数理方程第四章课件
数理方程第四章
1 在区域 K 内直到边界上，v 可任意求导。 r
v u 在第二格林公式 (u v v u)dV (u v )dS n n
2 2
1 中, 取 u 为调和函数, 而令 v , 并以 K r 代替第二格林公式中的 . 则我们有
lim u( x, y, z ) 0,
r
(r x 2 y 2 z 2 ).
以保证解的唯一性。
§4.2
高斯(Gauss)公式
格林公式
设 是以光滑曲面 为边界的有界区域，P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z) 在闭域 上连续, 在 内 1 P , Q , R C C 有一阶连续偏导数，即
两式相减, 得
2 2
第二格林公式
v u ( u v v u)dV ( u v )dS n n
利用格林公式, 可以得到调和函数的一些性质：
1) 牛曼内问题有解的必要条件
设 u 是以 为边界的区域 内的调和函数, 在 上有一阶连续偏导数, 则在第二格林公式 中取 u 为上述调和函数, 取 v 1, 有
3）调和函数的积分表达式
所谓调和函数的积分表达式 , 是指用调和函数及 其在区域 边界 上的法向导数沿 的积分来表 达调和函数在区域 内任一点的值。 设 M 0 x0 , y0 , z0 是 内的点, 下面求调和函数在 该点的值。 构造辅助函数
1 v r
1
x x0 y y0 z z0
2u 2u 2u 2 2 0 2 x y z
它描述了稳恒状态下的物理现象。 拉普拉斯方程 u 0的连续解，也叫调和 函数。
数理方程第4讲
题的解是惟一的. 如果不具有这个条件, 外
问题的解可能不惟一, 例如, 在单位球面
外求调和函数, 在边界上满足 u| =1, 容易看
出, u1(x, y, z) 1及u2 (x, y, z)
1
都
x2 y2 z2
在单位球外满足拉普拉斯方程, 并且在单位
球面 上满足上述边界条件.
对于二维拉氏方程, 外问题在无穷远点的条
u|=f.
(4.4)
11
(4) 牛曼外问题 在光滑的闭曲面上给定连
续函数 f, 要找出这样一个函数 u(x,y,z), 它
在闭曲面的外部区域内调和, 在
上连续, 在无穷远处满足条件(4.3), 而且它
在上任一点的法向导数 u 存在, 并满足
n
u f ,
(4.5)
n
这里n是边界曲面的内法向矢量.
u|=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.
5
§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: 在区域内找一个调和函数, 它在边 界上的值为已知.
7
以上两个边值问题都是在边界上给定某些
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, 就归结为在区域的外部求调和 函数u, 使满足边界条件u| = f, 这里是的
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.
人教版七年级数学 第四章 一 元一次方程 11页
观察下列各式哪些是代数式，哪些是等式？ (1) 1 (2) a (3) 2xyz/3 (4) x2+2xy+y2 (5) 1+2=3 (6) s=ab (7) a+b=b+a (8) 4+x=7 (9) a+2b>0
Hale Waihona Puke 代数式是：（1）、（2）、（3）、（4） 等式是： （5）、（6）、（7）、（8）
例２ 填写解简易方程的依据
８x + 9 = 49
8x = 40
x=5
(
(
)
)
例３用适当的数或整式填空，使所得的 结果仍是等式，并说明是根据等式的哪 一条性质以及怎样变形？
（１）如果２ｘ＝５－３ｘ， 那么２ｘ＋——＝５ （２）如果０.２ｘ＝１０，那 么ｘ＝——
通过本节课我们学到了什么？ 等式的意义 等式的性质 能应用等式的性质将等式变形 作业：习题4.1 1, 3.
代数式与等式的关系
区别：代数式表示运算关系，等式表示 相等关系，从形式上主要看式子中是否 含有等号（ “=” ）。 联系：等式是用“=”把两个代数式连接 而成的式子。
等式的性质
等式的性质1 等式两边都加上（或减去） 同一个数或整式，所得结果仍然是等式。 等式的性质2 等式两边都乘以（或除以） 同一个数（除数不能是0），所得结果仍 然是等式。
学习等式性质应注意的问题
根据等式的两条性质，对等式进 行变形，必须等式两边同时进行 （同时加或减，同时乘或除）不 漏掉一边。 等式变形时，两边加或减，乘或 除以的数或整式必须相同。 利用性质2进行变形时，须注意 除以的这个数不能为0。
等式性质的应用
数理方程课件-第 4 章 4.3-4.4 格林函数的应用;试探法,泊松方程求解-精选文档
0
0
0
(26)
8
f ( x , y ) z dxdy 1 0 . u(M0 ) 3 / 2 2 2 2 2 ( x x ) ( y y ) z
0
0
0
(26)
例1 设在均匀的半空间的边界上保持定常温度 2 2 ，在圆 K:x 而在其外等于 y 1之内等于1， 0. 求在半空间内温度的稳定分布。 解 这个问题归结为如下定解问题
13
G u ( M ) f ( x , y ) dS . 0 n C
1 1 1 G ( M ,M ) ln ln , 0 2 r MM MM 0 1 r
(20’) (24’)
G 为了求得问题(22’)(23’)的解，需要计算 n | y 0 .
2
1 G ( M ,M v , 0) 4 r MM 0
(17) (20)
G u ( M ) f ( M ) dS 0 n
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
u u u 0 ( z 0 ), xx yy zz
高等数学第四章课件.ppt
e 解 原式 lim e xln x x0
lim x ln x
x0
( 00 )
ln x lim x0 1
e x
1
e lim x0
x 1
x2
e0 1.
洛必达法则
型
00 ,1 , 0 型
0型 0 型
0 型
第三节 函数的单调性
一、函数单调性的判定方法 二、函数单调性的应用
其中 C 为常数．
三、柯西中值定理
定理 设函数f(x)与g(x)满足： (1)在闭区间[a,b]上都连续，
(2)在开区间(a,b)内都可导，
(3)在开区间(a,b)内，g(x) 0,
则至少存在一点 (a,b)，使 f (b) f (a) f ( ) .
g(b) g(a) g( )
在柯西中值定理中，若取g(x)=x，则得到拉格 朗日中值定理.因此柯西中值定理可以看成是拉格朗 日中值定理的推广.
定理 3 设函数 f (x) 在点 x0 处存在二阶导 数，且 f (x0 ) 0, f (x0 ) 0 ，（1）若 f (x0 ) 0 ， 则 函 数 f (x) 在 点 x0 处 取 得 极 大 值 ；（ 2 ） 若 f (x0 ) 0 ，则函数 f (x) 在点 x0 处取得极小值．
求极值的步骤:
(1) 求出导数 f ( x); (2) 求出f ( x)的全部驻点，即方程 f ( x) 0的根;
(3) 考察 f ( x) 在驻点左右的正负号,判断极值点; (4) 求出各极值点处的函数值.
三、函数的最值
函数最大值和最小值统称为函数的最值；使 得函数取得最大值或最小值的点，统称为函数的 最值点．
f (0) 0 ，从而推出当 x 0 时， f (x) 0 ，即
数学物理方程课件第四章拉普拉斯方程的格林函数法
r M 0 M
M 1
1
4 xx02 y y02 zz02
解：
1
4 xx02 y y02 zz02
u(M 0)G (M n,M 0)f(M )dS G(M z,M0)|z0 f(x,y)dS
数学物理方程与特殊函数
第4章格林函数法
1
1
G ( M , M 0 ) 4 x x 0 2 y y 0 2 z z 0 2 4 x x 0 2 y y 0 2 z z 0 2
调和函数的积分表达式
k
拉 普l1r拉n 斯1
1 方x程2的基y本2 解z
ln 1
2
r
x2 y2
三维 二维
1 1 1 u
u (M 0)4 S(u n(r)r n)d S
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。
2 牛曼内问题有解的必要条件
V (u 2 v v 2 u )d V S (u n v v u n )d S
一 拉普拉斯方程边值问
题 的 1提 第法一边值问题（狄氏问题）
第四章
拉普 u f
2 第二边值问题（牛曼问题）
拉斯方程的格 u f 林函数法 n
3 内问题与外问题
4 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。
二 格林公式及其结论
V (u 2 v )d V S u n vd S V u v d V 格V 林(u 公 2 式v 的v 结 2 论u )：d V S (u n v v u n )d S
半空间的格林函数
1 1 1
G(M,M0)4rM
r M 0 M
M 1
M0q d
华科数理方程课件第4章
r n r 1/ r 1 1/ r 1 在球面 上 n r r 2 2
r
r n
u(M 0 )
[u ( M ) ( 4 n r
)
MM 0
rMM 0
n
]dS M
4
上午10时28分
数学物理方程与特殊函数
第4章格林函数法
c1 d 2 dV V (r ) c2 , (r 0, c1 , c2 为任意常数)。 (r ) 0 其通解为： r dr dr 1 1 若取 c1 , c2 0 ,则得到特解 V0 (r ) 4r ,称此解为 4
三维Laplace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. 对二维拉普拉斯方程 u uxx u yy 0,其极坐标形式为:
数学物理方程与特殊函数
第4章格林函数法
4.1.1 拉普拉斯方程的基本解 对拉普拉斯方程 u uxx u yy uzz 0, 其球坐标形式为：
求方程(1)的球对称解 u V (r ) (即与 和 无关的解) ,则有：
4.1 格林公式及其应用
1 2 u 1 u 1 2u (r ) 2 (sin ) 2 2 0 (1) 2 2 r r r r sin r sin
1 4R 2
u ( M 1 ) 。因此有
1 4R 2
S
u ( M ) ds
R
S u ( M 1 )ds u ( M 1 )
R
这与平均值性质矛盾。由于 R 的任意性，则在球 k R 中 恒有 u u ( M 1 ) .任取 N ,在 中作连结 M 1 ， N 两 点的折线 L ，记L 到 的边界 的最小距离为 d ，以M 1 为中心，小于d 的数为半径在 内作求 K1 ，则在 K1上
数理方程课件
一阶常微分方程在物理学、工程学、经济学等领域有广泛应用。
一阶常微分方程可以用于描述各种实际问题中变量的变化规律，如物理中的自由落体运动、电路中的电流变化等。在经济学中，一阶常微分方程可以用于描述供求关系的变化、消费和储蓄的动态过程等。在工程学中，一阶常微分方程也广泛应用于控制系统、化学反应动力学等领域。
数理方程可以根据其形式和性质进行分类。
总结词
根据其形式和性质，数理方程可以分为线性与非线性、自治与非自治、常系数与变系数等多种类型。这些分类有助于更好地理解和研究数理方程的性质和应用。
详细描述
数理方程的分类
总结词
数理方程在各个领域都有广泛的应用。
详细描述
数理方程在物理学、工程学、经济学、生物学等许多领域都有重要的应用。例如，在物理学中，描述波动、热传导、引力场等问题的方程都是数理方程。在工程学中，流体动力学、电磁学等领域的问题也都可以通过数理方程来描述和解决。
总结词
一阶常微分方程的定义
一阶常微分方程的解法
求解一阶常微分方程的方法主要有分离变量法、积分因子法、常数变易法和线性化法等。
总结词
分离变量法是将方程中的变量分离出来，使方程变为可求解的形式。积分因子法是通过引入一个因子，使方程变为全微分方程，从而简化求解过程。常数变易法适用于形式为y' = f(x)y的方程，通过代入可求解。线性化法则是将非线性方程转化为线性方程，便于求解。
分离变量法
有限差分法
有限元法
变分法
用离散的差分近似代替连续的微分，适用于求解初值问题和边界问题。
将连续的求解区域离散化为有限个小的子区域，适用于求解复杂的几何形状和边界条件。
通过求某个泛函的极值来求解偏微分方程，适用于求解某些特殊类型的方程。
《方程求根的迭代法》PPT课件
2021/4/24
记笔记
4
xk1
xk1
a (xk a )2 2xk
a (xk a )2 2xk
xk1 a ( xk a )2 xk1 a xk a
q x0 a x0 a
xk a ( x0 a )2k
x a x a 2021/4/24
k
记笔记 0
5
令q x0 ，a 则由上式得
2021/4/24
28
例9
已知迭代公式
收敛于 x k 1
2 3
xk
1
x
2 k
证明该迭代公式平方收敛.
均20收.敛于.且x成0立xk1(xk)
x*
30.
①x*xk1LLxkxk1
② 2021/4/24 x*xk1LkLx1x0
满足精度要求的最 大迭代次数
（事先误差估计法）
17
例1 对方程 x5 ,4构x 造 2迭 代0 函数如下
① (x) 5 4x ，2 ②
(x.试) 讨论x5在[12,2]上迭代
(x*) ( x*) (m1) (x *) 0,(m) (x*) 0
则迭代过程在 x* 邻域是m阶收敛的. (m 2)
2021/4/24
27
证明： (x*) 0迭,代过程 xk1 局(部xk 收)
敛于 x* ，又
xk 1
( xk
)
( x* )
( x* )( xk
x* )
y
y=f(x)
Pk
Pk+1 Pk+2
x* xk+2 xk+1
xk x
Newton法又称为Newton切线法或切线法
2021/4/24
数理方程(调和方程)
第四章 调和方程§1.调和方程的定解问题 1.方程的几个例子例1. 稳定的温度分布温度分布满足),(2t x f u a u t =∆-稳定热源:),,,)((321x x x x x f f ==与t 无关 边界绝热(即边界条件也与t 无关)则长时间后,温度分布必然趋于稳定状态(与t 无关),即)(x u u =此时有)(1x f u =∆, (21a ff -=)称为Poission 方程 当01=f 时,0=∆u ,称为Laplace 方程或调和方程.例2.弹性膜的平衡状态:u 为膜在垂直方向的位移,外力),(21x x f f =,则有f x ux u =∂∂+∂∂222212例3.静电场的电势uMaxwell 方程组⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧==∂∂-=∂∂+=ρdivD divB t B rotE t D J rotH 0E :电场强度, H :磁场强度, D :电感应强度, B :磁感应强度 J :传导电流的面密度, ρ:电荷的体密度物质方程⎪⎩⎪⎨⎧===E J H B E D σμε:μ导磁率, σ:导电率, ε: 介质的介电常数 divE divD ερ==∵静电场是有势场:u grad E -=ερ-=⇒u grad div , 即ερ-=u ∆若静电场是无源的,即0=ρ,则0=∆u 例4.解析函数)(),,(),()(iy x z y x iv y x u z f +=+=则v u ,满足Cauchy-Riemann 条件:y x y x u v v u -==, 例5.布朗运动(见图) 设质点运动到边界上即终止，⎪⎩⎪⎨⎧===∆0,10`),,(),,(211C C u u u C z y x z y x u 概率，则上的为起点，终止在：以易知,0,0=∆=∆v u2.定解问题(1)内问题:nR ⊂Ω,有界,Γ=Ω∂,u 在Ω内满足f u =∆ 边界条件:第一类(Dirichlet):g u =Γ|第二类(Neumann):g n u=∂∂Γ| 第三类(Robin):)0(|)(>=+∂∂Γσσg u nun 为Γ的单位外法线方向.(2) 外问题:u 在Ω外部满足f u =∆同样有三类边界条件(此时n 为Ω的内法线方向).但解在无穷远处是否可以不加限制?要加何种限制? 先看两个例子:例1.2=n ⎪⎩⎪⎨⎧=>+=∆=+0|)1(,012222y x u y x u221ln 1ln ,0yx r u u +===均为解, 例 2. 3=n ⎪⎩⎪⎨⎧=++=>==1),1(01222r u zy x r r u ∆ru u 1,1==均为解.因此,解在无穷远点一定要加限制,以确定解的唯一性. 通常,:2=n 解在无穷远处有界:),(lim y x u r ∞→有界:3≥n 解在无穷远处趋于0:0),,(lim =∞→z y x u r(3) 无界区域的边值问题:与外问题类似 (4) 等值面边值问题:0=∆u边界条件:⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂=⎰ΓΓ)()(|已知待定A dS n uC u 这个问题可约化为 Dirichlet 问题:设⎩⎨⎧==∆Γ1|0U U 的解为)(x U U =,选取常数C ,s.t.:A dS n UC=∂∂⎰Γ 则CU u =§2.分离变量法1. 圆的Dirichlet 内问题与外问题内问题⎪⎩⎪⎨⎧=<+=∆=+)(|)(0222222θf u a y x u a y x引入极坐标θθsin ,cos r y r x ==222222221)(111θθ∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂≡urr u r r r ur r u r ru u ∆ 则原问题化为:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤=≤≤<=++=)20()(|)20,(0112πθθπθθθf u a r u r u r u a r r rr 将)()(θΘr R 代入方程并分离变量得⇒-='+''-=''λ21r R R r RΘΘ0,02=-'+''=+''R R r R r λλΘΘ求解特征值问题:⎩⎨⎧==+'')2()0(0πλΘΘΘΘθλθλθλθθλθλθλθλsin cos )(:0)(:0)(:0212121C C C C e C e C +=Θ>+=Θ=+=Θ<---∴0<λ时不是解. 1)(:0C =Θ=θλ.θθθλλk C k C k s i n c o s )(,:0212+==>Θ∴,....)2,1,0(2==k k k λ,...)2,1(sin cos )(,)(00=+==k k B k A A k k k θθθθΘΘ求解)(022方程Euler R k R r R r =-'+'':一般Euler 方程的求解：()()t B t A t t y i t B t A t y BtAt t y a a a t y a t y t a t y t a ln sin ln cos )(ln )()(0)1(0)()()(212121212102120121βββαμμμμμμμμμμμαμμμ+=±∙+=∙+=∙=++-=+'+''：为一对共轭虚数，为相等的实数：，为不相等的实数：，，其解为特征值相应的特征方程为00)1(222=-⇒=-+-k k μμμμk ±=⇒μ,...)2,1()(=+=⇒-k r D r C r R k k k k kr D C r R ln )(000+=),2,1,0(0)0( ==⇒k D R k k 有界 ,...)2,1()(==⇒k r C r R k k k 00)(C r R = ∑∞=++=∴10)sin cos (2),(k kk k r k k r u θβθααθ∑∞=++==1)sin cos (2)(:k kk k a k k f a r θβθααθ⇒⎰⎰====πππβπα2020,...2,1,sin )(1,...2,1,0,cos )(1k ktdt t f a k ktdt t f a k k k k代入级数表达式得，注：将k k βα, ()()()()⎰⎰⎰∑∑⎰∑⎰∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫⎝⎛+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--------∞=--∞=-∞=∞=πθθπθθθπθθπππππθπθθπθ202)()(220)()()(201)(0)(20120111)(21111)(21)(21)(cos 21)(21sin sin cos cos 21)(21),(dt a r e e a r a r t f dt e a r e a r e a r t f dt e a r e a r t f dtt k a r t f dt kt kt a r t f r u t i t i t i t i t i k t ik k k t ik k k k k k()a r dt rt ar a r a t f r u <+---=⇒⎰πθπθ202222)cos(2)(21),( (Poisson 公式)外问题⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=>=∞→=有界u f u a r u r a r lim )()(0θ∆∑∞=-++=1)sin cos (2),(k k k k r k k r u θβθααθ∑∞=-++==1)sin cos (2)(:k k k k a k k f a r θβθααθ⇒⎰⎰====πππβπα2020,...2,1,sin )(,...2,1,0,cos )(k ktdt t f ak ktdt t f a kk kk同样有Poisson 公式)()cos(2)(21),(202222a r dt rt ar a a r t f r u >+---=⎰πθπθ 2.扇形域()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==<<<=++==θαθαθθθf u u a r u r u r u a r r rr 0),0(011,02 分离变量得:()()⎩⎨⎧===+''000αλΘΘΘΘ 与()⎪⎩⎪⎨⎧+∞<=-'+''002R R R r R r λ 2⎪⎭⎫⎝⎛=⇒απλk k(),.......2,1sin ==Θk k B k k θαπθ()απαπk k k k k rD rC r R -+=()00=⇒+∞<k D R ()∑∞==∴1sin,k k k k r a r u θαπθαπ()∑∞===1sin:k k k k a a f a r θαπθαπ()θθαπθαααπd k f aa k k sin2⎰=∴3.环形域()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==<<===θθ212121,0f u f u rr r u r r r r ∆ ()......2,1,0,sin cos ......2,1,0,2=+=Θ==k k B k A k k k k k k θθθλ()⎩⎨⎧≠+=+=-0,0,ln 00k r D r C k r D C R kk k k k θ ()()∑∞=-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+++++=∴100sin cos sin cos ln ),(k kk k k k k r k d k c r k b k a r b a r u θθθθθ ()()())2,1(sin cos sin cos ln :100=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+++++==∑∞=-i r k d k c r k b k a r b a f r r k ki k k k i k k i i i θθθθθ ()θθππd f r b a i i ⎰=+⇒200021ln ()θθθππd k f r c r a i ki k k i k ⎰=+-20cos 1()θθθππd k f r d r b i k i k k i k ⎰=+-20sin 1.....2,1,2,1==k i解联立方程即得().....2,1,0,,,,0,0=k d c b a b a k k k k例如()()θθθθθ2cos 212122cos 1cos ,0221+=+===f f ⎪⎩⎪⎨⎧=≠=+=+=+--2,212,0,0,0ln 2211100k k r c r a r c r a r b a kk k k k k kk k r d r b r d r b r b a k k k k k k k k ∀=+=+=+--,0,0,21ln 2211200()()()())2(0),(02,2ln ln 21,ln ln 2ln 42412224241224121201210≠==∀==--=-=-=--=⇒k c a k d b rr r c rr r r a r r b r r r a k k k k4.矩形域()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=====+====x u x u y u y u u u b y y a x x yy xx 100100,,0ψψϕϕw v u +=分解()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=====+====x v x v v v v v y x v b y y a x x yy xx 1000,0,00:),(ψψ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=====+====0,0,0:),(0100b y y a x x yy xx w w y w y w w w y x w ϕϕ:),(y x v 求解分离变量得特征值问题()()⎩⎨⎧=X =X =X +X ''000a λ0=-''Y Y λ及(),......2,1,sin ,2==⎪⎭⎫⎝⎛=⇒k a x k B x a k k k k ππλX()ak D y a k C y k k k ππsinh cosh +=Y()x a k y a k b y a k a y x v k k k πππsin sinh cosh ,1∑∞=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∴()x a k a x y k k πψsin :010∑∞===()xdx a k x a a a k πψsin 200⎰=∴()x a k b a k b b a k a x k k k πππψsin sinh cosh 11∑∞=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=()xd ak x a b a k b b a k a a k k πψππsin 2sinh cosh 01⎰=+⇒()()xdx a k a b k x x ab k a b a k ππψψπsin cosh sinh2001⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∴ 类似地，()y b k x b k d x b k c y x w k k k πππsin sinh cosh ,1∑∞=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=()ydy bk x b c b k πϕsin 200⎰=()()ydy b k b a k y y ba kb d b k ππϕϕπsin cosh sinh2001⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡-= 5.非齐次问题 例()⎪⎩⎪⎨⎧=<-+==cu R r y x b a u R r )(222∆方法一:方程齐次化 令21w w u v --=()()()212211111144,2)1(:1:r ar w a A a r A r A Ar r w aw rw w r w w =∴==⇒=+-==+"=∆=-- 令 设21212),(ρρy A x A y x w +=)()1()1(:)(222222*********y x b y A x A y x b w -=-+--=∆--ρρρρρρ 12/,42121b A A =-===⇒ρρθ2cos 12)(12),(4442r by x b y x w =-=∴⎪⎩⎪⎨⎧--=<=--=∴=θθ2cos 124)(02cos 12442242R b R a c v R r v r b r a u v Rr ∆满足 ∑∞=++=1)sin cos (2),(n n n n r n n r v θβθααθ∑∞=++=--=142)sin cos (22cos 124:n nn n R n n R bR a c R r θβθααθ222012,42)(0),2,0(0R bR a c n n n n -=-=∀=≠=⇒ααβα θθ2cos 124),(222R r bR a c r v --=∴θθ2cos )(12)(4),(22222R r r bR r a c r u -+-+=∴方法二.特征函数法:⎪⎩⎪⎨⎧=<+=++=cuR r br a u r u r u R r r rr )(2cos 1122θθθ 令()∑∞=+=0sin )(cos )(),(n nnn r B n r A r v θθθ代入方程:θθθ2cos sin )()(1)(cos )()(1)(202222br a n r B r n r B r r B n r A r n r A r r A n n n n n n n +=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-'+"+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-'+''∑∞= )2,0(0)()(1)(22≠=-'+''⇒n r A r n r A r r A n n n, )(0)()(1)(22n r B r n r B r r B n n n ∀=-'+" (**))(4)(1)((*),)(1)(2222200br r A rr A r r A a r A rr A =-'+''='+'')0(,)0(==⇒+∞<+∞<n n n n d b B A)()(),2,0(,)(n r c r B n r a r A nn n n n n ∀=≠=∴边界条件()⇒+=∑∞=0sin )(cos )(n n n n R B n R A c θθ()0)(,)(;00)(,0)(00==≠==R B c R A n R B R A n n)(0)(),2,0(0)(n r B n r A n n ∀=≠=∴易求得（*）的一个特解为24r a,（**）的一个特解为412r b20004ln )(r a r b a r A ++= , 42222212)(r br b r a r A ++=-)0(,)0(2020==⇒+∞<+∞<b b A A)(4)(4)(220200R r ac r A R a c a c R A -+=⇒-=⇒=,)(12)(120)(2222222R r r br A R ba R A -=⇒-=⇒=θθ2cos )(12)(4),(22222R r r bR r a c r u -+-+=∴ §3调和函数的基本性质 3.1 Green 公式设nR ⊂Ω为有界区域, ΓΩ=∂分块光滑, ΓΩΩ =.Green 第一公式 设)()(),()(0112ΩΩ∈ΩΩ∈C C v C Cu ,则⎰⎰⎰∇⋅∇-∂∂=ΩΓΩ∆udx v dS n uv udx v 证明:⎰∑⎰=∂∂=ΩΩ∆ni idx x uv udx v 122⎰∑⎰∑==∂∂∂∂-∂∂∂∂=ΩΩni ii ni i i dx x ux v dx x u v x 11)(⎰⎰∇⋅∇-∂∂=ΩΓudx v dS n uv 同样地, 若)()(),()(0112ΩΩ∈ΩΩ∈C C u C Cv ,则 ⎰⎰⎰∇⋅∇-∂∂=ΩΓΩ∆vdx u dS n vu vdx u 因此有,Green 第二公式 设),()(,12ΩΩC Cv u ∈则 ⎰⎰∂∂-∂∂=-ΓΩ∆∆dS n uv n v u dx u v v u )()(Green 公式特例⎰⎰∂∂=ΓΩ∆dS n uudx 0,=∇⋅∇=∂∂⎰⎰v vdx u dS n vu∆ΩΓ 0,0)(===∂∂-∂∂⎰v u dS n u v n v u ∆∆Γ3.2 调和函数的基本性质1. Neumann 问题解的自由度及可解性条件 (1)解的自由度考虑问题 (PN) ⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂=g nu f u Γ∆若它有两个解21,u u , 则21u u u -=满足问题(N) ⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂=00Γ∆nu u⎰⎰⎰∇-∂∂==ΩΓΩ∆dxu dS n u u udxu 2⎰∇-=Ωdx u 2),,2,1(0n i u i x ==⇒.const u ≡⇒结论: 问题(PN)在相差一个常数的意义下有唯一解. (2)可解性条件 对问题(PN),⎰⎰∂∂=ΓΩ∆dS n uudx ⎰⎰=⇒ΓΩdS g dx f结论: 问题(PN)有解的必要条件为⎰⎰=ΓΩdS g dx f .2. 基本积分公式先考察3=n 的情形.设.,,),,(30000ΓΩΩΓΩΩ ==∂⊂∈R z y x M考虑函数,41),(00MM r M M v π=其中,),,(Ω∈z y x M202020)()()(0z z y y x x r MM -+-+-=.易知,),(0M M v 除0M M=外关于M 处处满足调和方程,称之为调和方程的基本解.取ε充分小,使得Ω⊂)(0M B ε. 记,\,εεεεB B ΩΩΓ==∂,,εεεεεΩΩΩΓΓΩ∂==∂ (见图)则)()(12εεΩΩC C v ∈,且在εΩ内处处满足调和方程.设)()(12ΩΩC Cu ∈,对u 与v 应用Green 第二公式, ⎰⎰⎰Ω∆-επdx M u r MM )(41⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂=εππΓΓ dS n M u r r n M u MM MM )(41)41()(00⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂=ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100π⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-επΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100 ⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂=ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100π ⎰⎰⎰⎰∂∂++εεπεπεΓΓdS r M u dS M u )(41)(412 ⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂=ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100πε)()(21M ruM u ∂∂++其中εΓ∈21,M M令,0→ε则,,,021ΩΩ→→εM M M 从而,⎰⎰⎰-=Ω∆dx r M u M u MM 0)(41)(0π ⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100π成为基本积分公式.调和函数的基本积分公式为:⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-=ΓdS n M u r r n M u M u MM MM )(1)1()(41)(000π注1. 基本解:1ln21:2MM r n π= ,1:32-≥n MM n r n ω其中n ω为n 维空间中单位球面的面积. 2=n 时的基本积分公式为:⎰⎰-=Ω∆dx M u r M u MM )(1ln 21)(00π⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1ln )1(ln )(2100π注2. 对调和函数u ,成立⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-ΓdS n M u r r n M u MM MM )(1)1()(4100π ⎪⎩⎪⎨⎧=.),(4,),(2,,000000内在上在外在ΩΓΩM M u M M u M ππ 3. 平均值定理记以0M 为球心、R 为半径的球为)(0M B R ,球面为).(0M S R).()()(000M S M B M B R R R = 设))((00M B C u R ∈, 且在)(0M B R 内调和,则⎰⎰=)(20041)(M S R dS u R M u π证明: 先假设)),(())((0102M B C M B Cu R R ∈由中的基本积分公式,⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂-∂∂-=)(0000)(1)1()(41)(M S MM MM R dS n M u r r n M u M u π⎰⎰=)(20)(41M S R dS M u R π⎰⎰∂∂+)(0)(41M S R dS n M u R π⎰⎰=)(20)(41M S R dS M u R π若))((00M B Cu R ∈,则取R R <,在)(0M B R 上有⎰⎰=)(20041)(M S RdS u R M u π 取极限R R →即可.注1. 上调和(0≤u ∆): ⎰⎰≥)(20041)(M S R dS u R M u π下调和(0≥u ∆): ⎰⎰≤)(20041)(M S R dS u R M u π注2.平()θϕθϕθϕθθπϕθρππcos ,sin sin ,cos sin sin ),,(41),,(000200000R z z R y y R x x d d z y x u u +=+=+==⎰⎰注3.()()⎰⎰++===πθθθππ200000)(0sin ,cos 21)(21)(20d R y R xu M M S uds RM u n R M S R 为圆心的圆周：以时的平均值公式：4. 极值原理,min min ,max max ,,,,u u u u u ΓΩΓΩ==ΩΩΓΩ=ΩΓ=Ω∂Ω则上连续内调和且在在若为有界区域设.,,,,,)(1.v u v u v u v u ≡≤Ω≤ΩΩΓΓ且等号成立当且仅当内恒成立则在且上连续在内调和在设顺序原理注.,:.2与最低点温度在边界取到最高点时稳定温度场内部无热源物理意义注uu f u u u f u C C u ΓΓΩ=⇒≤=∆=⇒≥=∆ΩΩ∈min min 0max max 0),()(3.12则设注例题()()球上的最大值与最小值球心处的值和在试求为球坐标题设有单位球内的定解问u r u r u r .,,sin cos sin cos 1013ϕθϕϕθθ⎪⎩⎪⎨⎧+++=<=∆= ()4sin 41sin sin cos sin cos 41)0,0,0(2002200πϕθθπϕθθϕϕθθπππππ==+++=⎰⎰⎰⎰d d d d u ()()21sin cos sin cos min min 22sin cos sin cos max max 11--=+++==+++=≤≤ϕϕθθϕϕθθu u r r5. Dirichlet 内问题解的唯一性与稳定性内问题⎩⎨⎧=∈=gu x f u ΓΩ∆)(唯一性: 考虑相应的齐次问题⎩⎨⎧=∈=0)(0ΓΩ∆u x u .0min min ,0max max ====u u u u ΓΓΩ⎭⎬⎫⇒ .0≡u稳定性: 连续依赖于边界条件.考虑⎩⎨⎧=∈=g u x u ΓΩ∆)(0,⇒⎪⎭⎪⎬⎫====g u u g u u ΓΓΓΓΩmin min min ,max max max .m a x m a x g u ΓΩ=§4 Green 函数及其应用4.1 Green 函数 1. G reen 函数的定义设3R ⊂Ω为有界区域,ΓΩ=∂.设函数),()(,12ΩΩC Cg u ∈若g 在Ω中调和,则⎰⎰⎰⎰⎰∂∂-∂∂+=ΓΩ∆dS n ug n g u udx g )(0设Ω∈0M ,已知基本积分公式⎰⎰⎰⎰⎰ΓΩ∂∂-∂∂-∆-=dSn M u r r n M u dxr uM u MM MM MM ])(41)41()([4)(0000πππ相加得⎰⎰⎰⎰⎰ΓΩ∂∂---∂∂--∆-=dS nM u g r g r n M u dxg r u M u MM MM MM ])()41()41()([)41()(0000πππ因此选),(0M M g g =满足⎪⎩⎪⎨⎧==ΓΓ∆0410MM r g g π 称函数),(41),(000M M g r M M G MM -=π为Green 函数.易知),(0M M G 除0M M=外关于变量M 处处满足调和方程,且0),(0=∈ΓM M M G .注1. 对Dirichlet 问题⎩⎨⎧==ϕΓ∆u fu ,⎰⎰⎰⎰⎰ΓΩ∂∂--=dSn M M G M dxM f M M G M u ),()()(),()(000ϕ注2. 对二维情形,Green 函数为),(1ln 21),(000M M g r M M G MM -=π 其中g 满足⎪⎩⎪⎨⎧==ΓΓ∆01ln 210MM rg g π2. Green 函数的意义1) G reen 函数仅依赖于区域,而与边界条件无关. 2) 特殊区域上的Green 函数可用初等的方法求出. 3) 利用Green 函数求解的积分公式可以讨论解的性质. 4) 有明显的物理意义:在接地的导电闭曲面Γ内的点0M 处放一 单位正电荷,则Γ内任一点M 处的电位为),(0M M G ,它由两部分组成:即0M 处电位正电荷产生的电位41MM r π与Γ内表面上感 应负电荷产生的感应电位),(0M M g -.而且导体表面的电位恒为零. 3. Green 函数的性质 1))1(),(00MM r O M M G =事实上,),(411),(0000M M g r r M M G MM MM -=π而+∞<≤041max ),(0MM r M M g πΓ)(0),(000M M M M g r MM →→⇒ 2) 1),(0-=∂∂⎰⎰ΓdS n M M G (只需取1≡u 即可.)3) 041),(00MM r M M G π<<.事实上, 由极值原理, 041min min ),(00>=>MM r g M M g πΓΓ, 即 041),(0MM r M M G π<.0,0),(,,00=>Γ∃≠∀ΓΓG G M M M 而使得充分小球面为半径的以为球心以εεεε.0min ),(G 0=>⇒G M M G εεΓΓΓΓ 所围的区域内调和与在由4) .),(),(),(211221中不重合的两点为ΩM M M M G M M G =事实上,.),(),(),(),(,,,,2121212121内调和在与则所围区域与、由使得充分小为半径的球面以为球心、分别作以εεεεεεεεΩΓΓΓΩ∈ΓΓ≠∀M M G M M G M M M M M M ⎰⎰⎰-=εΩ∆∆dx M M G M M G M M G M M G )),(),(),(),((01221⎰⎰∂∂-∂∂=21)),(),(),(),((1221εεΓΓΓ dSn M M G M M G n M M G M M G ⎰⎰∂∂-∂∂=ΓdS n M M G M M G n M M G M M G )),(),(),(),((1221⎰⎰∂∂-∂∂+1)),(),(),(),((1221εΓdSn M M G M M G n M M G M M G⎰⎰∂∂-∂∂+2)),(),(),(),((1221εΓdS nM M G M M G n M M G M M GIII II I ++=).,(lim ),,(lim 0,120210M M G M M G -===→→III II I εε易知4.2 静电源像法当区域具有某种对称性时,感应负电荷产生的电位 可以用在相应的对称点放置的假想负电荷产生的电位 来取代------这种求Green 函数的方法称为静电源像法. 1. 上半空间的Green 函数{};41,0z z)y,(x,00MM r M M π点产生的电位为它对单位正电荷处放中的点在上半空间>),,,(0),,,(00011000000z y x M M z M z y x M M -===的对称点关于平面则设141,1MM r M M π-产生的电位为则它对放单位负电荷在104141),(0MM MM r r M M G ππ-=⇒ ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++-+---+-+-=202020202020)()()(1)()()(141z z y y x x z z y y x x π⎩⎨⎧=>==),()0(0Dirichlet 0y x f u z u z ∆ 问题考虑, dxdy z G y x f z y x u z 0000),(),,(=∞+∞-∞+∞-⎰⎰∂∂= []⎰⎰∞+∞-∞+∞-+-+-=232020200)()(),(2z y y x x dxdy y x f z π. ),(),,(],1ln 1[ln 21),(Green .00110000010y x M M y x M M r r M M G MM MM -==-=其中函数为上半平面的注π⎰∞+∞-=+-=⎪⎩⎪⎨⎧=>=∆2200000)()(),()()0(0Dirichlet y x x dxx f y y x u x f u y y π的解为问题2. 球的Green 函数 ,),0( ,),0(10M R B R B M 反演点为的它关于球面内的一点为球设∂=Γ 210R r r O M O M =⋅.441,,1010MM MM r qr M q M M ππ与产生的电位分别为它们对单位负电荷放在放单位正电荷在.,441100Γ∈=⇒P r qr PM PM 其中消这两个电位在球面上抵ππ 00100,OM PM PM r R r r q ===⇒ρρ其中)1(41),(1000MM MM r Rr M M G ρπ-=⇒⎩⎨⎧=<==fu R r u R r )(0Dirichlet ∆问题考虑2101221022001cos 2,cos 2,cos ),cos(,,101R G nGr r OM OM r r RMM MM OM OM =∂∂=∂∂-+=-+=====Γρρργρρρργρρρργρρρ及并注意到则记⎰⎰-+-=⇒ΓdS f R R R R M u 2302022020)cos 2(41)(γρρρπ ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≤<≤≤≤≤⎪⎩⎪⎨⎧===R z y x ρπϕπθθρϕθρϕθρ0200cos sin sin cos sin 利用球坐标变换 )Poisson (sin ),,()cos 2(4),,(2023020222000公式⎰⎰-+-=ππϕθθϕθγρρρπϕθρd d R f R R R R u)cos ,sin sin ,cos (sin )cos ,sin sin ,cos (sin 1.000000ϕϕθϕθθϕθϕθ的方向余弦为的方向余弦为注OM OM)cos(sin sin cos cos cos 000ϕϕθθθθγ-+=⇒ ]ln 1[ln 21),( Green 2.1000MM MM r Rr M M G ρπ-=函数为园的注 )P o i s s o n ()()c o s (221),(D i r i c h l e t 20002022200公式问题的解为相应的⎰--+-=πθθθθρρρπθρd f R R R u。
数理方程第4讲-课件
13
设函数u(x,y,z)和v(x,y,z)在+ 上具有一阶连 续偏导数, 在 内具有连续的所有二阶偏导数,
在(4.6)中令 Puv,Quv,Ruv, x y z
则有
(u2v)dV uxvxuyyvuzvzdV
unvdS,
14
(u2v)dV uxvxuyyvuzvzdV unvdS,
u|=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.
4
§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: 在区域内找一个调和函数, 它在边 界上的值为已知.
题的解是惟一的. 如果不具有这个条件, 外
问题的解可能不惟一, 例如, 在单位球面
外求调和函数, 在边界上满足 u| =1, 容易看
出, u1(x, y, z) 1及u2 (x, y, z)
1
都
x2 y2 z2
在单位球外满足拉普拉斯方程, 并且在单位
球面 上满足上述边界条件.
对于二维拉氏方程, 外问题在无穷远点的条
5
(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), 它在内部的区域中是调和函数,
在+上连续, 在上任一点处法向导数 u
n 存在, 并且等于已知函数 f 在该点的值:
u f ,
(4.2)
n
这里 n 是的外法向矢量.
高等数学与工程数学课件第四章导数应用.ppt
思考题 1.极值点与驻点的关系是什么? 2.说明极值与最值的区别. 3.极值存在的必要条件是什么?
答案 答案 答案
课堂练习题 1.求y = x2 2x 3的极值.
2.求出y x4 2x2 1的全部驻点.
答案 答案
第三节 函数的最大值和最小值
在工农业生产和科学实验中，常要遇到在一定条件下，怎 样用料最省、效率最高或性能最好等问题，这些问题归纳到 数学上，即为函数最大值或最小值问题.
在x 0处无极值以上三题中都有y'x0 0, y''x0 0,所以说情形(3)失 效,失效时必须用定理2来判定驻点是否为极值点.
例2 求函数f (x)(x2 1)3 1的极值.
解 因为f '(x) 6x(x2 1)2,令f '(x) 0,得驻点x 1,x 0,x 1
所以f ''(x) 6(x2 1)2 6x2(x2 1)2x 6(x2 1)(5x2 1). 又因为f ''(0)60,所以函数f (x)在x 0处取得极小值为f (0)0.
0
0
可导, 如果
(1)当x x0时, f '(x)0;当x x0时; f '(x)0,则函数f (x) 在点x0处取得极大值f (x0);
(2)当x x0时, f '(x)0;当x x0时; f '(x)0,则函数f (x) 在点x0处取得极小值f (x0);
(3)当x从x0时的左侧变化到右侧时, f '(x)不变号,则f (x) 在x0处无极值.
定理 设函数y f (x)在(a,b)内可导,若f '(x)0,x(a,b)则f (x)在 (a,b)上为增函数;若f '(x)0,x(a,b)则f (x)在(a,b)上为减函数.( 一阶导数符号和函数单调性是否为充要条件?)
初等代数研究第四章方程和方程组9.19课件
号，而是用算筹将 x, y, z 的系数和常数项排列成一个（长）
– 研究高次方程的解法伽罗华理论，关于群、环、域的近世 代数
– 研究多元一次方程组矩阵理论，线性代数
– 方程与微积分结合微分方程和积分方程
– Newton说：要想解一个有关数量的问题，只要把问题里的日 常语言翻译成代数语言就成了。
通过已知数量求未知数量，通过已知的前提推证未知的结论，
这是科学的基本任务，也是方程的基本内容
a ωi（i=0，1，2）是原方程的三个根。
13
§4.3 整式方程
一、一元三次、四次以及高次方程
一般三次方程的解法
设有一般三次方程 ax3 bx2 cx d 0(a 0) ，
取 x y b ，整理得到 3a
ay 3
b2 (
c)y
(
2b 3
bc d) 0
①
3a
27a 2 3a
第四章 方程和方程组
§1 方程（组）的概念 §2 方程（组）的同解性 §3 整式方程 §4 分式方程和无理方程 §6 方程组
2021/7/26
1
§4.1 方程（组）的概念
0．方程发展简史
公元前 1700 年时期古埃及数学著作《兰德纸草书》记载：一
个量，加上它的 1 ，等于 19，求这个量。另一部古埃及数学著作 7
要求
3uv
p
0
，则变为
3uv u3 v3
数理方程课件四
浙江大学数学系 华中科技大学数学系 3
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂u ∂u a11 2 + 2a12 + a22 2 + b1 + b2 + cu = 0 ∂x ∂x∂y ∂y ∂x ∂y （1） ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u * ∂u * ∂u * * * * + a22 2 + b1 + b2 +c u = 0 a11 2 + 2a12 ∂ξ ∂ξ∂η ∂η ∂ξ ∂η （2）
（4）
的特解，则关系式 ϕ ( x, y ) = C 是常微分方程
a11 ( dy ) 2 − 2 a12 dxdy + a 22 ( dx ) 2 = 0
的一般积分。反之亦然。
（5）
由此可知，要求方程（4）的解，只须求出常微 分方程（5）的一般积分。
浙江大学数学系 华中科技大学数学系 7
称常微分方程（5）为PDE（1）的特征方程。 特征方程。 特征方程
2 a 12 − a 11 a 22 a 11
右端为两相异 的实函数
它们的一般积分为 ϕ ( x, y ) = C ,
ξ = ϕ ( x , y ) 由此令 η = ψ ( x , y )
ψ ( x, y ) = C
，方程（1）可改写为 双曲型方程的 第一标准型
∂ 2u ∂u ∂u = A + B + Cu ∂ξ∂η ∂ξ ∂η
数理方程4
式中第一个方程由自然边界条件 Φ (ϕ
+ 2π ) = Φ (ϕ ) 构成本征值和本征函数
λ = m (m = 0,1,2,⋯) Φ(ϕ) = Acos mϕ + Bsin mϕ
2
第二个方程可以改写为
解：设分离变量形式的试探解
u (r ,θ , ϕ ) = R(r )Y (θ , ϕ )
代入方程得到
Nanjing University of Posts and Telecommunications
∂ ∂Y Y ∂ 2 ∂R R r + 2 sin θ 2 r ∂r ∂r r sin θ ∂θ ∂θ
d 2R dR 2 x +x − ( x 2 + n 2 ) R = 0 n阶虚宗量贝塞尔方程 dx 2 dx
Nanjing University of Posts and Telecommunications
三、亥姆霍兹方程 (a)、三维波动方程为: (a)、三维波动方程为: utt 设分离变量解为: 设分离变量解为:
二、贝塞尔方程的导出
拉普拉斯方程： 在柱坐标系下解 拉普拉斯方程： ∇
2
u = 0
1 ∂ ∂u 1 ∂ 2 u ∂ 2 u ρ + 2 =0 ∂ρ + 2 2 ρ ∂ρ ∂z ρ ∂ϕ
分离变量得 u( ρ , ϕ , z) = R( ρ )Φ(ϕ )Z ( z)
ρ 2 d 2 R ρ dR ρ 2 d 2 Z R d ρ 2 + R d ρ + Z dz 2 = λ λ = n 2 , n = 0,1,2,⋅ ⋅ ⋅ Φ′′ + λΦ = 0 ⇒ Φ n = an cos nϕ + bn sin nϕ Nanjing University of Posts and Telecommunications
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1、 在闭域Ω＋Г(Ω)上连续； 2、 在Ω内有二阶连续偏导数；
2 2 2 u u u 3、 满足拉普拉斯方程 2u 2 2 0 2 x y z 4、 u f
调和函数
• 具有两阶连续偏导数的且满足拉普拉斯方程
的连续函数
• 狄氏问题就是在Ω内找到一个调和函数u，且
已经学过的偏微分方程解法
• 行波法
• 分离变量法
• 特征函数法 • 积分变换法 • 冲量法 • 转换法
• 特解法
分离变量法 2 2类边界条件的振动、热传导及矩形域拉氏问题
n 2 特征值n ( ) 0特征函数 l n 0,1, 2,....
2 n
n X n ( x) cos x l n 0,1, 2....
K M0
1 1 v ln ln r ( x x0 )2 ( y y0 ) 2
1 1 1 u ( M ) u(M 0 ) u ( M ) (ln ) (ln ) ]ds 2 n rM 0 M rM 0 M n
rM 0 M ( x x0 )2 ( y y0 )2
0
1 1 u( M ) [u( M ) ( ) ]dS 4 u( M 0 ) n rM0 M rM0 M n
调和函数的积分表达式
1 u(M 0 ) 4 1 1 u ( M ) [u ( M ) ( ) ]dS n rM 0 M rM 0 M n
点M0到点M的距离
调和函数的边值性质
v u (u v v u )dV (u v )dS n n u 取u为调和函数，V＝1，则 dS 0 n
2 2
牛曼内问题有解的必要条件为，f满足
f dS 0
充分必要条件
平均值公式
拉普拉斯方程解的唯一性
r (r r )0
x
P
y
三维空间拉氏方程的基本解
求解得
C1 u C2 r
1 u (r 0) r
拉普拉斯方程的基本解
• 2 二维平面的拉氏方程基本解
与三维问题类似，首先建立极坐标系下的二维拉氏方程
) 求其圆对称解 u u (r（解只 与半径有关，与角度无关）可得到
平面拉氏方程的基本解 求解得
P Q R dV x y z dS P cos( n , x ) Q cos( n , y ) R cos( n , z )
v (u v)dV ( gradu gradv)dV u dS n
u
f
第二边值问题（牛曼问题）
• 在某光滑的闭曲面Г上给定了连续函数f， • u（x，y，z）满足：
1、在Г内部的区域Ω中是调和函数；
2、在闭域Ω＋Г上连续； 3、在Г上任一点处的法向导数存在，且
u n
f
内问题
• 在边界上给定某些边界条件，在区域内
部求拉普拉斯方程的解
狄氏问题 牛曼问题
域内点M0的值可以用边界上的条件求得
调和函数在区域内任一点的值用调和函数及其 在区域边界处的法向导数沿边界的积分来描述
对于泊松方程
F
域内点M0的值可以用边界上的条件求得
二维平面调和函数的积分表达式
(u v v u )dS
2 2
v u (u v )ds n n
将三维空间拉氏方程用球坐标系表示
1 2 u 1 u 1 u ( r ) (sin ) 0 2 2 2 2 2 r r r r sin r sin
2
z
A
x
r
M ( x, y, z )
z
o
y
求其球对称解 u u (r（解只 与r有关，与角度无 ) 关）可得到 2 u
外问题
• 在区域外部求调和函数且满足边界条件 • 在求解外问题时，常常附加一下条件：
lim u( x, y, z ) 0
r
r x y z
2 2
2
lim u 0 有界 r
r x2 y 2
狄氏外问题（以三维空间为例）
牛曼外问题
拉普拉斯方程的基本解
• 1 三维空间的拉氏方程基本解
（4.5）
要解决拉普拉斯方程的狄氏或牛曼问题，需
u 要把 n
或u消去，引入格林函数的概念。
格林函数
在第二格林公式中，取u，v均为Ω内的调和函数， 且在Ω＋Г上有连续的一阶偏导数，则得到 v u 2 2 (u v v u )dV (u v )dS n n
2
v (u v)dS u ds ( gradu gradv)dS n v u 2 2 ( u v v u ) dS ( u v ) ds n n
2
平面域
调和函数的基本性质
• 调和函数的积分表达式
研究调和函数在区域内任一点M0点的值
(4.1)
边界 外法向的方向余弦
格林公式
• 设 u ( x, y , z ) ， v( x, y, z ) 在 具有一阶连续
偏导数，在 内具有连续的二阶偏导数
v v v P u ,Q u , R u x y z
格林公式
v v v P u ,Q u , R u x y z
u (c0 d0 y ) (cn e n y d n e n y ) cos n x
n 1
分离变量法 2 2类边界条件的（环）扇形域拉氏问题
特征值 n (
n
) Βιβλιοθήκη 02特征函数 n ( ) cos
n
n 0,1, 2,....
扇形域拉氏问题
u C1 ln r C2
1 u ln (r 0) r
• 三维拉普拉斯方程的基本解
1 1 v r ( x x0 )2 ( y y0 ) 2 ( z z0 ) 2
• 二维拉普拉斯方程的基本解
1 1 v ln ln r ( x x0 )2 ( y y0 ) 2
v 1 1 1 u u[ ( )] ( v) n 4 n rM 0 M 4 rM 0 M n
dS
1 u u ( M 0 ) ( v) dS Gf dS 4 rM 0 M n
格林函数
定义 G( M , M 0 )
1 G ( M , M 0 ) 4 r MM 0 G(M , M 0 ) 0
2 2
1 ( ) 1 u r u dS n r n
1 1 ( ) ( ) r r 1 n r 2
1 ( ) 1 2 1 u 2 1 r (u u )dV u dS r r n r n K
n 0,1, 2....
扇环域拉氏问题
数理方程中的定解问题反映了物理现象中一种 特定的场和产生这种场的源之间的关系。
如果能够找到一个点源所产生的场，利 用叠加的方法就可以算出任意源的场
格林函数
第四章 拉普拉斯方程的格林函数法
• §4.1 拉普拉斯方程边值问题的提法
• §4.2 格林公式
• §4.3 格林函数 • §4.4 两种特殊区域的格林函数及狄氏
空间域 v
1 1 v G ( M , M 0 ) 2 ln r MM 0 G(M , M 0 ) 0
平面域
拉普拉斯方程的格林函数
2
v (u v)dV u dS ( gradu gradv)dV n
2
(4.2)
第一格林公式
格林公式
• 将（4.2）中的u，v交换位置，得到
u (v u )dV v dS ( gradv gradu )dV n
u v 0 (v u )dS n n
（4.6）
1 u(M 0 ) 4
1 1 u ( M ) [u ( M ) ( ) ]dS n rM 0 M rM 0 M n
（4.5）
格林函数
（4.5）－（ 4.6 ）得到： v 1 1 1 u u ( M 0 ) u[ ( )] ( v) n 4 n rM 0 M 4 rM 0 M n
2
(4.3)
（4.2）与（4.3）相减，得到
v u (u v v u )dV (u v )dS n n
2 2
(4.4)
第二格林公式
格林公式
v (u v)dV u dS ( gradu gradv)dV n 空间 域 v u 2 2 (u v v u )dV (u v )dS n n
4.2 格林公式
• 奥－高公式
Q( x, y, z )
P ( x, y , z ) Q ( x , y , z ) R ( x, y , z )
在 上连续，在 内具有
一阶连续偏导数
P Q R dV x y z dS P cos( n , x ) Q cos( n , y ) R cos( n , z )
1 v 4 rM 0 M
dS
1 u ( M 0 ) u ( v)dS n 4 rM 0 M
对狄氏问题
1 G(M , M 0 ) v 4 rM 0 M
u ( M 0 )
G f dS n