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§31建立方程定解条件
* 由此得R, ?满足的常微分方程: 由周期性条件(4)得: 固有值问题的讨论: 得固有值问题: (5) * (6) * 因此 是满足方程(1)和自然边界条件(3)以及周期性条件 (4)的解。 由叠加原理,满足(1)(3)(4)的解可表为: * 代入边界条件(2)得: 故 * 代入级数得: 证明 * * 设对于(某一集合内的)任意一个函数y(x), 有另一个数J[y]与之对应, 则称J[y]为y(x)的泛函. 泛函的概念 * 可以仿照函数极值必要条件的导出办法,导出泛函取极值的必要条件. 泛函的极值 * 对泛函求极值的问题称为变分问题; 使泛函取极值的函数称为变分问题的解或极值函数。 变分法基本引理 如果函数 满足 则在?中 。 * 对于函数 容易验证 于是有 这与假设u满足条件(a)矛盾. 证毕. 上页 下页 返回 * §1 建立方程、定解条件 方程的导出 定解条件和定解问题 变分原理 分离变量法 * 1.方程的导出 本章研究调和方程(又称拉普拉斯方程) 以及泊松方程 的基本定解问题及解的性质。 (1.1) (1.2) * (1) 引力位势 经计算可得: * 直接计算可得: 还可进一步验证: * 拉普拉斯(Laplace) (1749-1827) 法国分析学家、概率论学家和物理学家,法国科学院院士。 1784~1785年,他求得天体对其外 任一质点的引力分量可以用一个势函 数来表示,这个势函数满足一个偏微分方程,即著名的拉普拉斯方程。 * 泊松(Possion) (1781-1840) 法国数学家、几何学家和物理学家。 1798年入巴黎综合工科学校深造。1806年任该校教授,1812年当选为巴黎科学院院士。 对积分理论、行星运动理论、热物理、弹性理论、电磁理论、位势理论和概率论都有重要贡献 * (2) 静电场的电位势 应用高斯公式,上式可改写为: E是电场强度矢量,n是单位外法向量, ?是电荷密度 : * 由区域G的任意性得: 静电场方程 由于静电场是有势场,因而存在电势u, 从而静电场的电势u应当满足泊松方程 如果静电场的某一区域里没有电荷,即? = 0,则 静电场方程在该区域上简化为拉普拉斯方程 * (3) 稳定温度分布 * 2.定解条件和定解问题 (1) 第一边值问题(Dirichlet问题) (2) 第二边值问题(Neumann问题) * (3) Dirichlet外问题 (4) Neumann外问题 注:当考虑外问题时,为保证解的唯一性,还需对解在无穷远的状况加以限制。在三维情形,通常要求: * 其它边界条件 (5) 第三类边界条件 (6) 等值面边界条件 (总流量边界条件) * 3.变分原理 膜的平衡问题: * * 外力作功 - = 总势能 应变能 弹性体受外力作用发生变形, 变形中克服内力(即弹性体各质点间的约束力)所作的功, 作为能量储存在弹性体内部, 称为弹性势能或应变能. * 即: * (1) 问题2的解答: * * * (3) * (5) (4) 即 * * 4.分离变量法求解Laplace方程 (1) 矩形区域上Laplace方程的第一边值问题 代入方程(1)得: 分离变量: * 由此得 X,Y 满足的常微分方程: 由边界条件(2)知: 得固有值问题: 解之得: * 通解为 其中Ak,Bk为任意常数。 因此 是满足方程(1)和边界条件(2)的解。 * 叠加所有的Uk ,即 代入边界条件(3),得: 由特征函数系的正交性,即 * 得系数公式 解得: * (2) 圆形区域上Laplace方程的第一边值问题 * (3) (4) 即: 上页 下页 返回
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