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3.2高维波动方程的初值问题*3.2.1三维波动方程的基尔霍夫公式上节我们讨论了一维波动方程的初值问题,得到了达朗贝尔公式。对于三维波动方程,可用球面平均法形式地推出解的表达式。这表达式通常被称为基尔霍夫公式。现在,我们考察三维波动方程的初值问题(27)(28)其中与为已知函数。(27)(28)首先,任意固定点表示以为球心,为半径的球面。利用球坐标,则球面上的点用表示球面的单位外法向,则球面上的点可简单记作同时也可被看成单位球面上的点。因此,我们也记球面上的微元为球心,此外,记表示以为球心,为半径的球体,则在上的体积分用球坐标可表示为现在引进的球面平均数对上式两边对取极限得0102微积分里面的奥-高公式03其中04为简单闭曲面05外法向。06所围成的区域,07是08的单位09可写成散度形式100102微积分里面的奥-高公式写成散度形式为03其中04为简单闭曲面05外法向。06所围成的区域,07是08的单位09现将方程(27)两边在10上积分得11微积分里面的奥-高公式写成散度形式为其中为简单闭曲面外法向。所围成的区域,是的单位现将方程(27)两边在上积分得微积分里面的奥-高公式写成散度形式为其中为简单闭曲面外法向。所围成的区域,是的单位现将方程(27)两边在上积分得另一方面,利用*AB则有C0102于是03两边对04求导得05因此可得06的通解为07其中08为二阶可微函数。09上式两端分别对求导得上面的两式中,令得在(29)(30)式中取得在上式中取并代入可得0103020405010203当初始函数足够光滑时,容易验证,由公式(31)04所表示的函数05确实是问题(27)(28)的解。0607三维波动方程的泊松公式0201030405求下列初值问题的解例1由公式(31)得解例101求下列初值问题的解02解03由公式(31)得04053.2.2降维法*用降维法求解二维波动方程的初值问题由于可把二维波动方程的初值问题看做是三维波动方程初值问题的特殊情况,故可用三维波动方程的泊松公式来表示二维波动方程初值问题的解,并由此导出二维问题解的表示式的另外一种形式。一种由高维问题的解引出低维问题解的方法。0102030405利用公式(31)06可得二维波动方程初值问题(32)-(34)的解为07这里的积分是在三维空间08中的球面09上10进行的。(35)(32)(33)(34)由于及都是与无关的函数,因此在球面上的积分可以化为它在平面常数上的投影上的积分。由于球面上的面积元素和它的投影平面元素之间成立着如下的关系:其中为这两个面积元素法线方向间的夹角。因此有注意到上下半球面上的积分都化成同一圆上的积分,因此,应取圆上的积分的2倍,所以0102030405上式称为二维波动方程初值问题的泊松公式。06由于积分区域07是以08为半径的圆域。09为中心,10所以我们通常采用极坐标来计算(36)式中的积分。求下列问题的解*例2由公式(36)得解01内容小结02030405三维波动方程初值问题的泊松公式13245内容小结6二维波动方程初值问题的泊松公式*(31)3.2.3解的物理意义假设初始扰动仅发生在空间某个有限域内.在区域外任取一点我们考察在点处在各个不同时刻所受到初始扰动影响的情况.我们知道解在点和时刻的值是由初值函数在球面和上的值所决定,所以只有当球面和区域相交时,(31)式中的积分才不为0,从而在区域外任取一点
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