數(shù)學物理方程5格林函數(shù)法課件

1、 第5章 Green 函數(shù)法 數(shù)學是科學的大門和鑰匙，忽視數(shù)學必將傷害所有的知識，因為忽視數(shù)學的人是無法了解任何其他科學乃至世界上任何其他事物的。 （英）R .培根 利用格林函數(shù)法求解一些平面或空間區(qū)域上位勢方程狄利克雷問題。 介紹利用格林函數(shù)法求解一維熱傳導方程和波動方程半無界問題本章中心內容 格林（Green）函數(shù)，又稱為點源影響函數(shù)， 是數(shù)學物理中的一個重要概念格林函數(shù)代表一個點源在一定的邊界條件下和初始條件下所產(chǎn)生的場知道了點源的場，就可以用疊加的方法計算出任意源所產(chǎn)生的場 格林函數(shù)法是解數(shù)學物理方程的常用方法之一 5.1 Green公式 在研究Laplace方程和Poisson方程邊

2、界問題的時候，要經(jīng)常利用格林公式，它是高等數(shù)學中Gauss公式的直接推廣。設為中的區(qū)域，充分光滑。設k為非負整數(shù)，以下用表示在上具有k階連續(xù)偏導的實函數(shù)全體，表示在上具有k階連續(xù)偏導的實函數(shù)全體。如表示在具有一階連續(xù)偏導數(shù)上連續(xù)。如將簡記為，簡記為或，等等。設和，則如下的高斯公式或者如果引入哈密爾頓（Hamilton)算子：并記F=(P,Q,R),則Gauss公式具有如下簡潔性式其中為的單位外法向量。注1哈密爾頓算子是一個向量性算子，它作用于向量函數(shù)F=(P,Q,R)時，其運算定義為形式上相當于兩個向量作點乘運算，此即向量F的散度divF。而作用于數(shù)量函數(shù)f(x,y,z)時，其運算定義為形式上

3、相當于向量的數(shù)乘運算，此即向量函數(shù)的梯度grad、設在(3)式中取得直接計算可得將(5)式帶入到(4)式中，并整理得其中(6)式稱為格林第一公式將（6）中函數(shù)u、v的位置互換，得（6）-（7），得（8）稱為格林第二公式。 設，點，。引入函數(shù)，注意是關于六個變元和的函數(shù)，且又兩邊對x求偏導，得即所以對（*）再對x求偏導，得整理，得由對稱性，得所以即在中除點外處處滿足拉普拉斯方程。 設充分小使得記，則，在格林第二公式中，令，注意到，則有或在球面上，有或因此其中-積分中值定理 同理可得其中-積分中值定理 將（10）和（11）帶入到（9），得到令此時有并且區(qū)域G趨向于區(qū)域，所以可得即（12）稱為格林第

4、三公式。 注2 在二維情況中，格林第一公式和格林第二公式也成立。而對于格林第三公式，需要取格林第三公式，需要取此時，格林第三公式也成立。5.2 Laplace 方程基本解和Green函數(shù) 基本解做研究偏微分方程時起著重要的作用。這里首先介紹拉普拉斯方程的基本解，并做一些特殊區(qū)域上由基本解生產(chǎn)格林函數(shù)，由此給出相應區(qū)域上的拉普拉斯方程或泊松方程邊值問題的解的表達式。5.2.1 基本解 設，若做點放置一單位正電荷，則該電荷在空間產(chǎn)生的點位分布為（舍去介電常數(shù) ） 電場中某點的電位是指在電場中將單位正電荷從該點移至電位參考點時電場力所做的功。上節(jié)已證在廣義函數(shù)意義下，其中三維拉普拉斯方程的通解為：如

5、果取就得到一個重要的特解，前面記作，與點選擇有關。稱為三維拉普拉斯方程的基本解。 當n=2時，二維拉普拉斯方程的基本解為其中。有在廣義函數(shù)意義下，5.2.2 格林函數(shù) 考慮如下定解問題設為上述問題的解，則由格林第三公式，得由定解問題（5）（6）的自由項和邊值條件，可得和而在中，在邊界上的值未知，因此須進一步處理。注 如果邊界條件改為諾依曼條件，即定解問題變?yōu)橛筛窳值谌?，得須做進一步處理。 如何由格林第三公式得到定解問題（5）（6）的解？主要是如何消去。-構造格林函數(shù)。 設h為如下定解問題的解在格林第二公式中，取v=h，得或則（7）+（10）得其中由及可知，是如下定解問題的解稱為拉普拉斯方程在區(qū)域上的格林函數(shù)。 由于G在上恒為0，又可得因此，若求出了區(qū)域上的格林函數(shù)，則便是定解問題的解。5.3 半空間及圓域上的Dirichlet問題 由前面的分析，我們可以看出，只要求出了給定區(qū)域上的格林函數(shù)，就可以得到該區(qū)域泊松方程狄利克雷問題的解。對一般區(qū)域，求格林函數(shù)并非易事。但對于某些特殊區(qū)域，可有一些方法。5.3.1 半空間上的狄利克雷問題 設考慮定解問題 設，則為關于的對稱點。若在兩點各放置一個單位正電荷，則由三維拉普拉斯方程的基本解得知，它們做空間產(chǎn)生 點位分別為其中。由于關于對稱，且，則有即為上半空間的格林函數(shù)，且有直接計算可得又例1 求解下列定解問題解：例2 求解下列定解問題解