数学物理方程篇·第二章 / 2.3
圆域中的拉普拉斯方程
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12 极坐标把圆周边界变成r等于常数
在二维极坐标,
设,乘得
完整圆周要求及导数周期匹配。允许,。给常数,给。角向同一个特征值有两个独立函数,这是周期边界下可能出现重特征值的具体例子。
图 P2-7 角向周期条件只允许整数圈频率图左用极径起伏表示角函数,不是温度等值线;图右为角函数值随θ的变化。
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13 径向欧拉方程:圆内、圆环、圆外保留项不同
时试,得到,所以。时由得。
因而环域中的展开应写成
余弦与正弦的径向系数要独立;不能误用同一组去限制一般解。
| 区域与附加要求 |
处理原则 |
| 圆内且原点有界 |
删与全部 |
| 圆环 |
原点不在区域,正负幂与对数通常都留 |
| 圆外且无穷远有界 |
删、,常数可留 |
| 圆外且无穷远趋零 |
常数也删;边界平均值还要相容 |
图 P2-8 圆内要排除原点奇异项,圆环保留正负幂不要把圆内的删项规则套到圆环;也不要把圆外有界与圆外趋零混为一谈。
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14 圆内狄利克雷问题:角傅里叶系数乘径向因子
要求、、且原点有界。先展开
其中也用上式余弦公式取。那么
例如边界,解为。越靠中心,高角频率衰减越快;中心值是边界平均值。
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15 泊松公式是同一串级数的紧凑写法
令。利用几何级数可以求和:
把傅里叶系数代回上节解式,合并余弦差角,得到
核在时为正,总积分为。所以圆内温度是边界温度的加权平均;时权重均匀,靠近边界时集中到附近角度。本章的泊松积分公式解拉普拉斯方程,不要和非齐次的泊松方程混为一谈。
图 P2-9 越接近边界,泊松核的权重越集中于附近角度中心的权重均匀;此时u(0)就是边界平均值。
做题时边界只有几个三角项就直接写有限和;边界复杂、要研究平均和极限时才用积分式。第一轮理解核从级数求和而来即可,复杂积分不必强行算闭式。
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16 圆环和扇形:同一方法怎样改
圆环常数边界、只含角向零模态,所以
圆环非恒定边界,则每个分别解正负幂系数的二元方程。不要套圆内公式删掉负幂。
扇形、两直边时,角向问题改成,得到及径向幂。圆弧给,则
这一节直接服务原书习题4、5(6)(7)、8。直边的条件替代整圆周期条件,所以角频率不必是整数。