数学物理方法 / 数学物理方程篇
数学物理方程篇·第一章学习讲义
数学物理中的偏微分方程
基本概念 → 微元建模 → 初值与边界 → 达朗贝尔公式 → 叠加与齐次化。按教材顺序展开概念、例题、证明主线与解题条件;每章附原书习题路线和自编检查题。
从这一章开始,教材进入第二部分,章号重新从1开始。前面的“复变函数第一章”和本章是不同章节,文件名、目录和图号会明确区分。
这一章最重要的能力,是把一段物理描述翻译成完整的定解问题:未知量是什么、在哪个区域满足什么方程、开始时怎样、边界上怎样。 暂时不要求看到任何偏微分方程都能解;先把模型和条件写对,再学达朗贝尔公式、叠加与齐次化这些解题工具。
对应原书印刷页205—236,扫描PDF第211—242页。正文205—234页上部,习题234—236页。按原书1.1基本概念、1.2典型方程、1.3定解条件、1.4解法、1.5两条原理的顺序重新讲解;为便于阅读拆成十节。保留主要例题、证明主线和星号内容,并说明第一轮的掌握边界。
本章学完应能独立完成:判阶数、线性与齐次性;从受力或守恒写出方程;正确区分波动和热传导的初值数量;把固定、绝热、给定通量、热交换写成边界条件;用达朗贝尔公式解全直线初值题;用特解或时间积分处理非齐次项。后面附原书1—12题的路线,以及24道独立编号的自编检查题和完整解析。
学习顺序:先跟着例题写关键步骤,再独立完成检查题,最后按习题路线回到原书。证明段落均说明用途,不要求第一轮逐行背诵。
本章目录
1.1 偏微分方程与解的基本概念教材205—209页
1.2 典型方程与弦振动模型教材209—212页
1.3 热传导扩散与稳态方程教材212—215页
1.4 静电势与电磁场的方程教材215—217页
1.5 初始边界条件与定解问题教材217—222页
1.6 弦端条件与适定性教材223—225页上部
1.7 达朗贝尔公式与广义解教材225—228页
1.8 叠加原理特解与齐次化教材228—234页
1.9 原书习题路线与公式速查教材234—236页
数学物理方程篇·第一章 / 1.1
偏微分方程与解的基本概念
教材205—209页
01 一个未知函数依赖多个变量,求导时先说固定谁
弦的位移写成
含未知多元函数及其偏导数的关系式叫偏微分方程。常微分方程中的未知量通常依赖一个自变量;这里多个自变量使解的自由度更大,不能只靠几个常数描述所有可能状态。
例如
02 阶数线性齐次:三个问题分开判断
阶数是出现的最高阶偏导数。
线性要求未知函数及其导数以一次线性组合出现,系数只能依赖已知自变量。例如
是线性方程;
对线性方程,把全部含
| 方程 | 阶数 | 线性 | 齐次性 |
|---|---|---|---|
| 二阶 | 线性 | 齐次 | |
| 二阶 | 线性 | 非齐次 | |
| 一阶 | 非线性 | 本章不套线性齐次分类 | |
| 三阶 | 非线性 | 本章不套线性叠加原理 |
03 拉普拉斯算子:把空间方向的二阶导数相加
常用记号为
下标表示空间维数,不把时间算进去。三维波动方程
教材给出一般二阶线性常系数算子
这里
04 什么叫一个解:代入以后在指定区域内成立
给定函数能满足方程,就称它是一个解。必须同时说明区域和光滑性,奇点处不能默认也满足。
三维中
原书例1设
所以条件为
这些都是真实的调和函数。不要同时说“
05 积分常数变成任意函数:原书例2
对
“常数”只是不依赖被积分变量
每次积分都要保留其他变量的自由函数。这类题比复杂方程更适合检查是否理解偏导数。
任意函数的数目与方程阶数有联系,但不能把“一阶一个、二阶两个”当成所有PDE、所有区域的无条件定理。这里它解释几个可直接积分的例子,具体模型还要结合条件。
06 波动方程的两个行波:原书例3
对
链式法则给出
展开平方,
当前t=1,右行峰位于x=1,左行峰位于x=-1。这里分别展示两个分量。
数学物理方程篇·第一章 / 1.2
典型方程与弦振动模型
教材209—212页
07 三个典型方程究竟在描述什么
| 模型 | 典型方程 | 主要未知量 | 演化或稳态 |
|---|---|---|---|
| 波动 | 位移、某个场分量 | 二阶时间演化 | |
| 热传导或扩散 | 温度、浓度 | 一阶时间演化 | |
| 泊松 | 电势、稳态温度 | 不随时间演化 |
原书热方程也常把系数写成
量纲也不同: 波速
稳定状态令
灰色示初始轮廓:理想行波只平移,扩散会展宽,稳态问题没有时间演化项。
08 建模前的假设,哪些会在题目中改变方程
理想弦模型忽略弯曲刚度,只考虑张力沿切线作用。取
“小振动”不仅指位移绝对值小,还要斜率小。高频、短波长形状即使振幅不大,也可能斜率很陡。
原书线密度写
如果题目增加阻力、弹性支撑或变密度,要回到力的平衡式改项;不能只背最简的
09 微元受力:两端张力的差产生曲率项
取区间
加上分布外力
约去
原书更细地把张力分成水平、竖直分量,先从水平平衡说明水平分量不依赖
左右张力都沿弦的切线、指向微元外侧;竖直分量相减形成曲率项。外力箭头仅示方向示例。
10 均匀弦波速与常见附加项
均匀弦
张力增大,波速增大;线密度增大,波速减小。
若单位长度阻力为
若还受到单位长度回复力
若张力
数学物理方程篇·第一章 / 1.3
热传导扩散与稳态方程
教材212—215页
11 傅里叶定律:负号把热流指向低温
令
沿单位法向
例如一维
注意
12 热平衡:净流入加热源,等于储热增加
取体积微元
温度变化储存的热量为
常量假设下是这个形式;若
原书用长方体的六个面逐一相减,是对散度形式的具体展开。讲这段的用途是帮你给源项除对系数,并判断正热源应使温度上升;第一轮会重建守恒等式即可。
图中流入、流出均按各自物理方向标记;守恒中用流入减流出,再加热源。
13 一维杆不等于热量只能存在于一根数学直线上
均匀细杆沿
如果截面积
若侧表面向环境温度
这段会直接用在建模题。题目说的“均匀、细杆、侧面绝热、无热源”分别对应不同简化,不应把四句话都当背景略过。
14 扩散方程:把热量换成物质守恒
浓度
常数
和热传导的共同结构是“通量沿梯度反向+局部守恒”,因此同一套解法可以用于温度、浓度等不同物理量。第一轮不必另背一套扩散推导。
15 稳态泊松方程与高斯形状的扩散
热平衡若进入稳态,
无热源才是
一维热方程的基本高斯核为
随时间增大,峰降低、宽度增大,而全直线积分保持1。这个图帮助区分扩散与不变形行波。原书习题3要求验证一个与它相差常数因子的高斯解;本章先认识、会验证,卷积求一般初值的系统方法以后再学。
当前t=0.3,峰值约0.515;灰线为t=0.3的参考轮廓。
数学物理方程篇·第一章 / 1.4
静电势与电磁场的方程
教材215—217页
16 静电势为什么满足泊松方程
均匀介质中,设电荷体密度为
局部无旋,或在合适的单连通区域,可以写
无电荷区才有
与前面复势约定区分: 这里
17 自由电磁场:为什么既能出现波动,也能出现扩散近似
常介质参数下,麦克斯韦方程组给出
对第一式再取旋度,用
每个分量都满足相应标量方程,磁场也有同样结构。若导电项可忽略,得到波动方程,波速
若在所研究时间尺度上位移电流相对传导电流很小,则可忽略
这段的用途是说明同一种数学模型会跨物理领域出现。第一轮会认最终方程、参数与近似条件即可;若不考电磁建模,完整向量恒等式的推导可第二轮细读。
数学物理方程篇·第一章 / 1.5
初始边界条件与定解问题
教材217—222页
18 泛定方程加条件,才是一个具体问题
偏微分方程刻画一般规律,本书也叫泛定方程。许多函数能满足同一方程;再给出初始、边界等条件,才构成定解问题。
无界全空间的初值问题通常没有有限位置的边界;有限区间还要约束端点。空间区域必须写清,不能只写一个PDE和几个零。
对波动方程
热方程的初始时间导数不是可随便再加的独立数据: 若要求足够光滑,方程已决定
底边给位移与速度;左右边另约束有限区域端点,这些数据共同确定问题。
19 三类边界条件,按“给的是哪种量”判断
用外单位法向
统一描述线性边界条件。
| 类型 | 典型形式 | 热学含义 |
|---|---|---|
| 第一类 Dirichlet | 给定边界温度 | |
| 第二类 Neumann | 给定通量,经过导热系数换算 | |
| 第三类 Robin | 与环境换热 |
齐次边界条件指规范写法的右端为0。温度固定为100是第一类非齐次,不因它“不随时间变化”就成为齐次。
空间边界的不同部分可以采用不同类型。“混合问题”在本章主要指同时有初始与边界条件,也可能遇到边界类型混用;阅读题目时直接写清各处条件,不依赖一个词猜含义。
20 外法向导数:左端负,右端正
区间
给定向外热流密度
若题目说左右端分别以正热流密度
同样叫“向内输入正热量”,左右端写出的
左端外法向为负x,右端为正x;左右端同为流入正热量,空间导数符号却相反。
21 牛顿冷却定律怎样变成第三类条件
边界温度
左端为
右端为
看物理方向检验:若杆端比环境热,
外法向形式完全一致;换成坐标导数u_x时才出现左负右正。
22 原书槽形导体与无限长条的例题
长方体内部无电荷,区域
再补四个侧面
如果导体沿
五面接地、一面给电势;原题顶盖接缝绝缘,允许开面上的极限数据不在每个棱角连续相容。
23 原书细杆混合问题:把每一句话用到
长为
依次检查:体内有没有源;侧面是否漏热;初温是否给定;左右端各是什么边界;左端法向负号是否保留。
若要求一直光滑到
数学物理方程篇·第一章 / 1.6
弦端条件与适定性
教材223—225页上部
24 固定自由弹性端:都从端点受力判断
固定端是
若端点可沿竖直方向在无摩擦导轨滑动,且无外部横向力,端点横向张力应为0,小斜率下得
若左端受向上外力
再加端点弹簧回复力
左端是
导轨自由端可竖直滑动但无横向外力,因而斜率为0;弹性端为Robin形式。
25 适定性:存在唯一稳定,一个都不能少
“存在”指条件能够同时满足;“唯一”指不会有两个不同解满足同一组条件;“稳定”指数据小变化只造成适当意义下的小变化。
给少条件可能不唯一,例如全直线波动方程只给
稳定性不是说解永远不增长,而是说在选定时间范围与范数下依赖数据连续。对达朗贝尔公式,在
其中范数取相关区域,数据应覆盖影响到的初始区间。这一行也直接支持后面的广义解近似。
第一轮掌握程度: 会说明三条各是什么意思、会检查明显缺失和冲突;不要求在这一章证明所有边值问题的适定性。纯Neumann的拉普拉斯问题还可能差一个常数,需要额外归一化;不能仅凭“边界数据写满了”就宣称唯一。
数学物理方程篇·第一章 / 1.7
达朗贝尔公式与广义解
教材225—228页
26 从两个任意函数,解出给定初值
全直线齐次波动初值问题为
在
第二式积分后与第一式联立,可解出
这就是达朗贝尔公式。第一项来自初位移,第二项来自初速度;不必每题重做求
27 公式怎么用:先分位移和速度两项
例:
速度项为
若初速度为0,初位移的形状等分为两个幅度为一半、向相反方向传播的波;若初位移为0,不能只说“分成两个原图”,还要按积分计算速度产生的位移。
灰线为原初位移,两条彩色分量各为半幅;重叠时要相加,不能把两条线当成两个解的备选。
28 依赖区间与有限传播速度
从公式可看出
这就是有限传播速度
适用范围必须记: 公式直接针对全直线初值问题。有限弦有端点,波到达端点后发生反射;若不先作正确延拓或处理边界,不能把同一个公式无条件用于所有时间。
两条特征线分别为x-at和x+at常数;初始数据只在底部有限区间内起作用。
29 验证公式:不只要有结果,还要确实满足条件
当
再求一次时间导数,与
原书把求解分为分析、验证、解释三步:先构造候选函数,再说明可微且满足方程条件,最后解释左右行波。第一轮不必每题写满所有导数,但遇到不光滑数据就必须知道经典验证在哪一步失效。
30 星号广义解:折角还在,波仍然有意义
三角形初位移在顶点有折角,可能没有连续二阶导数,达朗贝尔表达式却仍能算出连续的传播图。
原书的做法是把连续初值用更光滑的
这不表示极限函数突然有了处处二阶偏导数。它说明可通过平滑近似得到稳定的物理波形;也可进一步用分布或弱积分公式刻画,但本章不要求建立整套理论。
为什么要讲?因为原书拨弦题的三角初位移正好不处处光滑。第一轮需要知道“分段或折角数据仍可用适当广义解释”,不必背逼近定理的完整证明。
数学物理方程篇·第一章 / 1.8
叠加原理特解与齐次化
教材228—234页
31 有限叠加:方程和条件都要一起叠加
若
所以齐次问题的解可以任意线性组合;同一个非齐次问题的两个解相加,右端会加倍,通常不再是原问题的解。两个非齐次解之差满足齐次方程和齐次条件。
这条原理不只管PDE,还管初值、边界:固定初位移为
32 无穷叠加与积分叠加:为什么不能想加就加
后面的分离变量法会出现
连续参数的叠加同理:若
这就是把离散的“很多个小响应相加”变成积分。第一轮要理解交换运算需要条件,实际计算先用教材允许的光滑、收敛情形;不必为每道入门题重证分析定理。
33 原书泊松例题:先找一个特解
求
代入得
令
这里不要把任意复变量
如果原问题还给了边界
减特解是一种数据分担;它改变边界和初值,不能自动使所有条件变成零。
34 波动方程的齐次化:把连续外力分成每一刻的冲量
考虑零初值问题
其中
每一刻的外力作为一次初速度输入,再把全部过去时刻的响应相加:
这叫齐次化原理,也常称杜阿梅尔原理或冲量原理。这里的
波动源放在初速度,热源放在初温;每份辅助响应都从自己的τ时刻开始演化。
35 证明的关键:上限项为何第一次为零、第二次给源
含变上限积分的求导法则给出
由于每个辅助问题的初位移为0,
同时
若把辅助问题的初速度也设为0,第二次求导就不能产生源项,构造会失败。为什么必须记这个证明?它能避免把波动与热方程的齐次化初值放错位置。
36 原书受迫弦例题与总公式
对全直线
所以零初值受迫解为
若还有初位移
源点也只能从过去的依赖三角形内影响当前点。最简单检验是常数源
橙线是一个固定过去时刻τ的源积分区间;三角形之外的源来不及影响当前点。
37 热方程的齐次化:源放在辅助问题的初温
零初温问题
再令
对照波动:波动是二阶时间方程,把源放初速度;热方程是一阶,把源放初温。两者的积分结构相似,但辅助初值不同。
本章定理在全空间、空间算子不随时间变化的框架下陈述;在合适有界区域也可配相同齐次边界使用。若边界本身非齐次,还要先分担或消去边界数据,不能只消源就宣布全部问题已齐次。
数学物理方程篇·第一章 / 1.9
原书习题路线与公式速查
教材234—236页
38 原书1—6题:代入验证与通解
| 原书题号 | 主线 | 关键一步 |
|---|---|---|
| 1(1) | 二维径向调和 | |
| 1(2) | 三维径向Helmholtz | |
| 2 | 两个不同方向函数叠加 | 链式法则、算子因式分解 |
| 3 | 高斯解与 |
求对数导数,注意只在 |
| 4 | 共振型特解 | 代 |
| 5 | ||
| 6 | 偏积分、常微分视角、减特解 | 其他变量作为参数,保留任意函数 |
1(1)得到
若要求原点正则,通常需
原书2的方程可写为
原书6(1)把
6(3)
39 原书7—8题:把物理条件写全
原书7三种热杆情况都从
- 左绝热右恒温:
。 - 两端分别以
流入: 。 - 左给温
、右与环境 换热: , 。
原书8是长度
再写
40 原书9—12题:降维边值特解特征线与延拓
9(1)
9(2)球对称波动令
9(3)单位球面上给
在球内调和;球面上
星号9(4)是沿
每条特征线只留下一个变化的函数项,交点值被算了两次,故要减去一次。它和在
原书10是输运方程
星号11利用初值奇偶性:两份初值都奇,则解关于
星号12固定半直线
检验
奇延拓适配固定端;若要求初始角点连续,初位移在原点也应为0。
41 一张表决定先写什么、再算什么
| 题目信号 | 第一动作 | 必查事项 |
|---|---|---|
| 判断方程 | 找最高偏导、看未知量是否线性 | 时间阶数另看 |
| 微元建模 | 受力或守恒 | 密度、热容量和源项单位 |
| 定解问题 | PDE+区域+全部条件 | 初值数量与端点法向 |
| 给定热流 | 先写 |
“流入”还是“流出” |
| 固定或绝热 | 位移/温度值,或法向导数 | 绝热不等于零温 |
| 全直线自由波 | 达朗贝尔公式 | 两项初值分开 |
| 非齐次源 | 减特解或杜阿梅尔积分 | 条件也随拆分改变 |
| 无穷叠加 | 先检查是否可交换求导 | 收敛与正则性 |
这一章的建模题写完后,逐句划掉题目中的已知条件,确保每一句都在模型里有位置。解题完成后,至少验PDE、初值、边界三项。若数据有折角或突变,再说明采用分段或广义解的解释。
数学物理方程篇·第一章 / 1.10
二十四道自编检查题与完整解析
全章复习
练习1 判阶数与线性
判断
展开解析:系数依赖x不影响线性
第一式二阶线性,整理成
练习2 积分后保留什么自由度
求
展开解析:任意函数不只常数
第一式为
练习3 验证一个调和函数
验证
展开解析:逐项求导
练习4 行波的方向
展开解析:追踪波峰
波峰
练习5 张力与线密度
弦张力变为原来的4倍,线密度变为原来的2倍,波速变为多少倍?
展开解析:先写根号比
练习6 阻力项写在哪一侧
单位长度阻力为
展开解析:从净力等于质量乘加速度
练习7 热源应除以什么
均匀材料的热源密度为
展开解析:储热系数与传热系数分开
练习8 热流方向
一维温度
展开解析:梯度负,热流正
练习9 两端向内输入热量
杆
展开解析:先写向外法向
左端
练习10 左端热交换
杆左端与温度
展开解析:Robin与Neumann
左端
练习11 初始条件数量
解释为什么热方程通常给一个初值,波动方程给两个。若热方程已有初温
展开解析:看时间阶数
热方程对
练习12 完整写出热杆问题
侧表面绝热、无内源的均匀杆,初温
展开解析:方程区域与条件缺一不可
练习13 拨弦初位移
长度
展开解析:两段直线连接端点
初位移为
练习14 达朗贝尔公式的多项式计算
解全直线
展开解析:分开计算两项
位移项为
练习15 正弦位移与线性初速度
全直线波速
展开解析:先用三角和差
位移项为
练习16 依赖区间
波速
展开解析:用两条特征线回到初始线
区间为
练习17 叠加是否仍是原问题的解
若
展开解析:右端也线性组合
差满足齐次方程和齐次边界:
练习18 找特解并改变边界
求
展开解析:方程与边界分别处理
可取
练习19 杜阿梅尔积分检验
全直线零初值问题
展开解析:积分区间长度就是关键
内积分为
练习20 波动与热的辅助初值
同样有源项
展开解析:求几次时间导数,源就在第几次出现
波动辅助问题给
练习21 输运方程
解
展开解析:沿特征线累积源
练习22 径向调和函数
求二维
展开解析:先化成一阶守恒式
练习23 由球外点源识别边值解
单位球内求调和函数,球面边界为
展开解析:把边界凑成距离平方
取球外点
练习24 高斯解的验证与极限
设
展开解析:用对数导数减少计算
记
42 这一章学到什么程度,再进入分离变量法
先把检查题1—13完成,确保会读方程、会建模、会写初值与边界。再做14—20,掌握行波、达朗贝尔公式与叠加齐次化;21—24用于把特征线、径向结构与热核联系起来。
回原书时先做7、8这类“只要求写出定解问题”的题,不要额外给自己增加求完整解的任务;再做1—6与9—10,最后处理带星号的特征线、奇偶性和半直线延拓。
下一章分离变量法会反复使用本章的齐次边界、叠加与初值数据。进入下一章前,至少应该能看到一题就先写对“区域、PDE、初值、左右端条件”四项;这些写错,后面的级数计算再熟也解决不了原问题。