线法是一种经典的解法，适用于一些特殊的偏微分方程。
特征线法的基本思路是寻找一些特殊的曲线，这些曲线上的函数值保持不变，可以将函数沿这些曲线推进求解。
以以下方程为例：$$ u_x + u_y = x $$我们可以通过特征线法求解。
我们先假设存在某个变换，将$x,y$变为$\xi,\eta$，使得方程能够写成：$$ u_\xi + u_\eta = 1 $$这时，可以通过对$\xi, \eta$求偏导数，得到：$$ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial \xi} +\frac{\partial u}{\partial \eta}\frac{\partial \eta}{\partial x} $$$$ \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial \xi}\frac{\partial \xi}{\partial y} + \frac{\partial u}{\partial \eta} $$接着，我们可以找到一条特殊的曲线$\xi = \eta$，使得沿着该曲线推进方程不变：$$ \frac{du}{d\xi} = \frac{\partial u}{\partial \xi} + \frac{\partial u}{\partial \eta} = 1 $$在这个方程中，$u$ 只与$\xi$有关，因此可以直接求解得到：$$ u = \frac{1}{2}\xi^2 + C $$将$\xi,\eta$变回$x,y$，得到：$$ u = \frac{1}{2}(x-y)^2 + C $$2. 变换法变换法是一种寻求自变量的新变换，使得原方程可以转化为一些已知的方程的方法。
偏微分方程课件 云南财经大学
, xn , t )的n维波动方程
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《偏微分方程》第一章 绪论 第20页
例1.1.2 热传导方程 在三维空间中, 考察一均匀、各向同性的物体G, 假定其内部 有热源, 并且与周围介质有热交换, 求物体内部温度的分布和变化 规律。 问题: 设函数u (x, y, z, t )为物体G在点(x, y, z)处时刻t的温度, 求u所 满足的方程。 我们可利用能量守恒定律和富里叶(Fourier)热传导定律来建 立数学模型, 导出热传导方程 (略) 。
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《偏微分方程》第一章 绪论
教材及参考资料
第 4页
教 材：偏微分方程(第三版) ，陈祖墀，高教出版社。 参考书目： 1. 数学物理方程(第二版),谷超豪、李大潜等,高教出版社。 2. 现代偏微分方程导论, 陈恕行, 科学出版社。 3.偏微分方程讲义(俄罗斯数学教材选译)，高教出版社。
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《偏微分方程》第一章 绪论 第12页
注：Lu可视为线性算子L作用在函数u上。例如
2 2 2 2 2 Lu ( 2 a 2 2 2 )u t xn x1 x2 2 2 2 2u u u u 2 2 a 2 2 2 t xn x1 x2 2 2 2 2 2 2 x1 x2 xn 2 2 2 2u 2u u ( 2 2 2 )u 2 2 x1 x2 xn x1 x2
2 2 Laplace算子 2 2 x1 x2
, xn , t ) 的n维Laplace方程，利用
2 2 写成 xn
y ( y1, y2 , , ym ) 是参数，则
一阶线性偏微分方程与解法
一阶线性偏微分方程与解法一阶线性偏微分方程是微分方程中的一类重要方程，它具有广泛的应用领域和解法。
本文将介绍一阶线性偏微分方程的基本形式、解法和具体应用。
一、基本形式一阶线性偏微分方程的一般形式可以表示为：\[ a(x,t)\frac{\partial u}{\partial x} + b(x,t)\frac{\partial u}{\partial t} = c(x,t,u) \]其中，\( u = u(x,t) \) 是未知函数， \( a(x,t), b(x,t), c(x,t,u) \) 是给定函数。
二、解法（1）变量可分离法如果方程可以表示为 \( f(x)dx + g(t)dt = 0 \)，其中 \( f(x) \) 和 \( g(t) \) 是关于 \( x \) 和 \( t \) 的函数，那么方程可以通过变量可分离法解析地求解。
具体求解方法是分离变量并进行积分：\[ \int f(x)dx + \int g(t)dt = \int 0 \]求出积分后的结果，并将 \( u(x,t) \) 表示出来。
（2）特征线法特征线法适用于方程为线性齐次的情况，即 \( c(x,t,u) = 0 \)。
使用特征线法可以将一阶线性偏微分方程转化为一阶常微分方程。
求解一阶常微分方程后，再通过特征线反解得到原方程的解。
具体求解步骤如下：1. 确定特征曲线的参数方程，通过 \( \frac{dx}{a(x,t)} =\frac{dt}{b(x,t)} \) 可以得到参数方程。
2. 将未知函数按照参数方程表示，得到 \( u = u(\phi) \)，其中 \( \phi \) 是参数。
3. 对上式两边求导，得到 \( \frac{du}{d\phi} = \frac{\partialu}{\partial x}\frac{dx}{d\phi} + \frac{\partial u}{\partial t}\frac{dt}{d\phi} \)。
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例如，当 ， 为常数，则过任意给定的点 的特征线为直线，方程为
。
之所以称其为特征线，是因为沿该直线函数 取常数值。以 为常数为例，
特征线上的任意一点可表示为 ，其中 是参数，由此
，
即 。
利用特征线的该性质，在给定适当的初始或边界条件后就可确定方程的解。
例1求解方程 。
解特征线 ，即 ，沿该直线， 是常数。所以，
第一章偏微分方程和一阶线性偏微分方程解
本章介绍典型的几个偏微分方程。给出了最简单的偏微分方程（一阶线性偏微分方程）解的特征线方法。
典型的偏微分方程：扩散方程 ， ；波动方程 ， 。这是本课程讨论的主要两类方程。
偏微分方程的各类边值条件也是本章讨论的一个重点。
§1.1一维空间中的偏微分方程
例1（刚性污染流的方程）假设均匀直线管道中的水流含污染物质的线密度是 （即 处在时刻 的污染物的密度）。如果流速是 ，问题： 满足什么样的方程？
3） （弦的一端固定在弹性支承上）（Robin条件）
在高维空间，相应的边界条件为
1）Dirichlet条件： （ 是边界：
§1.4一阶线性偏微分方程解的特征线方法
对一阶齐次线性偏微分方程
，
从几何观点看，如果 满足该方程，则由函数 确定的平面上的向量场 ，与方程系数构成的向量场 正交。称由向量场 作为切向所确定的曲线
，
记 ，则非齐次的波动方程为
。
【end】
§1.2平面和空间上的偏微分方程
例1（三维空间中的扩散方程）假设污染流体充满三维空间的某区域， 是其密度。任取简单区域 ，相应的边界 。假设，在 时间内，流出 的流与密度关于 处的法向导数成正比，即 ，因此在 流出曲面 的流量为
；
同时，该区域在 的流量变化又可表示为
问题：建立 满足的方程。
解选定弦的一段 ，（此处 ），考虑其在时间段 内的运动情况。点 处的张力记为 。
沿水平方向合力为
；
沿垂直方向合力为
。
显然，水平方向合力为零（假设2：弦只在垂直方向有运动），即
。
垂直方向合力为
。
由牛顿第二运动定理，
，
因此
。
记 ，则得到标准的波动方程，
。
注：如果弦上有外力 作用，则
§1.3方程的初始和边界条件
对常微分方程，要完全确定方程的解就必须知道初始条件。而对偏微分方程，还必须给定适当的边界条件。以弦振动问题而言，方程是在弦之内部的点满足的条件，边界可能是固定的，也可能自由的，等等。
假如边界是 ， ，则可能的条件：
1） ， （固定边界）（Dirichlet条件）
2） ， （在端点的垂直方向自由滑动），或更一般 （Neumann条件）
解如图，在 内的流体，经过时间 ，一定处于 。所含污染物应相同，即
，
由此
，
从而，
。
【End】
可见偏微分方程是一个至少为两元的函数及其偏导数所满足的方程。
例2（扩散方程）假设水流静止，在 时间内，流经 处的污染物质（不计高阶无穷小）与该处浓度的方向导数（浓度变化）成正比，比例系数为 ：
，
所以，在时间段 内，通过 的污染物为
，
或写为
。
【end】
例2求解方程 。
解特征线方程 ，其解为 。所以，
，
或
。
【end】
例3（流方程的解）考虑一端具有稳定的流速的无限长管道的流，
解特征线方程 ，过 的特征线 。所以，
。
当 时，
；
当 时，
。
所以，方程的解为
。
【end】
第一章习题
1.对平面扩散方程 ，若 的值仅依赖于 和 ，证明：
。
而对空间扩散方程，若 的值仅依赖于 和 ，证明：
。
利用守恒定律和时间的任意性，
。
由高斯公式推论， ，所以
。
由 的任意性， 。
【end】
热传导方程推导类似。
例2（二维膜振动方程）均匀鼓膜上任意截取区域 ，在平面上的投影为 。作用于 的张力的垂直分量 近似等于沿 的法向张力 。因此垂直方向总合力为 。由此，
，
由二维的高斯公式，
。
因此
，
这里 。
【end】
，或 。
2.求解方程 。
3.求解方程 。（提示：令 ）
4.求解方程 。
5.求解方程 。
6.求解方程 。
。
在时刻 和 ，在 内的污染物分别为 和 ，由物质守恒定律
由 ， 的任意性，
，
再由 ， 的任意性，
。
【end】
例3（弦振动方程）假设
（1）弦的两端固定（非本质的假设），弦长为 ，线密度为 ；
（2）外力作用下在平衡位置附近作微小的垂直振动；
（3）弦上各点张力方向与弦的切线方向一致，大小服从Hooke定律。