3.10 球内球外与半球边值问题|数学物理方法

数学物理方法 · 3.10 球内球外与半球边值问题
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数学物理方程篇·第三章 / 3.10

球内球外与半球边值问题

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37 角谱确定后,径向只剩欧拉方程

令,径向为,试得,故或。

轴对称调和展开为

球内包含原点且有界:删全部负幂。球外要求无穷远趋零:删全部正幂及常数项,保留。球壳两端都有正半径,通常两种幂均保留。

图 P3-19 球内保留r的正幂,球外趋零保留负n减一幂
同一角模态Pₙ(cosθ),径向保留项由区域决定球内:r<R,原点有界允许rⁿ,删r⁻ⁿ⁻¹归一因子:(r/R)ⁿ第0阶保持常数中心值由球面平均决定球外:r>R,无穷远趋零允许r⁻ⁿ⁻¹,删rⁿ归一因子:(R/r)ⁿ⁺¹第0阶也按1/r衰减远处条件是唯一性的必要数据球壳a<r<b不含原点,rⁿ与r⁻ⁿ⁻¹通常都要保留。不要把二维圆域的r⁻ⁿ、ln r套进三维球的径向方程。

球内和圆内的径向方程不同;球外的常数角模态仍有1/r径向因子。

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38 球内与球外的同一边界:径向因子差在哪里

球面给。球内有界解

球外趋零解

例如,球内是,球外是。球外的零阶项也会按衰减,不能误保留为常数。

图 P3-20 球面角向模态与球内径向因子各自负责一部分
角向P0(cosθ) 与球内径向(r/R)^0极轴球面角向正负示意0r/R=1球内径向因子左图只为球面环带着色,不是整个球内温度图;右图单独显示径向。

阶数n=0;球面角向由P0描述,球内越高阶的扰动在靠近中心时越弱。

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39 半球赤道:零温挑奇阶,绝热挑偶阶

上半球,令。底面在:零温要求,挑奇阶;底面绝热要求,即,挑偶阶。

对零温底面、球面恒温,把半区间常数作奇延拓,相当于球面数据。系数只在奇阶出现:

为奇数
为奇数

例如前两项系数。球面与底面交圈存在温度冲突,应分别理解边界内部极限。若底面绝热而球面恒温,常数直接满足全部条件,无需无穷级数。

图 P3-21 赤道零值取奇阶,赤道零导数取偶阶
上半球:底面在θ=π/2,也就是x=0球面给温度球面给温度底面零温:Pₙ(0)=0取奇阶 n=1,3,5,…底面绝热:Pₙ′(0)=0取偶阶 n=0,2,4,…两种赤道条件都不是在球心加R(0)=0,球心仍用有界性选径向分支。

如果球面恒温且底面绝热,常数解已经满足全部数据,无需求和。

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40 半空心球:先减去底面温度,再联立径向系数

原书习题29:内半径、外半径的上半球壳,内外球面温度均为,底面。令,底面零,球面数据变成。

只需一个角模态,设。两球面给、。解出

这是“提升+奇偶选择+球壳双径向分支”的综合题。先辨认只含,比从无穷级数开始求全部系数快得多。

图 P3-22 半空心球减去底面常数后只剩P1模态
外半径R,内半径R/2的上半球壳R内外球面:A(1-cosθ)/2底面:A/2先减A/2,只剩P₁w=(Cr+Dr⁻²)cosθ;两个球面条件联立确定C、D。内球面也是边界,原点已经挖去;负幂分支在球壳内合法。

图为经线半剖面;内球面半径R/2,底面包括两条环形截面线段。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本数学物理方程篇·第三章整理;正文印刷页272—305上部,章末习题305—309。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。数学物理方程篇·第三章含32道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月22日。