数学 偏微分方程

基本解

整理 Laplace 方程的基本解、Green 公式与解的积分表示。

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基本解与 Green 函数 #

定义

如果 U∈Lloc(Rn)U\in L_{loc}(\mathbb{R}^n) 在广义函数意义下满足

−ΔU=δ(x−ξ),x,ξ∈Rn-\Delta U=\delta(x-\xi),\quad x,\xi\in\mathbb{R}^n

即对任意 φ∈D(Rn)\varphi\in\mathscr D(\mathbb{R}^n), 有

∫⋯∫RnU(−Δφ)dx=φ(ξ)\int\cdots\int_{\mathbb{R}^n} U(-\Delta\varphi)\text{d} x=\varphi(\xi)

则称 UU 为 nn 维 Laplace 方程的一个基本解, 记为 Γ(x;ξ)\Gamma(x;\xi).

Γ(x;ξ)={12πln⁡1∣x−ξ∣,n=21(n−2)ωn⋅1∣x−ξ∣n−2,ωn=2πn/2Γ(n/2),n⩾3\Gamma(x;\xi)=\begin{cases} \frac{1}{2\pi}\ln\frac{1}{|x-\xi|}, & n=2\\ \frac{1}{(n-2)\omega_n}\cdot\frac{1}{|x-\xi|^{n-2}}, & \omega_n=\frac{2\pi^{n/2}}{\Gamma(n/2)}, n\geqslant 3 \end{cases}

下面的讨论以 n=2n=2 为例.

定理 Green 公式

设 ∂Ω\partial \Omega 分段光滑, u,v∈C2(Ω)∩C1(Ω‾)u,v\in C^2(\Omega)\cap C^1(\overline{\Omega}), 则有以下 Green 公式

∬Ω(uΔv−vΔu)dxdy=∫∂Ω(u∂v∂n⃗−v∂u∂n)dl\iint_{\Omega}(u\Delta v-v\Delta u)\text{d} x\text{d} y=\int_{\partial \Omega}\left(u\frac{\partial v}{\partial \vec n}-v\frac{\partial u}{\partial n}\right)\text{d} l

其中 ∂u∂n⃗=∇u⋅n\frac{\partial u}{\partial \vec n}=\nabla u\cdot n.

定理

设 ∂Ω\partial\Omega 分段光滑, u∈C2(Ω)∩C1(Ω‾)u\in C^2(\Omega)\cap C^1(\overline{\Omega}), 则

u(ξ,η)=−∬ΩΓ(x,y;ξ,η)Δu(x,y)dxdy+∫∂Ω[Γ(x,y;ξη)∂u(x,y)∂n⃗−∂Γ(x,y;ξ,η)∂n⃗u(x,y)]dl.u(\xi,\eta)=-\iint_\Omega \Gamma(x,y;\xi,\eta)\Delta u(x,y)\text{d} x\text{d} y+\int_{\partial\Omega}\left[\Gamma(x,y;\xi\eta)\frac{\partial u(x,y)}{\partial\vec n}-\frac{\partial\Gamma(x,y;\xi,\eta)}{\partial\vec n}u(x,y)\right]\text{d} l.

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