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偏微分方程(PDE)就是指含有偏导函数(partial
Chapter 2 Introduction to Partial Differential Equations
偏微分方程式(PDE)就是指含有偏導函數(partial derivatives)的方程式,在常微分方程式(ODE)中,未知函數只是單變數函數,而在PDE中,未知函數則為多變數函數。在實際的工程或物理問題中,所欲分析的物理量(即未知函數)常受到不只一個變數的影響,所以一般多以PDE來表示。
2.1 PDE的分類
(a) 以階數(order)區分:PDE的階數為方程式中的最高偏導函數的階數。例如,為2階PDE,為1階PDE,為3階PDE。
(b) 以是否線性(linearity)區分:若PDE中的相依變數(即未知函數)及其偏導函數均為一次方(無乘方)且無彼此相乘的情況,則稱為線性PDE,反之為非線性PDE。例如,
(1)
其中A, B, C, D, E, F, G為常數,或x, y的函數。(1)式為線性的2階PDE。而為非線性之PDE。
(c) 以是否齊性區分:以(1)式為例,G = 0時為齊性,G ≠ 0時為非齊性。
(d) 以係數類型區分:分為常係數與變係數之PDE。
(e) 所有像(1)式之線性PDE均可分為三大類型:
當B2-4AC = 0,為拋物線型(parabolic),如熱方程式。
當B2-4AC 0,為雙曲線型(hyperbolic),如波動方程式。
當B2-4AC 0,為橢圓型(elliptic),如勢能方程式。
此種區分方式與二次曲線的分類概念相似,其原理此處暫不詳述,將於後續章節說明。
此外,在數學物理上有三個重要的典型PDE:波動方程式(wave equation),熱方程式(heat equation),勢能方程式(Laplace’s equation or potential equation),此亦即傳統PDE課程所探討之主要課題。
2.2 PDE的解法
PDE的解法可分為解析法與數值方法,本課程將僅針對解析法做介紹。
(a) 解析法:
分離變數法(separation of variables)
特徵函數展開法(eigenfunction expansion)
積分變換法(integral transforms)
座標轉換法
其他方法(略)
(b) 數值方法:
有限差分法(finite difference method)
有限元素法(finite element method)
其他方法(略)
偏微分方程式的問題,除了隨物理現象的不同而產生不同的控制方程式外,更會隨邊界條件及初始條件的改變而改變,且解法也不相同,接下來的3節將先介紹前述三大方程式的物理意義及相關的一維問題類型,至於PDE的解法將於後續章節介紹。
2.3 波動方程式的推導與問題類型
2.3.1 公式推導:
(Show details in the class.)
2.3.2 問題類型
茲就若干代表性之問題及其物理意義列於表一:
表一、與波動方程式有關之問題類型
PDE
B. C.
I. C.
物理意義
(x 0, t 0)
u(0, t) = 0
u(x, 0) = f(x)
ut(x, 0) = g(x)
一端固定之半無限長的繩索,在無外力作用下振動。
u(0, t) = h(t)
一端可移動之半無限長的繩索,在無外力作用下振動。
ux(0, t) = 0
一端無限制力之半無限長的繩索振動,且無外力作用。
(0 x L, t 0)
u(0, t) = 0
u(L, t) = 0
兩端固定之長度為L的繩索,在無外力作用下振動。
ux(0, t) = 0
ux(L, t) = 0
兩端無限制力之長度為L的繩索,在無外力作用下振動。
ux(0, t) + hu(0, t) = 0
ux(L, t) + hu(L, t) = 0
(h為一常數)
兩端接有彈簧之長度為L的繩索,在無外力作用下振動。
(-∞ x ∞, t 0)
無
無限長的繩索在外力F作用下振動。
(-∞ x ∞, t 0, h 0)
(damped wave equation)
無
無限長的繩索在回復力(-hu)與外力F作用下振動。
2.4 熱方程式的推導與問題類型
2.4.1 公式推導:
(Show details in the class.)
2.4.2 問題類型
茲就若干代表性之問題及其物理意義列於表二:
表二、與熱方程式有關之問題類型
PDE
B. C.
I. C.
物理意義
(0 x L, t 0)
u(0, t) = 0
u(L, t) = 0
u(x, 0) = f(x)
長度L的棍子起始溫分布為f(x),且兩端溫度均保持為零度。
ux(0, t) = 0
ux(L, t) = 0
長度L的棍子起始溫
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