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定解问题(一)| 通解与特解 + 适定性 | 偏微分方程(五)

热度:3   发布时间:2023-12-21 14:14:37.0

背景:反映某物理过程的微分方程并不能完全确定一个物理过程。

1. 通解和特解

如果多元函数 u ( x 1 , x 2 , . . . , x n ) u(x_1,x_2,...,x_n) u(x1?,x2?,...,xn?)在空间区域 V ? R n V\subset \bold R^n V?Rn内具有方程中出现的各阶连续偏导数,并使方程
F ( x 1 , . . . , x n , u , ? u ? x 1 , . . . , ? u ? x n , . . . , ? m u ? x 1 m 1 ? x 2 m 2 . . . ? x n m n ) = 0 , m = m 1 + m 2 + ? ? ? + m n F(x_1,...,x_n,u,\frac{\partial u}{\partial x_1},...,\frac{\partial u}{\partial x_n},...,\frac{\partial^mu}{\partial x_1^{m_1}\partial x_2^{m_2}...\partial x_n^{m_n}})=0, \quad m=m_1+m_2+···+m_n F(x1?,...,xn?,u,?x1??u?,...,?xn??u?,...,?x1m1???x2m2??...?xnmn???mu?)=0,m=m1?+m2?+???+mn?
成为恒等式,则称此函数为上式方程在区域V内的解。也称为古典解。对解的要求很高。

例1:

求解一阶偏微分方程 ? u ? ξ = 0 , u = u ( ξ , η ) \frac{\partial u}{\partial \xi}=0,u=u(\xi,\eta) ?ξ?u?=0,u=u(ξ,η)

:方程两边对 ξ \xi ξ积分,得
u = f ( η ) u=f(\eta) u=f(η)
对于任意C(R)函数 f , u f,u f,u都是方程在全平面的解。

例2:求解二阶偏微分方程 ? 2 u ? ξ ? e t a = 0 , u = u ( ξ , η ) \frac{\partial^2 u}{\partial \xi\partial eta}=0,u=u(\xi,\eta) ?ξ?eta?2u?=0,u=u(ξ,η).

:两边依次对 ξ , η \xi,\eta ξ,η积分,得
u = f ? ( ξ ) + g ( η ) u=\overline f(\xi)+g(\eta) u=f?(ξ)+g(η)
对于任意 C 1 ( R ) C^1(\bold R) C1(R)函数f,g,u都是方程在全平面的解。

结论:偏微分方程的解族很大,可以包含任意函数。称m阶偏微分方程的含有m个任意函数的解为方程的通解,不含任意函数或任意常数的解为方程的一个特解。通解中的任意函数一旦确定,通解就成为特解。

2. 定解问题及其适定性

定解问题:泛定方程+定解条件 —— 描述物理过程的完整的数学模型

定解问题的解:满足定解条件的泛定方程的解

定解问题的古典解:若泛定方程在区域V内的解,以及其在定解条件中出现的偏导数,都连续到V的边界,且在边界上满足定解条件。

适定的定解问题:解存在、唯一和稳定

  1. 初值问题:泛定方程+初始条件(如无界弦的振动问题)
  2. 混合问题:泛定方程+初始条件+边界条件 (如有界弦的振动问题)
  3. 边值问题:泛定方程(稳态)+ 边界条件(场位方程的稳定方程)
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