格林函数习题解答
格林函数

2G(x, x) 1 (x x)
0
代入Green第二公式,有
V
G
xv,
xv 2
xv
xv 2G
xv,
xv dV
Ñ S
G
xv,
xv
xv
n
xv
G xv,
n
xv
dS
因为Green公式中积分,微分都是对变量 x进行
的,由于Green函数关于源点和场点是对称的,
即 G(xr, xr) G,(为xr,方xr )便起见,把变量 换为 ,x
V
V
对于单位点电荷而言,Q=1,其密度为 (xr ) (xr xr)
因此有
2
2、Green函数
一个处在 x 点上的单位点电荷,它所激发的电势方程为
2 1 (x x)
(3)
0
假设有一包含x点 的某空间区域V,在V的边界S上有如下
边界ห้องสมุดไป่ตู้件
0 或者 1
(4)
S
n S 0S
则把满足边界条件(4)式的(3)式的解称为泊松方程
V
S n
6
V
2 dV
ÑS
n
dS
如果令 av ,即将φ和ψ对调,同理可得
V
2
dV
Ñ S
n
dS
将以上两式相减可得
2 2 V
dV
Ñ S
n
n
dS
Green第二公式
(2)边值问题的解
边值问题:给定区域V内电荷分布 (x),区域V 的边界
面S上各点的电势 或S电势法向偏导数
V内各点的电势值
n
,称为第三
S
类边值问题,也称混合边值问题。
格林函数法

第四章格林函数法拉普拉斯方程边值问题的求解方法调和函数: 1 拉普拉斯(Laplace )方程的基本解§4.1 格林(Green )公式及其应用具有二阶连续偏导数的调和方程的连续解;或满足Laplace 方程的函数。
三维Laplace 方程的基本解:22200011(,,)()()()MM u x y z r x x y y z z ==-+-+-特点:除 点外,任一点满足Laplace 方程。
0000(,,)M x y z 同学们自己验证。
二维Laplace 方程的基本解:220011(,)lnln()()MM u x y r x x y y ==-+-特点:除 点外,任一点满足Laplace 方程。
000(,)M x y 同学们自己验证。
问题:基本解是否为整个区域内的解?2 Green 公式(1)奥-高公式(高斯公式):设 是有界区域, 是其边界曲面且足够光滑, 在 上连续,在 内有连续偏导数,则ΩΓΩ+Γ(,,),(,,),(,,)P x y z Q x y z R x y z Ω()(cos cos cos )P Q R d P Q R dS x y z αβγΩΓ∂∂∂++Ω=++∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰推导:令 其中 是 的外法线方向。
{cos ,cos ,cos }n αβγ=Γ(2)第一Green 公式:设 是有界区域, 是其边界曲面且足够光滑, 及其一阶偏导数在 上连续,在 内有二阶连续偏导数,则ΩΓΩ+Γ(,,),(,,)u x y z v x y z Ω()v u v u v u vu vd u dS d n x x y y z z ΩΓΩ∂∂∂∂∂∂∂∆Ω=-++Ω∂∂∂∂∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰,,v v vP u Q u R ux y z∂∂∂===∂∂∂代入高斯公式,并注意方向导数公式即可得。
(2)第二Green 公式:设 是有界区域, 是其边界曲面且足够光滑, 及其一阶偏导数在 上连续,在 内有二阶连续偏导数,则ΩΓΩ+Γ(,,),(,,)u x y z v x y z Ω(()v uu v v ud u v dS n n ΩΓ∂∂∆-∆Ω=-∂∂⎰⎰⎰⎰⎰推导:由第一Green 公式,有()v u v u v u v u vd u dS d n x x y y z z ΩΓΩ∂∂∂∂∂∂∂∆Ω=-++Ω∂∂∂∂∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰()u u v u v u v v ud v dS d n x x y y z z ΩΓΩ∂∂∂∂∂∂∂∆Ω=-++Ω∂∂∂∂∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰两式相减即可得。
高数格林公式例题解析

高数格林公式例题解析(最新版)目录1.例题引入2.格林公式的定义和含义3.格林公式的应用4.例题解答过程5.总结正文【例题引入】高数中的格林公式是一种重要的公式,它可以用来求解多元函数的曲面积分。
在理解这个公式之前,我们先来看一道例题。
【格林公式的定义和含义】格林公式是指:设曲面 S 由参数方程 x=x(u,v), y=y(u,v), z=z(u,v) 表示,则曲面 S 上的曲面积分∫(/u)(/v) - (/v)(/u) dudv 可化为∫(/x)(/y) - (/y)(/x) dxdy。
【格林公式的应用】格林公式在求解多元函数的曲面积分中有广泛的应用,它可以将曲面积分转化为平面上的二重积分,从而简化了求解过程。
【例题解答过程】以例题为例,假设我们有一个曲面 S,其参数方程为 x=u^2, y=v^2, z=u+v,我们要求解该曲面上的曲面积分∫(x-z)dvdu。
根据格林公式,我们可以将该积分转化为二重积分:∫(/x)(/y) - (/y)(/x) dxdy。
将参数方程代入,得到∫(2u)(2v) - (2v)(2u) dudv = ∫4udv - 4vduv。
然后我们可以将这个二重积分进一步化简,得到 4∫(udv - vdu) = 4∫(u^2 - v^2) dudv。
最后,通过积分计算,我们得到答案为 4[(u^2 - v^2)] |,其中|表示取绝对值。
【总结】通过以上例题的解答过程,我们可以看到格林公式在求解多元函数的曲面积分中的重要作用。
它可以将复杂的曲面积分转化为简单的平面上的二重积分,从而大大简化了求解过程。
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
第六章 格林函数法

R4 ρ2 ρ02 2R20cos R
1
4π
0cos ρ
2 0
ρ2
20cos
32
R ρρ02 R20cos R4 ρ2 ρ02 2R20cos
3 2 R
1 4π
R
R2 ρ02
2 0
R2
2R0cos
32
代入相应积分公式,可得
uM
0
R
f
M
GM;M
n
0
dS
f M 1
利用余弦定理,有
rMM0 02 ρ2 20cos
0rMM1 0 R2 0 2 ρ2 2 R2 0 cos
R4 ρ2 ρ02 2R20cos
其中γ是OM0与OM之间的夹角。
G G n R R
G
M;M
0
1 4πrMM
0
R 0
4πrMM1
1
1
R
4π 02 ρ2 20cos
及
Δg 0, g U,
在D内, 在B上
基本解在前面已经求出,有边界区域齐次方程解的求法在下 一节介绍。
三维问题解的积分公式
假设格林函数已经求出,下面研究三维拉普拉斯算子第一 边值问题解的积分表示。
若 u 满足如下定解问题
Δu f x,y,z, u x,y,z,
在内, 在S上
则解 u 的积分公式为
U Ar
其中A为待定系数。将表达式代入方程( a ),可得
A 1
8
于是,最后得到双调和方程的基本解
U r
8
6.3 格林函数
二维格林函数的定义
定义2 满足
ΔG2G0, x x0, y y0 ,
在D内, 在B上
格林公式习题解析

“ u(x, y) (x,y) 2x ydx x2 d y ”. ( x0 , y0 )
图1
又由于积分 u(x, y) (x,y) 2X Y d X X 2 dY 与路径无关, ( x0 , y0 )
也就意味着,我们可以选取使计算简便的路径,通常我们选择 折线路径,如图 1 和图 2 所示.
y
x
y x
符合定理 9.3.2 中的充要条件,因此,积分与路径无关.
再来计算积分值——
本题中并没有指定积分弧段,只取定了起点 (1,1) 和终点 (2,3) . 由于积分与路径无关,
因此,无论沿哪条积分弧段计算曲线积分,积分值都是相同的, 我们可以选择较简便的折线路径(如图 3 所示)进行计算,记
因此,无论沿哪条积分弧段计算曲线积分,积分值都是相同的, 我们可以选择较简便的折线路径(如图 4 所示)进行计算,记
x x
LAB
:
y
2
(x
:1
3)
,
LBC
:
x y
3 y
( y : 2 4) ,则有
图4
(3,4) (6 x y2 y3)dx (6 x2 y 3 x y2 )d y (1,2)
的正向边界;
答案: 1 (e 1) 5
解析: 本题考查课本第 137~138 页知识点——
可简单地理解为曲线上无“尖点”(导数或偏导数不存在的点), 即曲线上处处有切线,且切线随切点的移动而连续转动.
简单地讲,格林公式就是把闭区域内的二重积分和该闭区域边界上的曲线积分联系了起 来,这两种积分可以根据我们的需要相互转化,从而简化计算.
u(x, y) y0 (x2 x02 ) x2 ( y y0) 的全微分,随着 (x0, y0 ) 的不同, u(x, y) 也不同.
数-第四章 拉普拉斯方程的格林函数法作业题

式中, γ是向量OM0与OM的夹角. M是圆内任一点,rOM=ρ,以及 2 2 1/ 2 rMM 0 = [ ρ 0 + ρ 2 ρ 0 ρ cos γ ]
rMM1 = [ ρ + ρ 2 ρ1 ρ cos γ ]
2 1 2
1/ 2
所以狄氏问题的解为:
G u(M 0 ) = ∫ f (M ) dS n Γ
y
M 0 ( x0 , y0 )
M ( x, y )
x
o
n
M1(x0,-y0)
在上半平面:y>0外找出点M0 关于边界x轴:y=0的像 点(对称点) M1,然后在M1 上放置适当的负电荷,由 它所产生的负电位-v(是所求的调和函数v)与点M0 处单位电荷产生的电位在边界x轴:y=0上相互抵消. 此时,放置在M0 , M1处的电荷所形成的电场在上半 平面内M点的电位就是所要求的格林函数G(M,M0): 1 1 1 1 1 1 G(M , M 0 ) = ln v = ln ln 2π rMM 0 2π rMM 0 2π rMM1 式中 rMM = [( x x0 ) 2 + ( y y0 ) 2 ]1/ 2 0
rMM1 = [( x x0 ) + ( y + y0 ) ]
2
2 1/ 2
为求得拉普拉斯方程在上半平面y > 0内的 狄利克莱问题的解: G G u(M 0 ) = ∫ u(M ) dS = ∫ f ( x) dx n n y =0 x轴 y =0 须计算G对n在边界y=0处的偏导.由于在平面 y = 0上的外法线方向是Oy 轴的负向,所以
G n
y =0
G =x0 ) + y0 1
求得拉普拉斯方程在上半空间z > 0内的狄 利克莱问题的解:
数学分析21.3格林公式、曲线积分与路线的无关性(含习题及参考答案)

第二十一章 重积分3格林公式、曲线积分与路线的无关性一、格林公式概念:当区域D 的边界L 由一条或几条光滑曲线所组成时,规定边界曲线的正方向为:当人沿边界行走时,区域D 总在他的左边. 与正方向相反的方向称为负方向,记为-L.定理21.11:若函数P(x,y), Q(x,y)在闭区域D 上连续,且有连续的一阶偏导数,则有格林公式:⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂D d y P x Q σ=⎰+L Qdy Pdx . L 为区域D 的边界曲线,并取正方向.证:根据区域D 的不同形状,可分三种情形来证明: (1)若区域D 既是x 型区域,又是y 型区域(如图1),即 平行于坐标轴的直线和L 至多交于两点,该区域D 可表示为: φ1(x)≤y ≤φ2(x), a ≤x ≤b 或ψ1(x)≤x ≤ψ2(x), c ≤y ≤d.这里y=φ1(x)和y=φ2(x)分别为曲线⌒ACB 和⌒AEB 的方程, x=ψ1(x)和x=ψ2(x) 分别为曲线⌒CAE 和⌒CBE的方程, ∴⎰⎰∂∂Dd x Qσ=⎰⎰∂∂)()(21y y d c dx x Q dy ψψ=⎰d c dy y y Q )),((2ψ-⎰d c dyy y Q )),((1ψ=⎰⋂CBE dy y x Q ),(-⎰⋂CAE dy y x Q ),(=⎰⋂CBE dy y x Q ),(+⎰⋂EAC dy y x Q ),(=⎰L dy y x Q ),(.同理可证:-⎰⎰∂∂Dd y Pσ=⎰L dx y x P ),(. 即有⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂D d y P x Q σ=⎰+L Qdy Pdx . (2)若区域D 是一条按段光滑的闭曲线围成(如图2),则先用几段光滑曲线将D 分成有限个既是x 型又是y 型的子区域,然后逐块按(1)得到它们的格林公式,相加即可.图2中区域D 可分成三个既是x 型又是y 型的区域D 1,D 2,D 3,则有⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂D d y P x Q σ=⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂1D d y P x Q σ+⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂2D d y P x Q σ+⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂3D d y P x Q σ =⎰+1L Qdy Pdx +⎰+2L Qdy Pdx +⎰+3L Qdy Pdx =⎰+L Qdy Pdx.(3)若区域D 由几条闭曲线所围成(如图3), 可适当添加直线AB, CE,把区域转化为(2)的情况处理.图D 的边界线由AB,L 2,BA,⌒AFC ,CE,L 3,EC 及⌒CGA构成. 由(2)知 ⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂D d y P x Q σ=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++++++⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋂⋂CGA EC l CE AFCBA l AB32(Pdx+Qdy)=()⎰⎰⎰++132L L L (Pdx+Qdy)=⎰+L Qdy Pdx .注:格林公式可写为:⎰⎰∂∂∂∂Dd QP y x σ=⎰+L Qdy Pdx .例1:计算⎰AB xdy ,其中曲线AB 为半径为r 的圆在第一象限部分. 解:如图,对半径为r 的四分之一圆域D 应用格林公式有⎰⎰-D d σ=⎰-L xdy =⎰OA xdy +⎰AB xdy +⎰BO xdy =⎰AB xdy . ∴⎰AB xdy =⎰⎰-Dd σ=-41πr 2.例2:计算I=⎰+-Ly x ydxxdy 22, 其中L 为任一不包含原点的闭区域的边界线.解:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂22y x x x =22222)(y x x y +-, ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂22y x y y =22222)(y x x y +- 在上述区域D 上连续且有界,∴⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂Dd yx yx y x x x σ2222=0. 由格林公式可得I=0.注:在格林公式中,令P=-y, Q=x ,则得到一个计算平面区域D 的面积S D 的公式:S D =⎰⎰Dd σ=⎰-L ydx xdy 21.例3:如图,计算抛物线(x+y)2=ax (a>0)与x 轴所围的面积.解:曲线⌒AMO由函数y=x ax -, x ∈[0,a], 直线OA 为直线y=0, ∴S D =⎰-ydx xdy 21=⎰-OA ydx xdy 21+⎰⋂-AMO ydx xdy 21=⎰⋂-AMO ydx xdy 21=dx x ax ax ax a ⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0)(1221=dx ax a ⎰-02121=dx x a a⎰4=62a .二、曲线积分与路线的无关性概念:若对于平面区域D 上任一封闭曲线,皆可不经过D 以外的点而连续收缩于属于D 的某一点,则称此平面区域为单连通区域,否则称为复连通区域。
数学物理方法12格林函数

泊 第一类边界条件:第一边值问题(狄里希利问题)
松 方
第二类边界条件:第二边值问题(诺依曼问题)
程
第三类边界条件:第三边值问题
2、格林函数的引入及其物理意义
引入:为了求解泊松方程的定解问题,我们必须定 义一个与此定解问题相应的格林函数 G(r, r0)
它满足如下定解问题,边值条件可以是第一、二、三类 条件:
这就是第三边值问题解的积分表示式.
右边第一个积分表示区域 T 中分布的源 f (r0 ) 在 r
点产生的场的总和. 第二个积分则代表边界上的状况对 r
点场的影响的总和.两项积分中的格林函数相同.这说明 泊松方程的格林函数是点源在一定的边界条件下所产生的 场.
对于拉普拉斯方程
f (r0 ) 0
第一边值问题的解为
构建格林函数为
G(x,
y
|
x0 ,
y0 )
1 4π
(x ln[
(x
x0 )2 x0 )2
(y (y
y0 )2 y0 )2
]
边界外法线方向为负 y 轴,故有
G n
|
G y
|y0
=
1 2π
(x
y0 x0 )2
y02
1 π
y0 (x x0 )2
y02
1 π
(x
y0 x0 )2
y02
代入到拉普拉斯第一边值问题解的公式(14.2. 13),拉普拉斯 方程的自由项 f 0 ,则由
G(r,
r0
)
1 2π
ln
|
r
1
r0
|
1 2π
ln
|
r
1
r1
|
数学物理方程-第五章格林函数法[整理版]
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第五章 格林函数法在第二章中利用分离变量法求出了矩形区域和圆域上位势方程Dirichlet 问题的解.本章利用Green 函数法求解一些平面或空间区域上位势方程Dirichlet 问题. 另外,也简单介绍利用Green 函数法求解一维热传导方程和波动方程半无界问题. 应指出的是:Green 函数法不仅可用于求解一些偏微分方程边值问题或初边值问题,特别重要的是,它在偏微分方程理论研究中起着非常重要的作用.§5⋅1 格林公式在研究Laplace 方程或Poisson 方程边值问题时,要经常利用格林(Green )公式,它是高等数学中高斯(Gauss )公式的直接推广.设Ω为3R 中的区域,∂Ω充分光滑. 设k 为非负整数,以下用()k C Ω表示在Ω上具有k 阶连续偏导的实函数全体,()k C Ω表示在Ω上具有k 阶连续偏导的实函数全体. 如()10()()()()u C C C C ∈Ω⋂ΩΩ=Ω,表示(,,)u x y z 在Ω具有一阶连续偏导数而在Ω上连续. 另外,为书写简单起见,下面有时将函数的变量略去.如将(,,)P x y z 简记为P ,(,,)P x y z x ∂∂简记为Px∂∂或x P 等等.设(,,)P x y z ,(,,)Q x y z 和(,,)R x y z 1()C ∈Ω,则成立如下的Gauss 公式()P Q RdV Pdydz Qdydx Rdxdy x y z Ω∂Ω∂∂∂++=++∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (1.1)或者()(cos cos cos )P Q R dV P Q R ds x y z αβγΩ∂Ω∂∂∂++=++∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (1.2)如果引入哈米尔顿(Hamilton )算子: (,,)x y z∂∂∂∇=∂∂∂,并记(,,)F P Q R = ,则Gauss 公式具有如下简洁形式⎰⎰⎰⎰⎰∂⋅=⋅∇ΩΩds n F dv F(1.3)其中(cos ,cos ,cos )n αβγ=为∂Ω的单位外法向量.注1 Hamilton 算子是一个向量性算子,它作用于向量函数(,,)F P Q R =时,其运算定义为(,,)(,,),F P Q R x y zP Q Rx y z∂∂∂∇⋅=⋅∂∂∂∂∂∂=++∂∂∂形式上相当于两个向量作点乘运算,此即向量F 的散度div F. 而作用于数量函数(,,)f x y z 时,其运算定义为(,,)(,,)f f ff f x y z x y z∂∂∂∂∂∂∇==∂∂∂∂∂∂,形式上相当于向量的数乘运算,此即数量函数f 的梯度grad f .设(,,)u x y z ,2(,,)()v x y z C ∈Ω,在(1.3)中取F u v =∇得()u v dV u v nds Ω∂Ω∇⋅∇=∇⋅⎰⎰⎰⎰⎰(1.4)直接计算可得v u v u v u ∇∇+=∇⋅∇∆)( (1.5)其中xx yy zz v v v v ∆=++. 将(1.5)代入到(1.4)中并整理得vu vdV uds u vdV n Ω∂ΩΩ∂∆=-∇⋅∇∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ (1.6)(1.6)称为Green 第一公式.在(1.6)中将函数u ,v 的位置互换得uv udV vds v udV n Ω∂ΩΩ∂∆=-∇⋅∇∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ (1.7)自(1.6)减去(1.7)得()()v uu v v u dV uv ds n nΩ∂Ω∂∂∆-∆=-∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (1.8)(1.8)称为Green 第二公式.设点0(,,)P ξηζ∈Ω,点3(,,)P x y z R ∈,||00P P r P P -==引入函数 001(,)4P PP P r πΓ=,注意0(,)P P Γ是关于六个变元(,,)x y z 和(,,)ξης的函数且00(,)(,)P P P P Γ=Γ. 如无特别说明, 对b 求导均指关于变量(,,)x y z 的偏导数. 直接计算可得00(,)0, P P P P ∆Γ=≠即0(,)P P Γ在3R 中除点0P 外处处满足Laplace 方程.设0ε>充分小使得00(,){(,,) ||}B B P P x y z P P εε==-≤⊂Ω. 记\G B =Ω,则G B ∂=∂Ω⋃∂. 在Green 第二公式中取0(,)v P P =Γ,G Ω=. 由于在区域G 内有0∆Γ=,故有()GGuudV uds n n∂∂Γ∂-Γ∆=-Γ∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ 或者()()GBu u udV uds u ds n n n n ∂Ω∂∂Γ∂∂Γ∂-Γ∆=-Γ+-Γ∂∂∂∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ (1.9)在球面B ∂上,021()414P P r n rrrππ∂∂Γ∂Γ=-=-=∂∂∂,因此21(,,)4BBuuds ds u x y z n πε∂∂∂Γ==∂⎰⎰⎰⎰ (1.10)其中(,,)P x y z B ∈∂.同理可得14BBu u ds ds n n πε∂∂∂∂Γ=∂∂⎰⎰⎰⎰(,,)ux y z n ε∂'''=∂ (1.11)其中(,,)P x y z B '''∈∂.将(1.10)和 (1.11)代入到(1.9)中并令0ε+→,此时有(,,)(,,)P x y z P ξηζ→,(,,)0u x y z nε∂'''→∂,并且区域G 趋向于区域Ω,因此可得()(,,)uudV uds u n nξηζΩ∂Ω∂Γ∂-Γ∆=-Γ+∂∂⎰⎰⎰⎰⎰,即(,,)()u u u d s u d V n n ξηζ∂ΩΩ∂∂Γ=Γ--Γ∆∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (1.12)(1.12)称为Green 第三公式. 它表明函数u 在Ω内的值可用Ω内的u ∆值与边界∂Ω上u 及nu∂∂的值表示.注2 在二维情形,Green 第一公式和Green 第二公式也成立. 而对于Green第三公式, 需要取011(,)ln 2P P rπΓ=,其中0(,)P ξη∈Ω,2(,)P x y R ∈,r =0P P r=0||P P -=此时Green 第三公式也成立.§5⋅2 Laplace 方程基本解和Green 函数基本解在研究偏微分方程时起着重要的作用. 本节介绍Laplace 方程的基本解,并在一些特殊区域上由基本解生成Green 函数,由此给出相应区域上Laplace 方程或Poisson 方程边值问题解的表达式. 下面以Dirichlet 问题为例介绍Laplace 方程的基本解和Green 函数方法的基本思想.5.2.1 基本解设30(,,)P R ξηζ∈,若在点0P 放置一单位正电荷,则该电荷在空间产生的电位分布为(舍去常数0ε)001(,,)(,)4P Pu x y z P P r π=Γ=(2.1)易证: 0(,)P P Γ在30\{}R P 满足0 .u -∆= 进一步还可以证明[1],在广义函数的意义下0(,)P P Γ满足方程0(,)u P P δ-∆= (2.2)其中0(,)()()()P P x y z δδξδηδζ=---. 0(,)P P Γ称为三维Laplace 方程的基本解.当n =2时,二维Laplace 方程的基本解为0011(,)ln2P PP P r πΓ=(2.3)其中0(,)P ξη,2(,)P x y R ∈,0P Pr =同理可证,0(,)P P Γ在平面上除点0(,)P ξη外满足方程0 u -∆=,而在广义函数意义下0(,)P P Γ满足方程0(,)u P P δ-∆= (2.4)其中0(,)()()P P x y δδξδη=--.注1 根据Laplace 方程的基本解的物理意义可以由方程(2.2)和(2.4)直接求出(2.1)和(2.3),作为练习将这些内容放在本章习题中. 另外,也可以利用Fourier 变换求解方程(2.2)和(2.4)而得到Laplace 方程的基本解.5.2.2 Green 函数考虑如下定解问题(,,), (,,) (2.5)(,,)(,,), (,,) (2.6)u f x y z x y z u x y z x y z x y z ϕ-∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩设0(,,)P ξηζ∈Ω,21(,,)()()u x y z C C ∈Ω⋂Ω是(2.5)— (2.6)的解,则由Green 第三公式可得(,,)()u u u ds udV n n ξηζ∂ΩΩ∂∂Γ=Γ--Γ∆∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (2.7)在公式(2.7)的右端,其中有两项可由定解问题(2.5)—(2.6)的边值和自由项求出,即有uds ds n n ϕ∂Ω∂Ω∂Γ∂Γ=∂∂⎰⎰⎰⎰u d V f d VΩΩΓ∆=-Γ⎰⎰⎰⎰⎰⎰.而在u ds n ∂Ω∂Γ∂⎰⎰中,un ∂∂在边界∂Ω上的值是未知的. 因此须做进一步处理.注2 若要求解Neumann 问题,即将(2.6)中边界条件换为(,,)ux y z nϕ∂=∂.此时,在方程(2.7)右端第二项uds n∂Ω∂Γ∂⎰⎰中,u 在边界∂Ω上的值是未知的,而其余两项可由相应定解问题的边值和自由项求出.如何由(2.7)得到定解问题(2.5)-(2.6)的解?Green 的想法就是要消去(2.7)右端第一项uds n ∂Ω∂Γ∂⎰⎰. 为此,要用下面的Green 函数取代(2.7)中的基本解.设h 为如下定解问题的解0,(,,)(2.8),(,,)(2.9)h x y z h x y z -∆=∈Ω⎧⎨=-Γ∈∂Ω⎩ 在Green 第二公式中取v h =得()h u h udV uh ds n nΩ∂Ω∂∂-∆=-∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ 或者0()u hhu ds h udV n n ∂ΩΩ∂∂=--∆∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (2.10)将(2.7)和(2.10)相加得(,,)()u Gu Gu ds G udV n n ξηζ∂ΩΩ∂∂=--∆∂∂⎰⎰⎰⎰⎰ (2.11)其中0(,)G P P h =Γ+.由(2.2)和(2.8)—(2.9)可得,0(,)G P P 是如下定解问题的解00(,), (,,)(2.12)(,)0, (,,)(2.13)G P P P x y z G P P P x y z δ-∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩0(,)G P P 称为Laplace 方程在区域Ω的Green 函数.由于G 在∂Ω上恒为零,由(2.11)可得(,,)Gu uds G udV n ξηζ∂ΩΩ∂=--∆∂⎰⎰⎰⎰⎰ Gds GfdV n ϕ∂ΩΩ∂=-+∂⎰⎰⎰⎰⎰. (2.14)因此,若求出了区域Ω的Green 函数0(,)G P P ,则(2.14)便是定解问题(2.5)— (2.6)的解.§5⋅3 半空间及圆域上的Dirichlet 问题由第二节讨论可知,只要求出了给定区域Ω上的Green 函数,就可以得到该区域Poisson 方程Dirichlet 问题的解. 对一般区域,求Green 函数并非易事. 但对于某些特殊区域,Green 函数可借助于基本解的物理意义利用对称法而得出. 下面以半空间和圆域为例介绍此方法.5.3.1 半空间上Dirichlet 问题设{(,,)|0},{(,,)|0}x y z z x y z z Ω=>∂Ω==. 考虑定解问题2(,,),(,,) (3.1)(,,0)(,),(,) (3.2)u f x y z x y z u x y x y x y Rϕ-∆=∈Ω⎧⎨=∈⎩设0(,,),P ξηζ∈Ω则1(,,)P ξηζ-为0P 关于∂Ω的对称点. 若在0P ,1P 两点各放置一个单位正电荷,则由三维Laplace 方程的基本解知,它们在空间产生的电位分别为00111(,)41(,)4P P r P P r ππΓ=Γ=其中0011||,||r P P r P P =-=-. 由于0P 和1P 关于∂Ω对称,且1P ∉Ω,故有01001[(,)(,)](,), (,)(,)0,.P P P P P P P P P P P P δ-∆Γ-Γ=∈Ω⎧⎨Γ-Γ=∈∂Ω⎩即001(,)(,)(,)G P P P P P P =Γ-Γ为上半空间的Green 函数,且有001(,)(,)(,)G P P P P P P =Γ-Γ011114r r π⎛⎫=- ⎪⎝⎭14π⎡⎤= (3.3)直接计算可得3/2222012()()z G Gn zx y ζπξηζ∂Ω=∂∂=-=-∂∂⎡⎤-+-+⎣⎦(3.4)将(3.3)—(3.4)代入到公式(2.14)得(,,)Gu ds Gfd n ξηζϕν∂ΩΩ∂=-+∂⎰⎰⎰⎰⎰ 3/2222001(,)2()() (,)(,,)x y dxdyx y G P P f x y z dxdydzϕζπξηζ∞∞-∞-∞∞∞∞-∞-∞=⎡⎤-+-+⎣⎦+⎰⎰⎰⎰⎰上式便是定解问题(3.1)— (3.2)的解.5.3.2 圆域上Dirichlet 问题设222{(,)|}x y x y R Ω=+<,则222{(,)|}x y x y R ∂Ω=+=. 考虑圆域Ω上的Dirichlet 问题(,), (,) (3.5)(,)(,), (,) (3.6)u f x y x y u x y g x y x y -∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩ 设0(,)P ξη∈Ω,1(,)P ξη为0(,)P ξη关于圆周∂Ω的对称点,即201,OP OP R =如图3-1所示 . 由于201OP OP R =,因此对任意M ∈∂Ω有01~OP M OMP ∆∆ROP r r MP M P ||010=1P01011||P MPMR r OP r =图3.1因此有0101111ln ln 022||P M PMR r OP r ππ-= (3.7)上式说明函数01001111(,)ln ln22||P P P PR G P P r OP r ππ=- (3.8)在∂Ω上恒为零. 又由于1P ∉Ω,故有000(,)(,),(,)0,.G P P P P P G P P P δ-∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩即0(;)G P P 是圆域上的Green 函数.引入极坐标(,)P ρθ,设0000(,)(,)P P ξηρθ=,则21100(,)(,)R P P ξηθρ=. 用α表示0OP 与OP 的夹角,则有000cos cos cos sin sin cos()αθθθθθθ=+=-利用余弦定理可得0P P r = (3.9)1P P r =(3.10)将(3.9)和(3.10)代入到(3.8)中并整理得22222000042220002cos()1(,)ln 42cos()R R R G P P R R ρρρρθθπρρρρθθ+--=-+-- (3.11)直接计算可得RG Gn ρρ∂Ω=∂∂=∂∂2222000122cos()R R R R ρπρρθθ-=-+-- . (3.12)记()(cos ,sin )g R R ϕθθθ=,则有00(,)Gu ds Gfd n ρθϕσ∂ΩΩ∂=-+∂⎰⎰⎰ 222022000()()122cos()R d R R πρϕθθπρρθθ-=+--⎰- 22222200042220002cos()1(cos ,sin )ln 42cos()R R R R f d d R R πρρρρθθρθρθρρθπρρρρθθ+--+--⎰⎰(3.13)(3.13)便是定解问题(3.5)—(3.6)的解.注1 当0f =时(3.13)称为圆域上调和函数的Poisson 公式.注2 利用复变函数的保角映射,可以将许多平面区域变换为圆域或半平面.因此,与保角映射结合使用,可以扩大对称法以及Green 函数法的应用范围. 在本章习题中有一些这类题目,Green 函数法更多的应用可查阅参考文献[13].§5⋅4* 一维热传导方程和波动方程半无界问题5.4.1 一维热传导方程半无界问题为简单起见,仅考虑以下齐次方程定解问题20 , 0 , 0 (4.1)(0,)0 , 0 (4.2)(,0)() , 0 t xx u a u x t u t t u x x x ϕ-=<<∞>=≥=<<∞ (4.3)⎧⎪⎨⎪⎩该定解问题称为半无界问题, 这是一个混合问题,边界条件为(4.2). 类似于上节Poisson 方程在半空间和圆域上Dirichlet 问题的求解思想,也要以热方程的基本解为基础,使用对称法求出问题(4.1)—(4.3)的Green 函数,并利用所得到的Green 函数给出该问题的解.一维热传导方程的基本解为224(,)() .x a tx t H t -Γ (,)x t Γ是如下问题的解20, , 0 (4.4)(,0)(), . (4.5)t xx u a u x t u x x x δ⎧-=-∞<<∞>⎨=-∞<<∞⎩相当于在初始时刻0t =,在0x =点处置放一单位点热源所产生的温度分布.若将上面定解问题中的初始条件换为(,0)()u x x δξ=-,只要利用平移变换'x x ξ=-易得此时(4.4)—(4.5)的解为(,)x t ξΓ-.为求解定解问题(4.1)—(4.3),先考虑()()x x ϕδξ=-,其中ξ为x 轴正半轴上的任意一点. 此时,相当于在x ξ=点处置放一单位点热源. 则此单位点热源在x 轴正半轴上产生的温度分布,如果满足边界条件(4.2),它便是(4.1)—(4.3)的解,即为该问题的Green 函数. 为此,设想再在x ξ=-点,此点为x ξ=关于坐标原点的对称点,处置放一单位单位负热源,这时在x ξ=点处置放的单位点热源产生的温度分布(,)x t ξΓ-和在x ξ=-处置放的单位负热源产生的温度分布(,)x t ξ-Γ+在0x =处相互抵消,从而在0x =处的温度恒为零. 因此,问题(4.1)—(4.3)的Green 函数为(,)(,)(,) G x t x t x t ξξξ-=Γ--Γ+ (4.6)利用叠加原理可得原问题的解为(,)() (,)u x t G x t d ϕξξξ∞=-⎰ . (4.7)若将(4.2)中的边界条件换为(0,)()u t g t =或(0,)0x u t =,请同学们考虑如何求解相应的定解问题.5.4.2 一维波动方程半无界问题考虑以下齐次方程定解问题20, 0, 0 (4.8)(0,)0, 0 (4.9)(,0)0, (,0)(), 0 tt xx t u a u x t u t t u x u x x x ψ-=<<∞>=≥==<<∞ (4.10)⎧⎪⎨⎪⎩一维波动方程的基本解(,)x t Γ为1, 2(;) 0, .x ata x t x at ⎧<⎪Γ=⎨⎪≥⎩完全类似于上小节的分析,可得该问题的Green 函数为(,)(,)(,G x t x t x t ξξξ-=Γ--Γ+, (4.11)其中0ξ>. 因此,该定解问题的解便可表示为(,)() (,)u x t G x t d ψξξξ∞=-⎰. (4.12)注意到(,)x t ξΓ-的具体表示式为1, 2(;) 0, x atax t x at ξξξ⎧-<⎪Γ-=⎨⎪-≥⎩类似地有1, 2(;) 0, x ata x t x at ξξξ⎧+<⎪Γ+=⎨⎪+≥⎩将上面两式代入到(4.12)中并整理可得1(), 0 2(,)1(), 0.2x atx atx atat xd x at a u x t d x at a ψξξψξξ+-+-⎧-≥⎪⎪=⎨⎪-<⎪⎩⎰⎰ 若将(4.9)中的边界条件换为(0,)0x u t =,请同学们考虑如何求解相应的定解问题.注1 对一维波动方程半无界问题,除上面使用的Green 函数法以外,也可以用延拓法或特征线法求解[1]. 相比之下,Green 函数法最简单.注2 类似于本章前两节,对一维热传导方程和波动方程初边值问题,也可以建立起解的Green 公式表达式,相当于本章第二节中的(2.14), 并以此为基础而给出上面(4.7)和(4.12)两式的严格证明[2]. 由于本章主要是通过对一些比较简单的偏微分方程定解问题的求解,重点介绍Green 函数法的基本思想和一些特殊区域Green 函数的具体求法,故略去了(4.7)和(4.12)两式的推导过程.习 题 五1.设3R Ω⊂为有界区域,∂Ω充分光滑,21()()u C C ∈Ω⋂Ω. 证明(1)uudV ds n Ω∂Ω∂∆=∂⎰⎰⎰⎰⎰.(2)2u u udV uds u dV n Ω∂ΩΩ∂∆=-∇∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰.2. 设3R Ω⊂为有界区域,∂Ω充分光滑,21()()u C C ∈Ω⋂Ω满足下面问题0, (,,)(,,)0, (,,).xx yy zz u u u u x y z u x y z x y z ∆=++=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩证明 (,,)0u x y z ≡,并由此推出Poisson 方程Dirichlet 问题解的唯一性.若将定解问题中的边界条件换为0, (,,),ux y z n∂=∈∂Ω∂问(,,)u x y z 在Ω中等于什么?Poisson 方程Neumann 问题的解是否具有唯一性?3*设3R Ω⊂为有界区域,∂Ω充分光滑,21()()u C C ∈Ω⋂Ω满足下面问题(,,)(,,), (,,)(,,)(,,), (,,).u c x y z u f x y z x y z u x y z x y z x y z ϕ-∆+=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩其中 (,,)c x y z 在闭域Ω非负有界且不恒为零. 证明或求解以下各题(1) 如果0,(,,), 0,(,,),f x y z x y z ϕ=∈Ω=∈∂Ω证明(,,)0u x y z ≡.(2)如果0,(,,),f x y z =∈Ω而边界条件换为0, (,,),ux y z n∂=∈∂Ω∂问(,,)u x y z 在区域Ω中等于什么?4.(1) 验证0∆Γ=,0P P ≠,其中0(,) 3P P n Γ==01(,)22P P n πΓ==(2)设()u u r =, 22y x r +=, 求0,0xx yy u u r +=≠,并且满足(1)0,u =(0,)1B u n ds δ∂∇⋅=-⎰的解, 其中(0,)B δ是以原点为圆心δ为半径的圆形域,n 为(0,)B δ∂的单位外法向量.(3) 设()u u r =, 222z y x r ++=, 求0=++zz yy xx u u u ,0≠r ,并且满足B(0,)lim ()0, 1r u r u nds δ→∞∂=∇⋅=-⎰⎰的解, 其中(0,)B δ是以原点为球心δ为半径的球形域,n为(0,)B δ∂的单位外法向量.5. 设2R Ω⊂有界区域,∂Ω充分光滑,21()()u C C ∈Ω⋂Ω. 证明(,)()u u u ds ud n n ξησ∂ΩΩ∂∂Γ=Γ--Γ∆∂∂⎰⎰⎰ 其中0(,)P ξη∈Ω,0(,)P P Γ如第4题所示.6. 设2R Ω⊂有界区域,∂Ω充分光滑,0(,)P ξη∈Ω,2(,)P x y R ∈,0(,)P P Γ为二维Laplace 方程的基本解. 考虑定解问题(,), (,)(,)(,), (,)u f x y x y u x y x y x y ϕ-∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩ 若(,)h x y 是如下定解问题的解00, (,)(,)(,),(,)h x y h x y P P x y ∆=∈Ω⎧⎨=-Γ∈∂Ω⎩证明 若21(,)()()u x y C C ∈Ω⋂Ω,则有(,)Gu ds Gfd n ξηϕσ∂ΩΩ∂=-+∂⎰⎰⎰,其中G h =Γ+.7. 设3R Ω⊂有界区域,∂Ω充分光滑, 考虑定解问题(,,), (,,)(,,), (,,).u f x y z x y z ux y z x y z nϕ-∆=∈Ω⎧⎪∂⎨=∈∂Ω⎪∂⎩ 证明该问题可解的必要条件为0f dV ds ϕΩ∂Ω+=⎰⎰⎰⎰⎰.8*证明上半空间Laplace 方程Dirichlet 问题的Green 函数0(,)G P P 满足020010(,), (,),0, .4P PG P P x y R z P P r π<<∈>≠ 对平面上圆域Laplace 方程Dirichlet 问题的Green 函数0(,)G P P ,给出类似结果.9. 利用对称法求二维Laplace 方程Dirichlet 问题在上半平面的Green 函数, 并由此求解下面定解问题0, (,),0(,0)(), (,).u x y u x x x ϕ-∆=∈-∞∞>⎧⎨=∈-∞∞⎩ 10. 求二维Laplace 方程在下列区域上 Dirichlet 问题的Green 函数.(1) {(,)|}x y x y Ω=>. (2) {(,)|0,0}x y x y Ω=>>.11. 设222{(,)|,0}x y x y R y Ω=+<>. 考虑半圆域Dirichlet 问题0,(,)(,)(,), (,).u x y u x y x y x y ϕ-∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩ 应用对称法求区域Ω上的Green 函数.12*求解定解问题0,(,,)(,,)(,,),(,,).u x y z u x y z g x y z x y z -∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩其中32222,(0,){(,,)|}xx yy zz u u u u B R x y z R x y z R ∆=++Ω==∈++<.13.[解对边值的连续依赖性]设Ω为半径等于R 的圆域,考虑如下问题(,), (,)(,)(,),(,) 1,2.k k k u f x y x y u x y g x y x y k -∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω=⎩ 利用Poisson 公式证明2121(,)(,)max{(,)(,)(,)}u x y u x y g x y g x y x y -≤-∈∂Ω14*证明在广义函数的意义下,11(,0)ln 2P rπΓ=满足 ()()u x y δδ-∆=,其中xx yy r u u u =∆=+.15*设Ω为半径等于R 的圆域,考虑如下问题0, (,)(,)(,),(,) .u x y u x y g x y x y -∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩ 如果(,)g x y 在∂Ω连续,证明由Poisson 公式给出的解是该问题的古典解(真解).16*设(,)u x y 为平面上区域Ω上的调和函数,000(,)P x y ∈Ω且0(,)B P R ⊂Ω.证明调和函数的平均值公式00002(,)(,)11(,)(,)(,)2B P R B P R u x y u x y ds u x y dxdy R R ππ∂==⎰⎰⎰ 17*[极值原理]设2R Ω⊂有界区域,边界充分光滑,2()()u C C ∈Ω⋂Ω为Ω内的调和函数,并且在某点000(,)P x y ∈Ω达到u 在闭域Ω上的最大(小)值,利用平均值公式证明u 为常数.18*[极值原理]设2R Ω⊂有界区域,边界∂Ω充分光滑, 2()()u C C ∈Ω⋂Ω. 如果u 在区域Ω内调和且不等于常数,则u 在闭域Ω上的最大值和最小值只能在区域的边界∂Ω上达到.19*利用第12题的结果,建立在3R Ω⊂内调和函数的平均值公式,并证明和第16题类似的结果.20*设2R Ω⊂有界区域,2()(), (),1,2,k k u C C g C k ∈Ω⋂Ω∈∂Ω=满足(,), (,)(,)(,),(,) k kk u f x y x y u x y g x y x y -∆=∈Ω⎧⎨=∈∂Ω⎩ 证明 2121(,)(,)max{(,)(,)(,)}u x y u x y g x y g x y x y -≤-∈∂Ω.21.设D 和Ω为平面上的两个区域,()(,)(,)f z x y i x y ϕψ=+在区域D 内解析且不等于常数,()f D =Ω,即f 将区域D 保形映射到区域Ω.证明 如果(,)u x y 在区域Ω内调和,则((,),(,))u x y x y ϕψ在区域D 内调和.22.(1)找一个在上半平面解析的函数()f z ,在边界{(,),0}x y x R y ∈=上满足00(),, (),,f x A x x f x B x x =>=<其中A 和B 为实常数.(2)求下面定解问题的一个解0, 0,0(,0)0,0, (0,)10,0.xx yy u u x y u x x u y y +=>>⎧⎨=>=>⎩ 23*求下面定解问题的一个解22220, 1(,)0,0, (,)1,0, 1.xx yy u u x y u x y y u x y y x y ⎧+=+<⎪⎨=<=>+=⎪⎩ 24. 求下面定解问题的一个解0, 0<(,0)0, (,)1, 0.xx yy u u y xu x u x x x +=<⎧⎨==>⎩ 25. 求下面定解问题的一个解0, , 0<(,)0, (,0)0, 0, (,0)1, 0.xx yy u u x R y u x x Ru x x u x x ππ+=∈<⎧⎪=∈⎨⎪=<=>⎩26. 设(0,)B R Ω=,1(0,)2RB Ω=,(,)u x y 在Ω内调和且在Ω上连续,在边界上非负,证明以下结果(1)(,),x y ∀∈Ω有(0,0)(,)(0,0),R r R ru u x y u R r R r-+≤≤+-其中r =.(2)存在常数0M > 使得 11max (,)min (,).u x y M u x y ΩΩ≤。
[理学]格林函数的应用
![[理学]格林函数的应用](https://img.taocdn.com/s3/m/6cc52b984128915f804d2b160b4e767f5bcf800b.png)
就相当于所要求的格林函数。
2
1
G(M , M 0 ) 4rMM0 v,
(17)
u(M 0 )
f
(M )
GdS n
(20)
4.3.1 半空间的格林函数及狄利克雷问题
求解上半空间 z 0内的狄利克雷问题
uxx u yy uzz 0 (z 0),
(22)
u |z0 f (x, y), x, y , (23) 先求出格林函数G(M , M 0 ). 为此,在上半空间 z 0 的点 M 0 (x0 , y0 , z0 ) 处放置一单位正电荷,在点
1
4
1 rMM0
R rOM0
1 rMM1
.
(30)
记 r0 rOM0 , r rOM , r1 rOM1 , 是OM 0和OM 的夹角, 则(30)式变形为
G(M , M 0 )
1
4
1
R
r02 r 2 2r0r cos r0
1
r12 r 2 2r1r cos
20
1
G(M , M 0 ) 4rMM0 v,
1
2
ln
1 rMM0
1 ln
rMM1
,
(24’)
12
u(M 0 )
C
f
(x,
y) G n
dS.
(20’)
为了求得G问(M题, M(20 )2’2)1(2l3n’r)M1的M0 解 ln,rM1需M1 要, 计算(2Gn4|’y)0 .
由于在边界 y 0 上的外法线方向是 oy 轴的负
向,因此,G
M 0 关于平面z 0的对称点 M1(x0 , y0 ,z0 ) 处放置一
单位负电荷。
数学物理第五章-格林函数法

则有
(P[, P(0P),P0)(P, P(1P),P10),]
P
(P,
P0
),
P
即
G(P, P0) (P, P0) (P, P1)
为上半空间的格林函数,且有
G(P, P0) (P, P0) (P, P1)
1(
4
1 (1 1)
4 r0 r1
1
(x )2 (y )2 (z )2
( x,
y)
1
0
x2 x2
0 y2 y2
1 1
的解并求出u(0, 0, a)的值(常数a 0)?
解 由上半空间的泊松公式
1 )
(x )2 (y )2 (z )2
G 1 (
1
1
)
4 (x )2 ( y )2 (z )2 (x )2 ( y )2 (z )2
直接计算可得
G
G
1
n
z
z0
2
3
[(x )2 ( y )2 2 ]2
又
u(
,,
)
G n
ds
GfdV
1
2
(x, y)
3
R2 [(x )2 ( y )2 2 ]2
因此
u
B
n
ds
B
u
4
2
ds
u(x,
y,
z
)
(10)
u
u
B
n
ds
B
4
2
ds
u(x,
y,
z
)
(10)
其中 P(x, y, z ) B.------积分中值定理
同理可得
B
u n
5.3-5.4用电像法求狄氏格林函数

− a 2π π u1 ( M ) = ∫0 ∫0 f (θ 0 ,ϕ0 ) 4π a2 − ρ 2 sin θ 0 dθ 0 dϕ0
(a
2
+ ρ 2 − 2aρ cos γ
)
3 2
Wuhan University
四、注释
3、对于圆内的狄氏问题:
§5.3格林函数的求法
Wuhan University
M • 则 I = x i + y j+→ k z → → ρ r = sin θ cos ϕ i + sin θ sin ϕ j + cos θ k υ → r r r 0• ρ I 0 = x0 i + y0 j + z0 k r r r = sin θ 0 cosv 0v + sin θ 0 sin ϕ 0 j + cos θ 0 k ϕi v v ∴ I ⋅ I 0 = I ⋅ I 0 cos γ = cos γ = sin θ cos ϕ sin θ 0 cos ϕ 0 + sin θ sin ϕ sin θ 0 sin ϕ 0 + cos θ cos θ 0 cos γ = sin θ sin θ 0 cos(ϕ − ϕ 0 ) + cos θ cos θ 0
⎨ ⎩G |l = 0 1 1 ln + g 类似 G = 2π r ⎧Δg = 0 , M ∈ σ ⎪ 1 1 ⎨ ⎪ g |l = − 2π ln r |l ⎩
-狄氏格林函数
Wuhan University
二、狄氏格林函数
3、狄氏格林函数物理意义:
M
§5.3格林函数的求法
r
数学物理方程第四章 格林函数法

为边界的有界连通区域,u(x, y, z)在 上有连续
的一阶偏导数,在 内调和,定点 M 0 (x0 , y0 , z0 ) , r 为定点M 0到变点 M (x, y, z) 距离: 则有
u(M0 )
1
4
1 [ r
u n
u
(1)]ds n r
(2.9)
故不提初始条件!只给出边界条件就可以. 下面看边界条件的提法.
(1) 第一边值问题(狄利克雷(Dirichlet)问题)
设方程(1.1)的空间变量(x, y, z) , 为 R3的开区域。如果
u(x, y, z)满足方程(1.1),且在 边界 上直接给定了u(x, y, z)
的具体函数形式 f (x, y, z),即
u(x, y, z) f (x, y, z)
(1.2)
则称问题(1.1)~(1.2)为拉普拉斯第一边值问题或狄利克雷
(Dirichlet)问题,u(x, y, z) 为此问题的解。
2u 2u 2u
u
x 2
y 2
z 2
0
u( x, y,z) f ( x, y,z),
u, v互 换
v
u v u v u v
( uv )dV
u
n
ds
(
x
x
y
y
z
z
)dV
(2.2)
u
u v u v u v
(vu)dV
v
n
ds
(
x
x
y
y
z
格林函数习题解答

y1 = x y2 = 1
As Green function is continuous, so A(t)y2 (t) = B (t)Y1 (t) ⇒ One the other hand,
′ ′ A(t)y2 (t) − B (t)y1 (t) = −
A(t) = B (t)t
1 1 = − = −1 p(t) 1
Assign 7, mathematical Method First name: LIANG Last name : ZHANG Oct-25-2012
10.5.1
Find the Green function for this operator and boundary condition: { d2 y y (0) = 0, Ly (x) ≡ 2 , and y ′ (1) = 0 dx Where we assume that the ends of the interval are at x = 0 and x = 1.
Ay2 (t)y1 (x), G(x, t) = Ay1 (t)y2 (x),
t<x
⇒ G(x, t) =
sint −( tan1 − cost)sinx,Байду номын сангаас
−sint( sinx − cosx), tant1 sinx −( tant1 − cosx)sint, ⇒ G(x, t) = −sinx( sint − cost), tan1 ∫ 1 y (x) = − G(x, t)f (t)dt
10.05.1D Green#2
Find the Green function G = G(x, t) for the equation en that y (0) = 0 and y (1) = 0. d2 y − y = f (x) givdx2
数学物理方法第10章格林函数法

2
格林函数,又称为点源影响函数,是数学物理方程中的
一个重要概念,也是求解各类定解问题的另一种常用方法。
若已知点电荷(点 源)产生的场(边 界无限远,无初始 条件) 积分得到
Uq
任意带电体(任意 源)产生的场(边 界无限远,无初 始条件) 任意源在相同初 始和边界条件下 产生的场
19
1 4 r r0
R 0 r0 R2 4 0 r 2 r0 r0
1 R 4 r r0 r0
1 R2 4 r 2 r0 r0
20
G r0 ; r u r r0 dS0 G r0 ; r f r0 dV0 n T
u r f r u u r n
为了求解上面定解问题,我们必须定义一个与此定解问题相应的 格林函数 G(r , r0 ) 它满足如下定解问题,边值条件可以是第一、二、三类条件:
6
G(r , r0 ) (r r0 ) G [ G ] 0 n
13
对狄利克雷问题的格林函数应满足:
G r ; r0 r r0 G r;r 0 0
令 G G0 G1代入上述定解问题有
G0 G1 r r0 G0 G1 0
显然没有考虑边界的影响 (或者说对应着无界空间)
G r;r0 u r r0 dl0 G r;r0 f r0 dS0 n0 l S
1 G0 4 r r0
1 1 G0 ln c0 2 r r0
G1 0 G1 G0
21
格林函数的例子

格林函数的例子
A . 考虑完善导体平行板波导中的电流分布,J (x,z)=z J(z)δ(x-x ’)其产生的磁矢,
满足如下Helmholtz 方程
)'()()';,()(22x x z J x z x A k z --=+∇δμ 其中μεω=k ,场沿y 方向无变化, 即有02
2
=∂∂y )'()()';,()(222
22x x z J x z x A k z
x z --=+∂∂+∂∂δμ 求线电流所激励的电磁场。
B .如图已知金属槽中有线电流J (x ’,y ’)=z J δ(y-y ’)δ(x-x ’)
)','()'',,()(22y x J y x y x A k z μ-=+∇, 满足边界条件:
求线电流产生的电场Ez
C.已知如下区域,格林函数满足
边界条件为:
求格林函数的封闭表达式(以上A,B,C三例取自EM wave for boundary Value Problems, p.229,222 及193)D.已知传输线上的电压满足下列方程。
,其中YZ=γ2
Z和Y分别是传输线上单位长度的阻抗和导纳:
传输线的特性阻抗和传播常数分别为
试求Z’两边的电压表达式。
E.如下图中的Z向线电荷分布
格林函数满足边界条件为:
求G的级数表达式
(以上D,E两例取自:Analytical and Computational Methods for Ems, p.76,81)
第二次作业取自p.88 同上。
与时间有关的格林函数 江苏技术师范学院.

n
n
i
, 填入上表中 2 2 3n S l =4.97
5
二、消除系差的主要方法
1.固定系差的消除法 (2) 代替法 将仪器送部门检验 求得修正值 (3) 异号法 (4) 交换法 例如, 电表测电流 修正实验结果 因地磁影响而造成系差 m1l1 m2l2 a0 m1、m2 用标准仪器对同一物理量在同样条件下测量 如没地磁作用实际值应为 则空载平衡时: 例如 空载时,左右砝码盘质量分别为 , 消除天平等臂的不严格造成的系差 相比较得到修正值修正实验结果 由于地磁作用示值将为 a + δ P 0 负载m放左盘 , 砝码 P 放右盘 , 平衡时有 实验时使得测量误差出现两次 1 1 ml 1 / l 2 电表转 180°将使示值变为 a -δ 而两次符号相反,取平均值 m m ) l ( P m ) l 0 负载m放右盘 , 砝码( P 放左盘 , 平衡时有 P ml 1 1 2 2 1 2 2 2/ l 1 ( m 1 P2 )l 1 即为 (mm m ) l 两次值取平均 a1 , 消除了 δ的影响 l ml Pl m l 2 2 1 0 1 1 2 2 2 m P P 与臂长无关 1 ml 2 m l m l交换 Pl
i
则 | 再令 S | 则
i 1
n
1 2 时, n 次测量存在系差 2 n Sx di 这种判别 n i 1 法则称为 2 2 S i d i 2 3n S x 时, 说明n次测量存在系统误差
n
3
例题11:利用计算法检查下列数据的测量中有无 系统误差存在? 单位:cm
解: l 100.08cm
n
, 求出 d i
, 填入上表中
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10.05.1D Green#2
Find the Green function G = G(x, t) for the equation en that y (0) = 0 and y (1) = 0. d2 y − y = f (x) givdx2
Solution:
3
d2 y Ly = 2 − y = 0 dx y (0) = 0 y (1) = 0
′
y1 = x y2 = 1
As Green function is continuous, so A(t)y2 (t) = B (t)Y1 (t) ⇒ One the other hand,
′ ′ A(t)y2 (t) − B (t)y1 (t) = −
A(t) = B (t)t
1 1 = − = −1 p(t) 1
= 0 (β is a non-zero constant. )
x=0
Solution:
d2 y dy +β = f (x) dx2 dx α(x) d2 y dy + α(x)β = α(x)f (x) dx2 dx dα = βα dx ⇒ ⇒ α(x) = eβx d βx dy (e ) = eβx f (x) dx dx d βx dy (e )=0 Ly = dx dx y (0) = 0 dy dx tion for Ly is y = C1 e−βx + C2 , As the boundary condition is y (0) = 0, y ′ (0) = 0, then G(x, t) = 0, C1 e−βx + C2 , 0 x<t
⇒ 0 − B (t) = −1 B (t) = 1 A(t) = t
1
{ ⇒ G(x, t) =
x, t,
0 x<t t<x 1
10.05.1D Green#1
Find the Green function G = G(x, t) for the equation given that y (0) = 0 and dy dx dy d2 y +β = f (x) dx2 dx
⇒
t < x < +∞
As the Green function G(x, t) should be continuous at point t, then, C1 e−βt + C2 = 0 ⇒ C2 = −C1 e−βt
2
On the other hand, the differential of Green function G′ (x, t) should satisfy G′ (x, t)|t = − 1 1 = − βt p(t) e
⇒ −C1 βe−βt = −e−βt ⇒ C1 = 1 , β G(x, t) = C2 = −C1 e−βt = − 0, 0 e−βt β x<t
⇒
⇒
e−βx − e−βt , t < x < +∞ β −βx e − e−βt , 0 t<x β G(x, t) = 0, x < t < +∞ ∫ +∞ ⇒ y (x) = − G(x, t)eβt f (t)dt
Assign 7, mathematical Method First name: LIANG Last name : ZHANG Oct-25-2012
10.5.1
Find the Green function for this operator and boundary condition: { d2 y y (0) = 0, Ly (x) ≡ 2 , and y ′ (1) = 0 dx Where we assume that the ends of the interval are at x = 0 and x = 1.
0
t<x 0
t<x 1
x<t
4
Ay2 (t)y1 (x), G(x, t) = Ay1 (t)y2 (x),
t<x
⇒ G(x, t) =
sint −( tan1 − cost)sinx,
−sint( sinx − cosx), tant1 sinx −( tant1 − cosx)sint, ⇒ G(x, t) = −sinx( sint − cost), tan1 ∫ 1 y (x) = − G(x, t)f (t)dt
The general solution for Ly = 0 is y = C1 sin x + C2 cos x, According to the boundary condition, we have y1 = sinx y2 = sin x − cos x tan1 cos t sin t ′ ′ ( t) − y 1 y2 = sin t × ( + sin t) − cos t × ( − cos t) = 1 W [y1 , y2 ]|t = y1 (t)y2 tan 1 tan 1 p(t) = 1 ⇒ A=− 1 = −1 W [y1 , y2 ]p(t) 0 x<t 1 0 x<t 1
0
∫ =−
0
x
e−βx − e−βt βt e f (t)dt β
Comment: It is apparent that G(x, t) ̸= G(t, x). As the operator ′ L′ is second order differential, so if the two boundary conditions focus on one side x = a, ∂G then the Green function for a < x < t is definitely determined, and = 0. ∂t For the interval t < x < b, the two boundary conditions also focus at one side, 1 ′ ′ (t) − p( (t) = y1 that is, y2 (t) = y1 (t), y2 t) . We can get the Green function for ∂G t < x < b and ̸= 0. In short, the Green function won’t be symmetrical if ∂t the two boundary conditions focus on one side.
Solution:
First, ∵ ∴ Ly (x) ≡ d2 y dx2 the general solution is y = kx + b y (0) = 0 ⇒ y (1) = 0 ⇒ Let’s Green function to be, { G(x, t) = B (t)y1 , A(t)y2 , t<x 1 0 x<t