第四章 Laplace方程的格林函数法.doc

第四章 Laplace方程的格林函数法在第二、三两章，系统介绍了求解数学物理方程的三种常用方法分离变量法、行波法与积分变换法，本章来介绍Laplace方程的格林函数法。先讨论此方程解的一些重要性质，在建立格林函数的概念，然后通过格林函数建立Laplace方程第一边值问题解的积分表达式。4.1 Laplace方程边值问题的提法在第一章，从无源静电场的电位分布及稳恒温度场的温度分布两个问题推导出了三维Laplace方程作为描述稳定和平衡等物理现象的Laplace方程，它不能提初始条件。至于边界条件，如第一章所述的三种类型，应用得较多的是如下两种边值问题。（1）第一边值问题 在空间中某一个区域的边界上给定了连续函数，要求这样一个函数，它在闭域（或记作）上连续，在内有二阶连续偏导数且满足Laplace方程，在上与已知函数相重合，即 （4.1）第一边值问题也称为狄利克莱（Dirichlet）问题，或简称狄氏问题，2.3中所讨论过的问题就是圆域内的狄氏问题。 Laplace方程的连续解，也就是所，具有二阶连续偏导数并且满足Laplace方程的连续函数，称为调和函数。所以，狄氏问题也可以换一种说法：在区域内找一个调和函数，它在边界上的值为已知。（2）第二边值问题 在某光滑的闭曲面上给出连续函数，要求寻找这样一个函数，它在内部的区域中是调和函数，在上连续，在上任一点处法向导数存在，并且等于已知函数在该点的值： （4.2）这里是的外法向矢量。第二边值问题也称纽曼（Neumann）问题。以上两个问题都是在边界上给定某些边界条件，在区域内部要求满足Laplace方程的解，这样的问题称为内问题。在应用中我们还会遇到Dirichlet问题和Neumann问题的另一种提法。例如，当确定某物体外部的稳恒温度场时，就归结为在区域的外部求调和函数，使满足边界条件，这里是的边界，表示物体表面的温度分布。像这样的定解问题称为Laplace方程的外问题。由于Laplace方程的外问题是在无穷区域上给出的，定解问题的解是否应加以一定的限制？基于电学上总是假定无穷远处的电位为零，所以在外问题中常常要求附加如下条件： （4.3）（3）狄氏外问题 在空间的某一闭曲面上给定连续函数，要找出这样一个函数，它在的外部区域内调和，在上连续，当点趋于无穷远时，满足条件（4.3），并且它在边界上取所给的函数值 （4.4）（4）纽曼外问题 在光滑的闭曲面上给定连续函数，要找出这样一个函数，它闭曲面的外部区域内调和，在上连续，在无穷远处满足条件（4.3），而且它在上任一点的法向导数存在，满足 （4.5）这里是边界曲面内内法向矢量。 重点讨论内问题，所用的方法也可以用于外问题。4.2 格林公式为了建立Laplace方程解的积分表达式，需要先推导出格林公式，而格林公式则是曲面积分中高斯公式的直接推论。设是以足够光滑的曲面为边界的有界区域，是在上连续，在内具有一阶连续偏导数的任一函数，则成立如下的高斯公式 （4.6）其中是体积元素，是的外法向矢量，是上的面积元素。下面来推导公式（4.6）的两个推论。设函数和在上具有一阶连续偏导数，在内具有连续的所有二阶偏导数，在（4.6）中令则有或 （4.7）（4.7）式称为第一格林公式。 在公式（4.7）中交换位置，则得 （4.8）将（4.7）与（4.8）式相减得到 （4.9）（4.9）式称为第二格林公式。利用格林公式可以推出调和函数的一些基本性质。（）调和函数的基本表达式所谓调和函数的积分表达式，就是用调和函数及其区域边界上的法向导数沿的积分来表达调和函数在内某一固定点，现在我们就来求调和函数在这点的值。为此，构造一个函数 （4.10）函数除点外处处满足Laplace方程，它在研究三维Laplac方程中起着重要的作用，通常称它为三维Laplace方程的基本解。由于在内有奇异点，我们作一个以为中心，以充分小的正数为半径的球面，在内挖去所包围的球域得到区域（图4-1），在内直至边界上是任意次连续可微的，在公式（4.9）中取为调和函数，并假定它在上有一阶连续偏导数，而取，并以代替该公式中的，得 （4.11）因为在内，。而在球面上因此其中是函数在球面上的平均值。同理可得此处是在球面上的平均值。将此二式代入（4.11）可得现在令，由于（因为是连续函数），（因为是一阶连续连续可微的，故有界），则得 （4.12）此处为明确起见，我们将记成了。 （4.12）说明，对于在上有连续一阶偏导数的调和函数，它在区域内任一点的值，可通过积分表达式（4.12）用这个函数在区域边界上的值及其在上的法向导数来表示。（）Neumann问题有解的必要条件设是在以为边界的区域内的调和函数，在上有一阶连续偏导数，则在公式（4.9）中取为所给的调和函数，取，就得到 （4.13）由（4.13）可得Neumann问题（）有解的必要条件为函数满足 （4.14）事实上，这个条件也是Neumann内问题有解的充分条件，证明见其他证明材料。（）平均值公式设函数在某区域内是调和的，是内任一点，表示以为中心，以为半径且完全落在内部的球面，则成立下列平均值公式 （4.15）要证明这个公式，只要将公式（4.12）应用域球面，并注意在上，以及即可。（）Laplace方程的解惟一性问题现在利用格林公式讨论Laplace方程解的惟一性问题，将证明如下结论：Dirichlet问题在内的解是惟一确定的；Neumann问题的解除了相差一个常数外也是惟一确定的。以表示定解问题的两个解，则它们的差必是原问题满足零边界条件的解。对于狄氏问题，满足 （4.16）对于Neumann问题，满足 （4.17）下面来说明满足条件（4.16）的函数，则在内恒为零；满足条件（4.17）的函数内为一常数。事实上，在公式（4.8）中取，则得由条件（4.16）或（4.17）得故在内必有即 ，或。对于狄氏问题，由，得，故。需要注意得氏，这里我们仅证明了狄氏问题在内的解是惟一的，其所以要假定，只是为了应用格林公式（4.9）。其实这个要求是多余的，利用调和函数的极值原理，可以证明狄氏问题在内的解是惟一的。关于这一点，见其他参考材料。4.3 格林函数公式（4.12）说明了一个调和函数可以用这个函数在边界上的值及其在边界上的法向导数来确定它在区域内值。但这个公式不能直接提供狄氏或Neumann问题的解，因为公式公式中既包含又包含了。对于狄氏问题而言，是已知的，但不知道，并且由解的惟一性可知，当给定了以后就不能再任意给定。所以要想从（4.12）得到狄氏问题的解，就必须消去，这就需要引进格林函数的概念。在公式（4.9）中取均为内的调和函数，且在上有连续的一阶偏导数，则得 （4.18）将（4.12）与（4.18）相减得 （4.19）如果能选取调和函数，使满足 （4.20）则（4.19）中的项就消失了，于是有 （4.21）令 （4.22）则（4.21）可表为被称为Laplace方程的格林函数。如果格林函数表达式中的调和函数一经求得，并且它在闭区域上存在连续的一阶偏导数，则狄氏问题的解若存在（且在上是一次连续可微的），这个解必然能表示为 （4.23）对于泊松方程的狄氏问题而言，若存在上一次连续可微的解，这个解必能表示为.这样一来，对任意函数求解Laplace方程或Poisson方程的狄氏问题就转化为求此区域内的格林函数。从（4.22）可知，确定格林函数又必须解一个特殊的狄氏问题 （4.24）虽然对于一般的区域，求解问题（4.24）也不是一件容易的事，但公式（4.23）还是有重要意义的，因为：（1）格林函数仅依赖于区域，而与原定解问题中所给的边界条件无关，只要求得了某个区域的格林函数，就能一劳永逸地解决这个区域上的一切边界条件的狄氏问题；（2）对于某些特殊的区域，如球，半空间等，格林函数可以用初等方法求得。 格林函数在静电学中有明显的物理意义。设在闭曲面内一点处放一个单位正电荷，则它在面内侧感应有一定分布密度的负电荷，而在外侧分布有相应的正电荷。如果曲面是导体并接地，则外侧正电荷就消失，且电位为零。这是内任意一点的电位是由二种电荷产生的，一是点处单位正电荷，由它产生的电位为（在有理化单位制中，这个电位应为，此处为了方便，取介质的介电系数），二是在内感应的负电荷，由它产生的电位为，是定解问题（4.24）的解。因此，格林函数就是导电曲面内的电位。4.4 两种特殊区域的格林函数及狄氏问题的解从（4.23）可知，对于一个曲面所围成的区域，只要求出了它的格林函数，则在这个区域内狄氏问题的解就能以积分形式表示出来。对于某些特殊的区域，它的格林函数可以用电象法求得。所谓电象法就在区域外找出关于边界的象点，然后在这个象点放置适当的负电荷，由它产生的负电位与点单位正电荷所产生的正电位在曲面上互相抵消，由于在内部，它关于的象点则在的外部，所以，放在处的点电荷所形成的电场的电位在内部是调和函数，而且根据要求，有，故在与处两个点电荷所形成电场在内的电位就是所要求的格林函数。下面以半空间、球域为例说明电象法的应用。4.4.1 半空间的格林函数求解Laplace方程在半空间内的狄氏问题，就是求函数使适合 （4.25）首先找格林函数，在半空间的点置单位正电荷，并找出关于的平面对称点（图4.2），在点置单位负电荷，则它与点的单位正电荷所产生的电位在平面上互相抵消。由于在上半空间内为调和函数，在闭域上具有连续的一阶偏导数，因此 （4.26）就是半空间的格林函数。为了求得（4.25）的解，计算，由于在平面上的外法线方向是轴的负向，所以有 （4.27）将（4.27）代入（4.23）中，得到问题（4.25）的解为 （4.28）4.4.2 球域的格林函数设有一球心在原点，半径为的球面，在球内任取一点，连并延长至使，点称为关于球面的反演点（图4.3）。以表示，则。在放置单位正电荷，在放置单位的负电荷，我们要适当选择的值，使得这两个电荷所产生的电位在球面上相互抵消，即，或，其中使球面上任一点。由于与在点它们有公共角，且夹这角的两边成比例，因此这两个三角形是相似的，从而有，故。即只要在点放置放置单位的负电荷，由它所形成电场的电位不仅在所围成的球域的内部是调和函数，在上一次连续可微，且在上满足即 （4.29）所以，球域的格林函数为 （4.30）现在利用格林函数求球域内的狄氏问题的解。为