第四章-拉普拉斯方程的格林函数法课件

第四章

拉普拉斯方程的格林函数法第四章

拉普拉斯方程的格林函数法14.1拉普拉斯方程边值问题的提法4.1拉普拉斯方程边值问题的提法24.1拉普拉斯方程边值问题的提法设满足拉普拉斯方程描述稳恒状态下的物理过程。通常表示成不存在初始条件.拉普拉斯方程的解称为调和函数4.1拉普拉斯方程边值问题的提法设31）第一边值问题狄利克雷(Direchlet)问题边界条件:2)第二边值问题纽曼(Neumann)问题4.1拉普拉斯方程边值问题的提法1）第一边值问题狄利克雷(Direchlet)问题边界条件44.2格林公式4.2格林公式54.2格林公式高斯公式：设是以光滑曲面为边界的有界区域，，，在闭域上连续,在内有一阶连续偏导数，则其中为的外法向量。高斯公式可简记为4.2格林公式高斯公式：设是以光滑6设满足令则将代入高斯公式，等式右端4.2格林公式设满足令则将代入高斯公式，等式右端4.2格林公74.2格林公式所以

第一格林公式交换的位置,有两式相减,得

第二格林公式4.2格林公式所以第一格林公式交换81)牛曼内问题有解的必要条件设u是在以为边界的区域内的调和函数,在上有一阶连续偏导数,则在第二格林公式中取u为上述调和函数,,则有.所以牛曼内问题()有解的必要条件为函数f

满足事实上,这也是牛曼内问题有解的充分条件.4.2格林公式1)牛曼内问题有解的必要条件事实上,这也是牛曼内问题有9设是拉普拉斯方程定解问题的两个解，则它们的差必是原问题满足零边界条件的解.对于狄利克雷问题，v满足对于牛曼问题,v满足2)拉普拉斯方程解的唯一性问题4.2格林公式对于牛曼问题,v满足2)拉普拉斯方程解10在第一格林公式中取,由v是调和函数，可得在两种边界条件下，都有所以故在内必有,即可得，其中C为常数.4.2格林公式在第一格林公式中取,11对于狄利克雷问题,由于,故从而.结论狄利克雷问题在内的解是唯一确定的,牛曼问题的解在相差一个常数下也是唯一确定的.4.2格林公式对于狄利克雷问题,由于,故123)调和函数的积分表达式所谓调和函数的积分表达式,是指用调和函数及其在区域边界上的法向导数沿的积分来表达调和函数在内任一点的值.4.2格林公式3)调和函数的积分表达式所谓调和函数的积分表达式,是指13设是内一固定点,下面求调和函数在这一点的值.为此构造一个辅助函数可以证明函数除点外处处满足拉普拉斯方程,它称为三维拉普拉斯方程的基本解.4.2格林公式设是14为了利用格林公式，我们在内挖去的球形邻域,是其球面.在区域内及其边界上，是任意可导的。在第二格林公式中,取u为调和函数,假定它在上有一阶连续偏导数,而取,在区域上应用公式得4.2格林公式为了利用格林公式，我们在内挖去的球形邻域15在球面上

因此同理可得因此4.2格林公式在球面上因此同理可得因此16令,则于是4.2格林公式令,则17设函数在某区域内是调和函数,是内任一点,表示以为中心,为半径且完全落在内的球面,则有4.2格林公式4)平均值公式设函数在某区域内是调和函数184.3格林函数4.3格林函数194.3格林函数能不能直接提供狄利克雷问题和牛曼问题的解？调和函数的积分表达式为得到狄利克雷问题的解,必须消去,这需要引入格林函数的概念.4.3格林函数能不能直接提供狄利克雷问题和牛曼问题的解20设为内的调和函数并且在上有一阶连续偏导数，利用第二格林公式可得与相加得4.3格林函数设为内的调和函数并且在21如果能找到调和函数v,使得,那么上式意味着令则拉普拉斯方程的格林函数4.3格林函数如果能找到调和函数v,使得22如果能找到格林函数中的v并且它在上有一阶连续偏导数，则狄利克雷问题的解如果存在,必可以表示为类似的，泊松问题的解可以表示为4.3格林函数如果能找到格林函数中的v并且它在上有一阶连续偏导数，则狄23说明格林函数仅依赖于选取的区域,而与原定解问题中的非齐次项、边界条件无关.如果求得某个区域的格林函数,就可以解决该区域的一切狄利克雷问题.求解狄利克雷问题意义何在？4.3格林函数说明格林函数仅依赖于选取的区域,而与原定解问题中的非齐24要想确定格林函数,需要找一个调和函数v,它满足:.对于一般的区域,确定v并不容易,但对于一些特殊的区域,如半空间，球域等,格林函数可以通过初等方法得到.我们通常使用“电象法”求解。4.3格林函数要想确定格林函数,需要找一个调和函数v,它满足:25注：拉普拉斯方程的基本解称为拉普拉斯方程的基本解，其中r表示空间中两点之间的距离。三维基本解的物理意义：在处放置一单位正电荷，则它在自由空间产生的静电场的电位是4.3格林函数注：拉普拉斯方程的基本解称为拉普拉斯方程的基本解，其中r26Green函数的物理意义将上的感应电荷用一个等价的点电荷代替，使得这个“虚”的电荷和真实的点电荷一起，在内给出和原来的问题同样的解在接地的闭曲面中放上点电荷之后，在面内侧必然出现感应电荷,内任意一点的电位，就是点电荷的电位和感应电荷的电位v的叠加，Green函数=内的电位.4.3格林函数Green函数的物理意义将上的感应电荷用一个等价的点电274.4两种特殊区域的格林函数

及狄氏问题的解4.4两种特殊区域的格林函数

及狄氏问题的解28所谓电象法，就是在放置的单位正电荷，在区域外找出关于边界的象点，然后在象点放置适当电量的负电荷，由它产生的负电位与处的单位正电荷所产生的正电位在曲面上互相抵消。而和处的点电荷在内的电位就是所要求的格林函数。4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解所谓电象法，就是在放置的单位正电荷，29故和处的电荷在内的电位就是所要求的格林函数。

在区域内点放置的单位正电荷；在区域外找出关于边界的某种对称点；在点放置适当电量的负电荷，使得它产生的负电位与处正电荷产生的电位在上互相抵消。处电荷所形成的电场在的电位处电荷所形成的电场在的电位4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解故和处的电荷在内的电位就是所要求的格30?点的位置点放置的负电荷的电量在区域内点放置的单位正电荷在区域外找出关于边界的某种对称点在点放置适当单位的负电荷，使得它产生的负电位与处正电荷产生的电位在上互相抵消。关于边界的某种对称点4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解?点的位置在区域内点放置的单位正电311)半空间的格林函数求解拉普拉斯方程在半空间内的狄利克雷问题，就是求函数u(x,y,z)，它满足4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解1)半空间的格林函数求解拉普拉斯方程在半空间32在点放置单位负电荷。.PM1xzyo.M0(x0,y0,z0）M.为解上述方程，首先找格林函数在点()放置单位正电荷，

问题：1.等效点电荷的位置

2.等效点电荷的电量要求：它与处的正电荷产生的电位在平面z=0上抵消电位：4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解在点放置单位负电荷。.PM1x33在点放置单位负电荷。.M0(x0,y0,z0）.P.M1xzyoM.电位：由于在上半空间内为调和函数，在闭域上具有一阶连续偏导数，得上半空间上的格林函数：4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解在点放置单位负电荷。.M0(x34由于在上半空间内为调和函数，在闭域上具有一阶连续偏导数，得上半空间上的格林函数：狄利克雷问题的解:4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解由于在上半空间内为调和函数，在闭域狄利克雷问354.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解364.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解37将上式代入到即得到原问题的解:思考:半空间x>0的格林函数及狄利克雷问题的解.4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解将上式代入到即得到原问题的解:思考:半空间x>0的格382)球域的格林函数设有一个球心在原点,半径为R的球面G,在球内任取一点M0，连接OM0并延长至点M1，使得OM0·OM1=R2,点M1称为M0关于球面的反演点。4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解2)球域的格林函数设有一个球心在原点,半径为R39在点放置单位正电荷，在点放置q单位负电荷，使这两个电荷产生的电位在球面上互相抵消P

o

R1.等效点电荷的位置

2.等效点电荷的电量确定球域的格林函数：的反演点4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解在点放置单位正电荷，在点放置q单位负电荷，使这两40故q必须不依赖于P的选取且满足：

由

∽，得即只要在点放置个单位负电荷,它形成电场的电位P

o

R4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解故q必须不依赖于P的选取且满足：由∽，得即只41具有性质:在所围的球域内部是调和函数,在上一阶连续可微,而且所以,球域的格林函数为4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解具有性质:在所围的球域内部是调和函数,所以,球42球坐标系中,P

o

R4.4格林函数及狄氏问题的解球坐标系中,PoR4.4格林函数及狄氏问题的解43利用格林函数求球内的狄氏问题：-----球的Poisson公式其中4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解利用格林函数求球内的狄氏问题：-----球的Poisson公44第四章

拉普拉斯方程的格林函数法第四章

拉普拉斯方程的格林函数法454.1拉普拉斯方程边值问题的提法4.1拉普拉斯方程边值问题的提法464.1拉普拉斯方程边值问题的提法设满足拉普拉斯方程描述稳恒状态下的物理过程。通常表示成不存在初始条件.拉普拉斯方程的解称为调和函数4.1拉普拉斯方程边值问题的提法设471）第一边值问题狄利克雷(Direchlet)问题边界条件:2)第二边值问题纽曼(Neumann)问题4.1拉普拉斯方程边值问题的提法1）第一边值问题狄利克雷(Direchlet)问题边界条件484.2格林公式4.2格林公式494.2格林公式高斯公式：设是以光滑曲面为边界的有界区域，，，在闭域上连续,在内有一阶连续偏导数，则其中为的外法向量。高斯公式可简记为4.2格林公式高斯公式：设是以光滑50设满足令则将代入高斯公式，等式右端4.2格林公式设满足令则将代入高斯公式，等式右端4.2格林公514.2格林公式所以

第一格林公式交换的位置,有两式相减,得

第二格林公式4.2格林公式所以第一格林公式交换521)牛曼内问题有解的必要条件设u是在以为边界的区域内的调和函数,在上有一阶连续偏导数,则在第二格林公式中取u为上述调和函数,,则有.所以牛曼内问题()有解的必要条件为函数f

满足事实上,这也是牛曼内问题有解的充分条件.4.2格林公式1)牛曼内问题有解的必要条件事实上,这也是牛曼内问题有53设是拉普拉斯方程定解问题的两个解，则它们的差必是原问题满足零边界条件的解.对于狄利克雷问题，v满足对于牛曼问题,v满足2)拉普拉斯方程解的唯一性问题4.2格林公式对于牛曼问题,v满足2)拉普拉斯方程解54在第一格林公式中取,由v是调和函数，可得在两种边界条件下，都有所以故在内必有,即可得，其中C为常数.4.2格林公式在第一格林公式中取,55对于狄利克雷问题,由于,故从而.结论狄利克雷问题在内的解是唯一确定的,牛曼问题的解在相差一个常数下也是唯一确定的.4.2格林公式对于狄利克雷问题,由于,故563)调和函数的积分表达式所谓调和函数的积分表达式,是指用调和函数及其在区域边界上的法向导数沿的积分来表达调和函数在内任一点的值.4.2格林公式3)调和函数的积分表达式所谓调和函数的积分表达式,是指57设是内一固定点,下面求调和函数在这一点的值.为此构造一个辅助函数可以证明函数除点外处处满足拉普拉斯方程,它称为三维拉普拉斯方程的基本解.4.2格林公式设是58为了利用格林公式，我们在内挖去的球形邻域,是其球面.在区域内及其边界上，是任意可导的。在第二格林公式中,取u为调和函数,假定它在上有一阶连续偏导数,而取,在区域上应用公式得4.2格林公式为了利用格林公式，我们在内挖去的球形邻域59在球面上

因此同理可得因此4.2格林公式在球面上因此同理可得因此60令,则于是4.2格林公式令,则61设函数在某区域内是调和函数,是内任一点,表示以为中心,为半径且完全落在内的球面,则有4.2格林公式4)平均值公式设函数在某区域内是调和函数624.3格林函数4.3格林函数634.3格林函数能不能直接提供狄利克雷问题和牛曼问题的解？调和函数的积分表达式为得到狄利克雷问题的解,必须消去,这需要引入格林函数的概念.4.3格林函数能不能直接提供狄利克雷问题和牛曼问题的解64设为内的调和函数并且在上有一阶连续偏导数，利用第二格林公式可得与相加得4.3格林函数设为内的调和函数并且在65如果能找到调和函数v,使得,那么上式意味着令则拉普拉斯方程的格林函数4.3格林函数如果能找到调和函数v,使得66如果能找到格林函数中的v并且它在上有一阶连续偏导数，则狄利克雷问题的解如果存在,必可以表示为类似的，泊松问题的解可以表示为4.3格林函数如果能找到格林函数中的v并且它在上有一阶连续偏导数，则狄67说明格林函数仅依赖于选取的区域,而与原定解问题中的非齐次项、边界条件无关.如果求得某个区域的格林函数,就可以解决该区域的一切狄利克雷问题.求解狄利克雷问题意义何在？4.3格林函数说明格林函数仅依赖于选取的区域,而与原定解问题中的非齐68要想确定格林函数,需要找一个调和函数v,它满足:.对于一般的区域,确定v并不容易,但对于一些特殊的区域,如半空间，球域等,格林函数可以通过初等方法得到.我们通常使用“电象法”求解。4.3格林函数要想确定格林函数,需要找一个调和函数v,它满足:69注：拉普拉斯方程的基本解称为拉普拉斯方程的基本解，其中r表示空间中两点之间的距离。三维基本解的物理意义：在处放置一单位正电荷，则它在自由空间产生的静电场的电位是4.3格林函数注：拉普拉斯方程的基本解称为拉普拉斯方程的基本解，其中r70Green函数的物理意义将上的感应电荷用一个等价的点电荷代替，使得这个“虚”的电荷和真实的点电荷一起，在内给出和原来的问题同样的解在接地的闭曲面中放上点电荷之后，在面内侧必然出现感应电荷,内任意一点的电位，就是点电荷的电位和感应电荷的电位v的叠加，Green函数=内的电位.4.3格林函数Green函数的物理意义将上的感应电荷用一个等价的点电714.4两种特殊区域的格林函数

及狄氏问题的解4.4两种特殊区域的格林函数

及狄氏问题的解72所谓电象法，就是在放置的单位正电荷，在区域外找出关于边界的象点，然后在象点放置适当电量的负电荷，由它产生的负电位与处的单位正电荷所产生的正电位在曲面上互相抵消。而和处的点电荷在内的电位就是所要求的格林函数。4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解所谓电象法，就是在放置的单位正电荷，73故和处的电荷在内的电位就是所要求的格林函数。

在区域内点放置的单位正电荷；在区域外找出关于边界的某种对称点；在点放置适当电量的负电荷，使得它产生的负电位与处正电荷产生的电位在上互相抵消。处电荷所形成的电场在的电位处电荷所形成的电场在的电位4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解故和处的电荷在内的电位就是所要求的格74?点的位置点放置的负电荷的电量在区域内点放置的单位正电荷在区域外找出关于边界的某种对称点在点放置适当单位的负电荷，使得它产生的负电位与处正电荷产生的电位在上互相抵消。关于边界的某种对称点4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解?点的位置在区域内点放置的单位正电751)半空间的格林函数求解拉普拉斯方程在半空间内的狄利克雷问题，就是求函数u(x,y,z)，它满足4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解1)半空间的格林函数求解拉普拉斯方程在半空间76在点放置单位负电荷。.PM1xzyo.M0(x0,y0,z0）M.为解上述方程，首先找格林函数在点()放置单位正电荷，

问题：1.等效点电荷的位置

2.等效点电荷的电量要求：它与处的正电荷产生的电位在平面z=0上抵消电位：4.4两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解在点放置单位负电荷。.PM1x77在点放置单位负电荷。.M0(x0,y0,z0）.P.M1xzyoM.电位：由于在上半空间内为调和函数，在闭域上具有一阶连续偏导数，得上半空间上的格林函