Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

9.7: Рівняння Лапласа

Рівняння дифузії в двох просторових вимірахut=D(uxx+uyy).

Сталий розв'язок, наближений асимптотично за часом, маєut=0 так, що сталий розв'язокu=u(x,y) задовольняє двовимірному рівнянню Лапласа uxx+uyy=0.

Розглянемо математичну задачу розв'язання двовимірного рівняння Лапласа всередині прямокутної або круглої межі. Значенняu(x,y) буде вказано на границях, визначаючи, що ця задача має тип Діріхле.

Задача Діріхле для прямокутника

clipboard_e2d8169693b7f465cbe2d06c101c71cfe.png
Рисунок9.7.1: Задача Діріхле для рівняння Лапласа в прямокутнику.

Розглядаємо рівняння Лапласа(???) для внутрішньої частини прямокутника0<x<a,0<y<b, (див. Рис. 9.7.1), з граничними умовамиu(x,0)=0,u(x,b)=0,0<x<a;u(0,y)=0,u(a,y)=f(y),0yb.

Більш загальні граничні умови можуть бути розв'язані лінійним накладенням розв'язків.

Беремо наш звичайний ансацu(x,y)=X(x)Y(y), і знаходимо після підміни в(???),XX=YY=λ, зλ константою поділу. Таким чином, ми отримаємо два звичайних диференціальних рівнянняXλX=0,Y+λY=0.

Однорідними граничними умовами єX(0)=0,Y(0)=0 іY(b)=0. Ми вже розв'язали рівняння дляY(y) §9.5, і рішення дає власні значенняλn=(nπb)2,n=1,2,3,, з відповідними власними функціямиYn(y)=sinnπyb.

РештаX рівняння і однорідна гранична умова, отже,Xn2π2b2X=0,X(0)=0, і розв'язком є гіперболічна синусоїда функціяXn(x)=sinhnπxb, раз константа. Написанняun=XnYn, множення на постійну і підсумовуючиn, дає загальне рішенняu(x,y)=n=0cnsinhnπxbsinhnπyb.

Решта неоднорідних граничних умовu(a,y)=f(y), вf(y)=n=0cnsinhnπabsinnπyb, яких ми визнаємо як ряд синуса Фур'є для непарної функції з2b крапкою та коефіцієнтомcnsinh(nπa/b). Рішення для коефіцієнта даєтьсяcn=2bsinhnπabb0f(y)sinnπybdy.

Задача Діріхле для кола

Рівняння Лапласа зазвичай записується символічно так, 2u=0,де2 називається Лаплас, іноді позначається якΔ. Лапласиан може бути записаний в різних системах координат, а вибір систем координат зазвичай залежить від геометрії кордонів. Дійсно, рівняння Лапласа, як відомо, відокремлюється в13 різних системах координат! Ми розв'язали рівняння Лапласа у двох вимірах з граничними умовами, зазначеними на прямокутнику, використовуючи2=2x2+2y2.

Тут ми розглянемо граничні умови, зазначені на колі, і запишемо лапласіан в полярних координатах шляхом зміни змінних з декартових координат. Полярні координати визначаються перетворенням(r,θ)(x,y):

x=rcosθ,y=rsinθ;і правило ланцюга дає для часткових похідних ur=uxxr+uyyr,uθ=uxxθ+uyyθ.

Після взяття часткових похіднихx іy використання(???), ми можемо записати перетворення(???) в матричному вигляді як (u/ru/θ)=(cosθsinθrsinθrcosθ)(u/xu/y).

Інверсію(???) можна визначити за наступним результатом, зазвичай доведеним у класі лінійної алгебри. ЯкщоA=(abcd),det тодіA^{-1}=\frac{1}{\det A}\left(\begin{array}{cc}d&-b \\ -c&a\end{array}\right).\nonumber

Тому, оскільки детермінант2\times 2 матриці в\eqref{eq:5} єr, ми маємо \label{eq:6}\left(\begin{array}{c}\partial u/\partial x \\ \partial u/\partial y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{rr}\cos\theta &-\sin\theta /r \\ \sin\theta &\cos\theta /r\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\partial u/\partial r \\ \partial u/\partial\theta\end{array}\right).

Рерайтинг\eqref{eq:6} в операторній формі, у нас є \label{eq:7}\frac{\partial}{\partial x}=\cos\theta\frac{\partial}{\partial r}-\frac{\sin\theta}{r}\frac{\partial}{\partial\theta},\quad\frac{\partial}{\partial y}=\sin\theta\frac{\partial}{\partial r}+\frac{\cos\theta}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}.

Щоб знайти лаплакіана в полярних координатах з мінімальною алгеброю, ми об'єднаємо\eqref{eq:7} за допомогою комплексних змінних \label{eq:8}\frac{\partial}{\partial x}+i\frac{\partial}{\partial y}=e^{i\theta}\left(\frac{\partial}{\partial r}+\frac{i}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}\right),так, що Лаплакіан може бути знайдений\eqref{eq:8} шляхом множення обох сторін на його складний сполучений, піклуючись про обчислення похідних на правій руці- сторона:

\begin{aligned}\frac{\partial ^2}{\partial x^2}+\frac{\partial ^2}{\partial y^2}&=e^{i\theta}\left(\frac{\partial}{\partial r}+\frac{i}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}\right)e^{-i\theta}\left(\frac{\partial}{\partial r}-\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial\theta}\right) \\ &=\frac{\partial ^2}{\partial r^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial ^2}{\partial\theta ^2}.\end{aligned}

Тому ми визначили, що лаплакіан у полярних координатах задається \label{eq:9}\nabla^2=\frac{\partial ^2}{\partial r^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial ^2}{\partial\theta^2},, за допомогою якого іноді записується як\nabla^2 =\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\left(r\frac{\partial}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2}\frac{\partial ^2}{\partial\theta ^2}.\nonumber

Розглянемо тепер розв'язання рівняння Лапласа по колу з радіусом,r < a підпорядкованим граничній умові. \label{eq:10}u(a,\theta )=f(\theta),\quad 0\leq\theta\leq 2\pi.

Додатковою граничною умовою за рахунок використання полярних координат є те, щоu(r, \theta ) є періодичним в\theta з періодом2\pi. Крім того, ми також будемо вважати, щоu(r, \theta ) є кінцевим в межах кола.

Метод поділу змінних приймає як наш ансацu(r,\theta )=R(r)\Theta (\theta ),\nonumber і заміщення в рівняння Лапласа з\eqref{eq:2} використанням\eqref{eq:9} прибутковостіR''\Theta +\frac{1}{r}R'\Theta +\frac{1}{r^2}R\Theta ''=0,\nonumber абоr^2\frac{R''}{R}+r\frac{R'}{R}=-\frac{\Theta ''}{\Theta }=\lambda,\nonumber де\lambda константа поділу. Таким чином, ми отримаємо два звичайних диференціальних рівнянняr^2R''+rR'-\lambda R=0,\quad \Theta ''+\lambda\Theta =0.\nonumber

\ThetaРівняння розв'язується за умови періодичних граничних умов з періодом2\pi. Якщо\lambda < 0, то періодичного рішення не існує. Якщо\lambda = 0, то\Theta може бути постійним. Якщо\lambda = \mu^2 > 0, то\Theta (\theta )=A\cos\mu\theta +B\sin\mu\theta ,\nonumber і вимога, яка\Theta періодична з періодом2\pi\mu змушує бути цілим числом. Тому\lambda_n=n^2,\quad n=0,1,2,\ldots ,\nonumber з відповідними власними функціями\Theta_n(\theta )=A_n\cos n\theta +B_n\sin n\theta.\nonumber

RРівняння для кожного власне значення\lambda_n потім стає \label{eq:11}r^2R''+rR'-n^2R=0,рівнянням Ейлера. За допомогою ансацаR = r^s\eqref{eq:11} зводиться до алгебраїчного рівнянняs(s − 1) + s − n^2 = 0, абоs^2 = n^2. Отжеs = ±n, і є два реальних рішення колиn > 0 і вироджені рішення колиn = 0. Колиn > 0, рішення дляR(r) єR_n(r)=Ar^n+Br^{-n}.\nonumber

Вимога, якаu(r,\theta ) є кінцевою в колі сил,B = 0 оскількиr^{−n} стає необмеженим якr\to 0. Колиn = 0, рішення дляR(r) єR_n(r)=A+B\ln r,\nonumber і знову кінцевіu в колі силиB = 0. Тому рішення дляn = 0,\: 1,\: 2,\ldots єR_n = r^n. Таким чином, загальне рішення дляu(r,\theta ) може бути записано як \label{eq:12} u(r,\theta )=\frac{A_0}{2}+\sum\limits_{n=1}^\infty r^n (A_n\cos n\theta +B_n\sin n\theta ),де ми розділилиn = 0 рішення, щоб записати наше рішення у формі, подібній до стандартного ряду Фур'є, заданого (9.3.1). Решта гранична умова\eqref{eq:10} визначає значення u на колі радіуса a, і накладення цієї граничної умови призводить до \label{eq:13} f(\theta )=\frac{A_0}{2}+\sum\limits_{n=1}^\infty a^n (A_n\cos n\theta +B_n\sin n\theta ).

Рівняння\eqref{eq:13} - це ряд Фур'є для періодичної функціїf(\theta ) з періодом2\pi, тобтоL = \pi в (9.3.1). Коефіцієнтиa^nB_n Фур'єa^nA_n і, отже, задаються (9.3.5) і (9.3.6), щоб бути \begin{align} a^nA_n&=\frac{1}{\pi}\int_0^{2\pi} f(\phi )\cos n\phi d\phi, \quad n=0,1,2,\ldots ; \nonumber \\ a^nB_n&=\frac{1}{\pi}\int_0^{2\pi}f(\phi )\sin n\phi d\phi ,\quad n=1,2,3,\ldots ,\label{eq:14}\end{align}там, де ми використовували\phi для фіктивної змінної інтеграції.

Примітним фактом є те, що рішення нескінченних рядів дляu(r, \theta ) може бути підсумовано явно. Підставляючи\eqref{eq:14} в\eqref{eq:12}, отримуємо\begin{aligned}u(r,\theta )&=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}d\phi f(\phi )\left[ 1+2\sum\limits_{n=1}^\infty \left(\frac{r}{a}\right)^n (\cos n\theta\cos n\phi +\sin n\theta\sin n\phi )\right] \\ &=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} d\phi f(\phi)\left[1+2\sum_{n=1}^\infty \left(\frac{r}{a}\right)^n\cos n(\theta -\phi)\right].\end{aligned}

Ми можемо підсумувати нескінченний ряд шляхом написання2 cos n(\theta − \phi ) = e^{in(\theta−\phi)} + e^{−in(\theta −\phi)} та використання суми геометричного ряду\sum_{n=1}^\infty z^n = z/(1 − z) для отримання\begin{aligned} 1+2\sum\limits_{n=1}^\infty \left(\frac{r}{a}\right)^n\cos n(\theta -\phi)&=1+\sum\limits_{n=1}^\infty \left(\frac{re^{i(\theta -\phi)}}{a}\right)^n +\sum\limits_{n=1}^\infty \left(\frac{re^{-i(\theta -\phi )}}{a}\right)^n \\ &=1+\left(\frac{re^{i(\theta -\phi)}}{a-re^{i(\theta -\phi )}}+c.c.\right) \\ &=\frac{a^2-r^2}{a^2-2ar\cos (\theta -\phi )+r^2}.\end{aligned}

Томуu(r,\theta )=\frac{a^2-r^2}{2\pi}\int_0^{2\pi}\frac{f(\phi )}{a^2-2ar\cos (\theta -\phi )+r^2}d\phi,\nonumber інтегральний результат дляu(r, \theta ) відомий як формула Пуассона. Як тривіальний приклад розглянемо рішення дляu(r, \theta ) якщоf(\theta ) = F, константу. Зрозуміло,u(r, \theta ) = F що задовольняє як рівняння Лапласа, так і граничним умовам, тому має бути розв'язком. Ви можете переконатися, щоu(r, \theta ) = F це дійсно рішення, показавши, що\int_0^{2\pi}\frac{d\phi}{a^2-2ar\cos (\theta -\phi )+r^2}=\frac{2\pi }{a^2-r^2}.\nonumber