数学物理方程

数学物理方程ppt出版：电子科技大学出版社(成都市建设北路二段四号，邮编：610054)责任编辑：徐守铭发行：电子科技大学出版社印刷：成都蜀通印务有限责任公司开本：787mm×1092mm1/16印张16.625字数425千字版次：2006年4月第一版印次：2007年8月第二次印刷书号：ISBN978

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9印数：2001—5000册定价：28.00元数学物理方程李明奇田太心主编

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邮编：610054。◆本书如有缺页、破损、装订错误，请寄回印刷厂调换。出版：电子科技大学出版社(成都市建设北路二段四号，邮目录第一章绪论笫二章定解问题与偏微分方程理论第三章分离变量法第四章行波法第五章积分变换第六章Green函数法第七章Bessel函数第八章Legendre多项式

第九章保角变换法第十章非线性数学物理方程简介目录第一章绪论第一章绪论1.1常微分方程基础1.2积分方程基础1.3场论基本概念1.4常用算符与函数

1.5常用物理规律第一章绪论1.1常微分方程基础一、一阶微分方程一阶常微分方程典则形式与对称形式分别为:1.1常微分方程基础一、一阶微分方程一阶常微分方程典则形1．可分离变量的一阶微分方程1．可分离变量的一阶微分方程2．齐次方程2．齐次方程3．一阶线性微分方程3．一阶线性微分方程4．Bernoulli方程4．Bernoulli方程二、高阶微分方程1．可降阶的二阶微分方程二、高阶微分方程1．可降阶的二阶微分方程2．n阶常系数齐次线性微分方程2．n阶常系数齐次线性微分方程定理1

的特解可以通过方程的特解之和求得。定理1的特解可以通过方程（1）特征方程有n个不同的实根，则，为任意常数；

（2）特征方程有r个不同的实根，其重数分别为，，则其中，为任意常数。

（3）若，特征方程有r个不同的复根（），其重数分别为，所有复根重数之和为，则

定理2

n阶常系数齐次线性微分方程的通解为：定理2n阶常系数齐次线性微分方程的通解为：3．二阶常系数非齐次线性微分方程的特解设为对应的齐次方程的i()重根，其中，与分别是次多项式，为常数。则存在次多项式使非齐次方程有如下形式的特解：定理3:3．二阶常系数非齐次线性微分方程的特解设为与分别是次多项式，

与为常数，

则

的特解为：定理4:与分别是二阶非齐次线性微分方程定理5:的特解为通解为二阶非齐次线性微分方程定理5:的特解为通解为三、Euler方程在微分方程中，我们还经常遇到一类特殊的非常系数非齐次线性微分方程——Euler方程的求解：三、Euler方程在微分方程中，我们还经常遇到一类特殊的非常四、Bessel方程定义2

二阶线性微分方程

称为Bessel方程，为非负常数。四、Bessel方程定义2二阶线性微分方程称为Bess定义4

二阶线性微分方程

称为半奇数阶Bessel方程。(m为整数)定义4二阶线性微分方程称为半奇数阶Bessel方程。(定义5

二阶线性微分方程

称为虚宗量Bessel方程。定义5二阶线性微分方程称为虚宗量Bessel方程。五、Legendre方程与Sturm

Liouville方程定义6

二阶线性微分方程

称为n阶Legendre方程。五、Legendre方程与SturmLiouville方程定义7

二阶线性微分方程称为Sturm

Liouville方程。定义7二阶线性微分方程称为SturmLiouville六、微分方程解的理论基础定义8

对于一阶微分方程，称以下问题为Cauchy问题： 六、微分方程解的理论基础定义8

对于一阶微分定义9

对于二阶微分方程，称以下问题为边值问题：定义9

对于二阶微分方程，称以下问题为边值设为方程的平凡解，若，当

时，对，有，则称解稳定。定义10:设为方程的平凡解定义11:设为方程的平凡解，若，当时，，有，则

称解不稳定。定义11:设为方程1.2积分方程基础定义1

积分号下含有未知函数的方程称为积分方程。若方程关于未知函数是线性的，则称之为线性积分方程；否则该积分方程称为非线性积分方程。

定义2

若未知函数只出现在积分号下，称为第一类线性积分方程；若未知函数不仅出现在积分号下，还出现在其他部分，则称为第二类线性积分方程。1.2积分方程基础定义1

积分号下含有未知函数的方程定义3

若含参数齐次方程，在有非零解，则称为特征值，相应的解为特征函数。特征函数构成的空间称为线性空间，其维数称为的重数。定义3

若含参数齐次方程定理1

若在，在内都连续，且，，

。级数在一致绝对收敛，并且为方程

的唯一解。定理1

若在，定义4

若，与都线性无关，则称为退化核。为退化核，则方程

变为代入原方程得定义4

若，1.3场论基本概念一、散度与通量设S是一分片光滑的有向曲面，其单位侧向量为，则向量场沿曲面S的第二类曲面积分称为向量场通过曲面S向着指定侧的通量。1.3场论基本概念一、散度与通量设S是一分片光滑的有向曲如果S是一分片光滑的闭曲面，为外法向，V为S所包围的空间区域，由Gauss公式有其中，称为向量场的散度，记为，即如果S是一分片光滑的闭曲面，为外法向，V为S所包围的空间区域二、环流量与旋度对于给定向量场设L为场内一有向闭曲线，L上与指定方向一致的单位切向量为，则称积分为向量场沿有向闭曲线L的环流量。二、环流量与旋度对于给定向量场设L为场内一有向闭曲线，L上与设S是以L为边界的有向曲面，曲线L的方向与曲面S的侧符合右手规则，由Strokes公式，有其中，向量为有向曲面S的单位法向量的方向余弦，向量场的旋度记为，且旋度是一个向量，它是由向量场产生的向量场，称为旋度场。设S是以L为边界的有向曲面，曲线L的方向与曲面S的侧符合右手1.4常用算符与函数一、常用算符求导算子D：梯度算子与Laplace算子是两个最基本的算符：1.4常用算符与函数一、常用算符求导算子D：梯度算子设为向量场，为数值函数，则有以下公式：设为向量场，定理1

设平面区域D由分段光滑的闭曲线L围成，函数、在L上具有一阶连续偏导数，则有Green公式：式中，L的方向为区域D边界曲线的正向。定理1

设平面区域D由分段光滑的闭曲线L围成，函数定理2

设曲线L为分段光滑的空间有向闭曲线，S为以L为边界的任意分片光滑的有向曲面。函数、、在包含S的某一个空间区域内具有一阶连续偏导数，则有Strokes公式定理2

设曲线L为分段光滑的空间有向闭曲线，S为以L为边定理3

设分片光滑的有向闭曲面围成空间区域V。函数、、在V上具有一阶连续偏导数，则有Gauss公式：式中，S为空间区域V的外侧。定理3

设分片光滑的有向闭曲面围成空间区域V。函数二、函数、

函数与误差函数1．函数是指二、函数、函数与误差函数1．函数是指2．

函数是指

函数的主要性质有：2．函数是指函数的主要性质有：3．误差函数是指余误差函数是指主要性质有：3．误差函数是指余误差函数是指主要性质有：三、常用结论命题1

，其球坐标表示为。n为以原点为球心，半径为r的球面的外侧，则三、常用结论命题1

命题2命题21.5常用物理规律1．Newton第二定律。平动规律：；转动规律：。

2．Hooke定律。（1）在弹性限度内，弹簧的弹力和弹簧的伸长成正比：。其中，k为弹簧的弹性系数。负号表示弹力的方向和形变量的方向相反。

（2）弹性体的应力p与弹性体的相对伸长成正比：。其中，Y为杨氏模量，表示相对伸长。1.5常用物理规律1．Newton第二定律。平动规律：3．Fourier实验定律（即热传导定律）。当物体内存在温差时，会产生热量的流动。在dt时间内，沿热流方向流过面积微元dS的热量为，其中k称热传导系数，它与物体的材料有关；式中的负号表示热量由高处流向低处；为温度沿热流方向的方向导数。热流密度q为3．Fourier实验定律（即热传导定律）。当物体内存在温差4．Newton冷却定律。设为周围介质的温度，为物体的温度。物体冷却时单位时间内流过单位面积放出的热量与物体和外界的温度差（）成正比，即热流密度q为。5．热量守恒定律。物体内部温度升高所吸收的热量，等于流入物体内部的净热量与物体内部的源所产生的热量之和。4．Newton冷却定律。设为周围介质的温度，6．扩散实验定律。当物体内浓度分布不均匀时会引起物质的扩散运动。沿粒子流方向流过面积微元dS的粒子质量为，其中k称为扩散系数，它与材料有关；负号表示粒子流由浓度高处流向低处，为温度沿热流方向的方向导数。粒子流密度q为。7．电荷守恒定律。电荷既不能创造，也不能消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。6．扩散实验定律。当物体内浓度分布不均匀时会引起物质的扩散运8．Coulomb定律。放置于坐标原点的电量为e的点电荷所产生电场（介电常数为）的电位势为。9．Gauss定律。通过一个任意闭合曲面的电通量，等于这个闭曲面所包围的自由电荷的电量的倍。即。其中，为介电常数，为体电荷密度。8．Coulomb定律。放置于坐标原点的电量为e的点电荷所产10．Joule

Lenz定律。电流通过纯电阻的一导体时所放出的热量跟电流强度的平方、导线的电阻和通电的时间成正比。即。11．Kirchhoff定律。（1）第一定律。会合在节点的电流代数和为零，即。（2）第二定律。沿任一闭合回路的电势增量的代数和为零，即。10．JouleLenz定律。电流通过纯电阻的一导体时所放12．Faraday电磁感应定律。不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比，即

式中，N为感应回路串联线圈的匝数。此即Faraday电磁感应定律。由该定律知，当闭合回路（或线圈）中的电流发生变化而引起自身回路的磁通量改变而产生的自感电动势为式中，L为自感系数。

12．Faraday电磁感应定律。不论任何原因使通过回路面积2.1波动方程及定解条件2.2热传导方程及定解条件2.3稳态方程的定解问题2.4方程的化简与分类2.5二阶线性偏微分方程理论2.6

函数笫二章定解问题与偏微分方程理论2.1波动方程及定解条件笫二章定解问题与偏微分方程理2.1波动方程及定解条件一、波动方程的建立细弦线横振动问题。设有一根均匀柔软的细弦线，一端固定在坐标原点，另一端沿x轴拉紧固定在x轴上的L处，受到扰动，开始沿x轴（平衡位置）上下作微小横振动（细弦线上各点运动方向垂直于x轴）。试建立细弦线上任意点位移函数所满足的规律。2.1波动方程及定解条件一、波动方程的建立细弦线横振动问二、定解条件1．初始条件波动方程含有对时间的二阶偏导数。因此，一般要给出两个初始条件。对于做机械运动的物体，其初始条件可以从系统各点的初位移和初速度考虑，即二、定解条件1．初始条件波动方程含有对时间的二阶偏导数。因此2．边界条件描述物理问题在边界上受约束的状态，

归结为三类边界条件。（1）第一类边界条件：给出未知函数u在边界上的分布值。例如，长为L的细弦线横振动，细弦线的两端固定在原点和x轴的L处，其边界条件为，称固定端。（2）第二类边界条件：给出未知函数u在边界上的法向导数值。

（3）第三类边界条件：第一类和第二类边界条件的线性组合。2．边界条件描述物理问题在边界上受约束的状态，

归结为三类边2.2热传导方程及定解条件一、热传导方程细杆的横截面积为常数A，又设它的侧面绝热，即热量只能沿长度方向传导，由于细杆很细，以致在任何时刻都可以把横截面积上的温度视为相同，密度为

。试求细杆的温度分布规律。2.2热传导方程及定解条件一、热传导方程细杆的横截面积二、扩散方程的建立*设半导体材料每点的横截面积相等，其值为A；在这块材料中，有一种杂质正在扩散，我们用u表示杂质浓度，即单位体积内所含杂质的质量；由于各个横截面上杂质的浓度不一样，而且它又是随时间改变的（设同一时间同一横截面上各点处的浓度是相同的），所以浓度u既是位置x的函数，又是时间t的函数，即。求满足的规律。二、扩散方程的建立*设半导体材料每点的横截面积相等，其值为A三、定解条件1．初始条件热传导方程含有对时间的一阶偏导数，故只要一个初始条件——初始时刻的温度分布。2．边界条件（1）第一类边界条件，给定温度在边界上的值。若细杆在x=0端保持为零度，端保持为度，则有：

，。

（2）第二类边界条件，给定温度在边界上的法向导数值。

（3）第三类边界条件，给定边界上温度与温度的法向导数的线性关系。三、定解条件1．初始条件热传导方程含有对时间的一阶偏导数，故2.3稳态方程的定解问题一、静电场的电位方程设空间有一分布电荷，其体密度为，E表示电场强度，表示电位，在国际单位制下，静电场满足：（1）静电场的发散性：；（2）静电场的无旋性：；（3）静电场存在场势函数：2.3稳态方程的定解问题一、静电场的电位方程设空间有一分二、自由电磁波方程设空间中没有电荷，且和分别表示电场强度和磁场强度。由电磁场理论，描述介质中电磁场运动的Maxwell方程组的微分形式为二、自由电磁波方程设空间中没有电荷，且和分别表示电场强度和磁三、稳态场定解条件的提法1．边界条件边界条件共分三类，第一类、第二类、第三类边界条件也是分别给出边界上未知函数值、未知函数的导数值或两者的线性关系。稳态场方程加上第一类、第二类、第三类边界条件构成的定解问题分别称为第一类、第二类、第三类边值问题，也依次称为Dirichlet问题、Neumann问题和Robin问题。三、稳态场定解条件的提法1．边界条件边界条件共分三类，第一类2．衔接条件性质1在两种介质的分界面上，静电场电势的边值关系为

式中，与分别为界面两侧介质的电势和介电常数；n是界面上由介质1指向介质2的法向单位向量；是界面上的自由电荷面密度。2．衔接条件性质1性质2

若为导体的电势，为绝缘介质的电势，

为封闭面S所包围的电量的代数和，则在导体与介质分界面上电势u的边值关系为性质2

若为导体的电势，为绝缘介质的电势，

3．有限性条件

例如，在静电场中常利用在坐标原点电势有限的条件

（当原点无点电荷时）。4．周期性条件由于物理量在同一点、在同一时刻有确定值，在采用球坐标系（或柱坐标系）时，就必然导致周期性条件，因为

与均表示空间同一点，由电势的唯一性可得

3．有限性条件

例如，在静电场中常利用在坐标原点电势有限的2.4方程的化简与分类一、方程的化简、特征方程二、方程的分类若在区域D中某点，有（或），我们就称方程式在点为双曲型（或抛物型，或椭圆型）。若方程在某个区域中的每一点均为双曲型（或抛物型，或椭圆型），我们就称方程在区域D上是双曲型（或抛物型，或椭圆型）。2.4方程的化简与分类一、方程的化简、特征方程二、方程的2.5二阶线性偏微分方程理论一、叠加原理定义1

泛定方程是线性的，而且定解条件也是线性的，这种定解问题称为线性定解问题。2.5二阶线性偏微分方程理论一、叠加原理定义1

泛定定义2

对于一个算子T，若满足则称算子T为线性算子。定义2

对于一个算子T，若满足叠加原理1

设满足线性方程（或线性定解条件）

（）那么这些解的线性组合必满足方程

（或定解条件）：。叠加原理2

设满足线性方程（或线性定解条件）

（）且级数收敛，并满足算子中出现的偏导数与求和记号交换次序所需要的条件，那么满足线性方程（或定解条件）叠加原理1设满足线性方程（或线性定解条件）叠加原理3

设满足线性方程（或线性定解条件）

其中，M表示自变量组；M0为参数组。且积分

收敛，并满足中出现的偏导数与积分运算交换次序所需要的条件，那么满足方程（或定解条件）

特别地，当满足齐次方程（或齐次定解条件）时，也满足此齐次方程（或齐次定解条件）。叠加原理3设满足线性方程（或线性定解条件）

二、齐次化原理齐次化原理1设满足齐次方程的Cauchy问题（这里，M是自变量组为参数）

二、齐次化原理齐次化原理1设齐次化原理2设满足Cauchy问题则Cauchy问题齐次化原理2设满足Cau三、解的适定性一个定解问题提得是否符合实际情况，当然必须靠实践来证实。然而从数学角度来看，可以从三方面加以检验：（1）解的存在性：研究所归结出来的定解问题是否有解。（2）解的唯一性：研究定解问题是否只有一个解。（3）解的稳定性：即看当定解条件有微小变动时，解也相应地只有微小的变动，则称解具有稳定性。在具体问题中解的稳定性是必需的，否则所得的解就无实用价值。三、解的适定性一个定解问题提得是否符合实际情况，当然必须靠实2.6

函数（1）对称性。，即是偶函数。形式地作变量代换，对于任何连续函数，有

这就说明了等式的合理性。更一般地，有对称性

，即对任何连续函数，有把上式中的与变换位置，得。

（2）函数的导数。设，则由定义的算符称为函数的导数。这个定义的合理性可由下面形式的分部积分看出：2.6函数（1）对称性。3.1齐次弦振动方程的分离变量法3.2热传导方程混合问题分离变量法3.3二维定解问题分离变量法3.4高维混合问题的分离变量法3.5非齐次方程定解问题的解3.6非齐次边界条件定解问题的解3.7Sturm

Liouville固有值问题第三章分离变量法3.1齐次弦振动方程的分离变量法第三章分离变量法3.1齐次弦振动方程的分离变量法一、求解弦振动方程的混合问题其中为已知函数。3.1齐次弦振动方程的分离变量法一、求解弦振动方程的混合1．当时，方程的通解为2．当时，方程的通解为

。其中A,B为两个任意常数。代入边界条件，得3．当时，方程的通解为1．当时，方程的通解为二、级数解的物理意义是由一系列频率不同、相位不同、振幅不同的驻波叠加而成的。所以分离变量法又称为驻波法。各驻波振幅的大小和相位的差异，由初始条件决定，而圆频率

与初始条件无关，所以也称为弦的固有频率。二、级数解的物理意义是由一三、解的适定性1．解的存在性可以验证上述Fourier解，既满足方程，又满足边界条件和初始条件。为了保证解的存在性，我们需要以下两个充分条件：三、解的适定性1．解的存在性可以验证上述Fourier解，既2．能量积分和解的唯一性弦振动的动能为，而位能为，弦振动的总能量

称为一维波动方程的能量积分。在没有外力作用的情况下，总能量

应该是守恒的。

2．能量积分和解的唯一性弦振动的动能为3.2热传导方程混合问题分离变量法在讨论热传导方程混合问题的求解时，如果所取的边界条件是第一类的，当使用分离变量法时，它与上节所运用过的求解方法相类似，这里就不再重复了。如果所取的边界条件其一端点上是第一类的，另一端点上是第二类的，那么当使用分离变量法时，其基本思路和步骤与上节所运用过的求解方法也是一致的，只是特征值问题有所不同。3.2热传导方程混合问题分离变量法在讨论热传导方程混合问定理1（极值原理）

区域R为，Г为区域R的边界。假设函数在闭域：上连续，在上满足热传导方程，则该函数在区域上的最大值、最小值必在其边界曲线Г上取得，即定理2

热传导混合问题的解具有唯一性和稳定性。定理1（极值原理）

区域R为3.3二维定解问题分离变量法求解下列定解问题：其中，A为常数。3.3二维定解问题分离变量法求解下列定解问题：3.4高维混合问题的分离变量法例1求边长分别为的长方体中的温度分布，设物体表面温度保持零度，初始温度分布为例2求解三维静电场的边值问题：3.4高维混合问题的分离变量法例1求边长分别为3.5非齐次方程定解问题的解I：这里，及分别是关于及的二阶常系数线性偏微分算子，都是非负常数，

。当是一阶算子时，问题I中的初始条件只有：。求解这类定解问题的一般方法有两种：固有函数法和齐次化原理法。3.5非齐次方程定解问题的解I：这里，及分别3.6非齐次边界条件定解问题的解现将解定解问题的主要步骤小结如下：1．根据边界的形状选取适当的坐标系，选取的原则是使在此坐标系中边界条件的表达式最为简单。圆、圆环、扇形等域用极坐标系较方便，圆柱形域与球域分别用柱坐标系与球坐标系较方便。2．若边界条件是非齐次的，又没有其他条件可以用来定固有函数，则不论方程是否为齐次，必须先作函数的代换使之化为具有齐次边界条件的问题，然后再求解。3．非齐次方程、齐次边界条件的定解问题（不论初始条件如何）可以分为两个定解问题，其一是具有原来初始条件的齐次方程的定解问题，其二是具有齐次定解条件的非齐次方程的定解问题。第一个问题用分离变量法求解，第二个问题按固有函数法求解或用齐次化原理求解。3.6非齐次边界条件定解问题的解现将解定解问题的主要步骤3.7Sturm

Liouville固有值问题一、Sturm

Liouville方程定理1

对于第三类边值问题在条件k(x)及其一阶导数和在上连续，k(x)，，在区间内为正，在内连续，且在端点a和b上至多有一级极点，而k(x)与

至多有一级零点，3.7SturmLiouville固有值问题一、Stu（1）固有值具有可数性。存在无穷多个实的固有值递增序列；

与其对应的固有函数。（2）固有值的非负性。。（3）固有函数系的正交性。设是任意两个不同固有值，则对应的固有函数与

在区间以权函数正交，即有（1）固有值具有可数性。存在无穷多个实的固有值递增序列4．展开定理。定义在区间上并满足固有值问题的边界条件的任意个具有一阶连续导数f(x)和二阶逐段连续导数的函数可按固有函数系展成绝对且一致收敛的级数其中称为展开式的系数或广义Fourier系数。4．展开定理。定义在区间上并满足固有值问4.1一维波动方程的d

Alembert公式4.2半无界弦振动问题4.3高维波动方程Cauchy问题4.4非齐次波动方程解法第四章行波法4.1一维波动方程的dAlembert公式第四章行4.1一维波动方程的d

Alembert公式定义1

由过点的两条斜率分别为的直线在x轴所截得的区间称为点的依赖区间。定义2

区间的决定区域是指过点作斜率为

的直线，过点作斜率为的直线

，它们和区间一起构成的三角形区域。4.1一维波动方程的dAlembert公式定义1由数学物理方程ppt4.2半无界弦振动问题一、端点固定端点固定的半无界弦振动定解问题是为了把半无界问题作为保持的无界问题来处理，必须把、和延拓到整个无界区域。4.2半无界弦振动问题一、端点固定端点固定的半无界弦振动二、端点自由定解问题是同理，将d

Alembert解代入，得又由于初始位移和初始速度独立，得可见，及均应为正常化的偶函数。二、端点自由定解问题是同理，将dAlembert解代入，得4.3高维波动方程Cauchy问题一、三维波动方程的球对称解将波函数u用空间球坐标（）表示。球对称就是指u与都无关。在球坐标系中，波动方程变为4.3高维波动方程Cauchy问题一、三维波动方程二、三维波动方程Cauchy问题平均值法平均值法可以将三维无界空间的自由振动转化成球对称情形，把一维的d

Alembert公式推广到三维。设

在以为中心、r为半径的球面上的平均值为。则二、三维波动方程Cauchy问题平均值法平均值法可以将三维无三、二维波动方程Cauchy问题的降维法二维波动方程Cauchy问题是三、二维波动方程Cauchy问题的降维法二维波动方程Cauc四、波动方程Cauchy问题一维、二维、三维的比较考查二维和三维波动方程Cauchy问题四、波动方程Cauchy问题一维、二维、三维的比较考查二维和1．是一个任意函数。令

则是函数在区间上的算术平均值，积分的大小依赖于区间的中点x和区间的半径长。2．函数，总满足方程。3．如果要求还满足初始条件，则只需将被积函数

换成。如果还要求满足初始条件，只需将换成。两者都换了以后，就成为波动方程一维初值问题的解。1．是一个任意函数。令

五、Poisson公式的物理意义五、Poisson公式的物理意义4.4非齐次波动方程解法为了求解无界空间中非齐次波动方程定解问题将定解问题化为4.4非齐次波动方程解法为了求解无界空间中非齐次波动方程5.1Fourier变换5.2Fourier变换的应用5.3Laplace变换5.4Laplace变换的应用5.5其他的积分变换第五章积分变换5.1Fourier变换第五章积分变换5.1Fourier变换一、Fourier变换的定义定理1

若,且在一个周期内只有有限个第一类间断点与极值点，则其中

5.1Fourier变换一、Fourier变换的定义定理定义1

称为f(x)的Fourier变换，f(x)称为

的Fourier逆变换。Fourier变换有多种形式。这些形式的差异主要体现在积分号前的系数以及被积函数中指数函数的指数符号。本书采用工程应用中典型的定义形式，这样的Fourier变换许多性质也可以从物理上得到解释。定义1称为f(x)的Fourier变二、正（余）弦变换的定义定义2Fourier余弦变换是指定义3Fourier逆余弦变换是指二、正（余）弦变换的定义定义2Fourier余弦变换是指定义4Fourier正弦变换是指定义5Fourier逆正弦变换是指定义4Fourier正弦变换是指三、Fourier变换的基本性质性质1

Fourier变换是一个线性变换：对于任意常数、与任意函数、有定义6

设都满足Fourier变换的条件，则称

为的卷积。记为三、Fourier变换的基本性质性质1

Fourier变性质2

的卷积的Fourier变换等于的Fourier变换的乘积：性质2

的卷积的Four性质3

乘积的Fourier变换等于它们各自的Fourier变换的卷积再乘以系数，即性质4性质3

乘积的Fouri性质5性质6

设为任意常数，则性质7

设为任意常数，则性质8性质5性质6

设为任意常数，则性质7

设性质9性质10性质11性质12性质9性质10性质11性质12四、n维Fourier变换四、n维Fourier变换n维Fourier变换具有的性质n维Fourier变换具有的性质五、Fourier变换在常微分方程中的应用例3求解五、Fourier变换在常微分方程中的应用例3求解5.2Fourier变换的应用Fourier变换法求解步骤为：（1）对定解问题作Fourier变换；（2）求解像函数；（3）对像函数作Fourier逆变换。5.2Fourier变换的应用Fourier变换法求解步5.3Laplace变换一、Laplace变换的定义定义1

积分变换称为的Laplace变换，记作称为Laplace逆变换，记

作5.3Laplace变换一、Laplace变换的定义定义二、Laplace变换的存在定理定理1

若f(x)函数满足下述条件：（1）当x<0时,f(x)=0；当时，f(x)在任一有限区间上分段连续。（2）当时，f(t)的增长速度不超过某一指数函数，即存在常数M及，使得

，则在半平面上存在且解析。

二、Laplace变换的存在定理定理1若f(x)函数满足三、常用函数的Laplace变换1．若（a为复数），则2．若或（），则三、常用函数的Laplace变换1．若3．若，，

则分别令，则即3．若，四、Laplace变换的性质1．线性定理若为任意常数，则四、Laplace变换的性质1．线性定理若2．延迟定理2．延迟定理3．位移定理设a为复数，则有3．位移定理设a为复数，则有4．相似定理4．相似定理5．微分定理设分段连续，则5．微分定理设6．积分定理6．积分定理7．像函数的微分定理7．像函数的微分定理8．像函数的积分定理8．像函数的积分定理9．卷积定理9．卷积定理10．10．五、展开定理1．Jordan引理设L为平行于虚轴的固定直线,为一族以原点为中心并在L左边的圆弧，的半径随而趋于无穷。若在上，函数满足，则对任一正数x，均有五、展开定理1．Jordan引理设L为平行于虚轴的固定直线,2．展开定理设解析函数满足条件：（1）在开平面内只有极点为其奇点

，且这些极点都分布在半平面上；

（2）存在一族以原点为圆心，以（）为半径的圆周，在这族圆周上，；

（3）对任意一个，积分绝对收敛。则的原像f(x)为2．展开定理设解析函数满足条件：（1）在开平面5.4Laplace变换的应用例1用Laplace变换求解5.2节例4的定解问题5.4Laplace变换的应用例1用Laplace变5.5其他的积分变换定义1Hankel变换是指，为Bessel函数。

定义2Hankel逆变换是指

定义3Mellin变换是指

定义4Mellin逆变换是指5.5其他的积分变换定义1Hankel变换是指6.1Poisson方程与Laplace方程的边值问题6.2Green公式及调和函数的性质6.3Dirichlet与Neumann问题解的适定性6.4Poisson方程Dirichlet问题Green函数法6.5几种特殊区域上Dirichlet问题的Green函数6.6Laplace方程与热传导方程的基本解6.7波动方程的基本解6.8Poisson方程边值问题近似求法简介第六章Green函数法6.1Poisson方程与Laplace方程的边值问题第6.1Poisson方程与Laplace方程的边值问题Dirichlet问题（第一类边值问题）：在空间中某一区域V的边界S上给定了一个连续函数，要求找出一个函数满足以下定解问题称这两个定解问题分别为Laplace方程Dirichlet问题与Poisson方程Dirichlet问题。6.1Poisson方程与Laplace方程的边值问题DNeumann问题（第二类边值问题）：在空间中某光滑的闭曲面S上给出连续函数，要求找出一个函数，在V内满足这里是S的外法线方向。则称这两个定解问题分别为Laplace方程Neumann问题与Poisson方程Neumann问题。Neumann问题（第二类边值问题）：在空间中某光滑的闭曲面Robin问题（第三类边值问题）：若

在V内满足称这两个定解问题分别为Laplace方程Robin问题与Poisson方程Robin问题。Robin问题（第三类边值问题）：若

在V内满足称这两个定解6.2Green公式及调和函数的性质一、Green公式设V是以分片光滑的曲面S为边界的有界区域，

在上连续,在V内具有一阶连续的偏导数，则成立如下的Gauss公式6.2Green公式及调和函数的性质一、Green公式设数学物理方程ppt定理1Poisson方程Robin问题的解为其中，侧向量为曲面外侧。定理1Poisson方程Robin问题的解为其中，侧向量推论1Laplace方程Robin问题的解为其中，侧向量为曲面外侧。推论1Laplace方程Robin问题的解为其中，侧向量二、调和函数性质定义1

如果函数在区域（S是区域V的边界）上连续，具有二阶的连续偏导数，且满足Laplace方程：则称为区域V上的调和函数。二、调和函数性质定义1如果函数性质1

设是区域V上的调和函数，则有其中，是n沿V的边界面S的外法线方向。性质1

设是区域V上的调推论2Laplace方程Neumann问题：有解的必要条件为。推论2Laplace方程Neumann问题：有解的必要条性质2

设是区域上的调和函数，则有其中，n是沿V的边界面S的外法线方向。性质2

设是区域上的调和函性质3

设是区域V上的调和函数，则

在球心的值等于它在球面上的算术平均值，即其中，是以为球心、R为半径的球面，且完全落在V中。性质3

设是区域V上的调和函性质4（极值原理）

假设在有界区域V内是调和函数，在闭区域上连续，若不为常数，则的最大值和最小值只能在边界面S上达到。性质4（极值原理）

假设在有界区域V内是调推论4

设在有界区域V内的调和函数，在闭区域

上为连续，如果还在V的边界面S上恒为零，则它在V内各点处的值都等于零。推论4

设在有界区域V内的调和函数，在闭区域

推论5

设在有界区域V内的两个调和函数，在闭区域上为连续，如果它们还在区域V的边界面S上取相等的值，则它们在V内所取的值也彼此相等。推论5

设在有界区域V内的两个调和函数，在闭区域6.3Dirichlet与Neumann问题解的适定性定义1

设定解问题由边界条件得到的解为，由边界条件得到的解为，如果在所讨论的区域中，对于任给的，总可以找到，使得当时，，称解对边界条件是稳定的。6.3Dirichlet与Neumann问题解的适定性定定理1

方程的Dirichle问题的解是唯一的，对边界条件是稳定的。定理2

方程的Neumann问题的解，若不计任意常数的差别，也仍然是唯一的。定理3

方程的Neumann问题的解对边界条件不稳定。定理1

方程的Dirichle问题的6.4Poisson方程Dirichlet问题Green函数法一、空间Dirichlet问题Green函数法Green函数的性质主要有：（1）Green函数在有一个奇点，其中

（2）Green函数是以下Poisson方程Dirichlet问题的解6.4Poisson方程Dirichlet问题Green（3）定解问题的Green函数仅依赖于区域，与边界条件无关。只要求得了区域的Green函数，就可以解决一类Poisson方程Dirichlet问题。（4）对于一些特殊区域，如球与半空间、圆与半平面等，Green函数都可用简单的物理方法求得。（5）Green函数有对称性：（3）定解问题的Green函数仅定理1

Poisson方程Dirichlet问题的解为定理1

Poisson方程Dirichlet问题的解为定理2

Laplace方程Dirichlet问题的解为定理2

Laplace方程Dirichlet问题的解为二、平面中Dirichlet问题的Green函数法定理3

平面Poisson方程Robin问题的解为二、平面中Dirichlet问题的Green函数法定理3定理4

平面Laplace方程Robin问题的解为式中n为曲线L的外法向量。定理4

平面Laplace方程Robin问题的解为式中n定理5

平面Poisson方程Dirichlet问题的解为定理5

平面Poisson方程Dirichlet问题的解定理6

平面Laplace方程Dirichlet问题的解为定理6

平面Laplace方程Dirichlet问题的解定义2

若满足以下定解问题，则称之为平面区域上Poisson方程Dirichlet问题的Green函数：其中，封闭曲线L为区域D的边界。定义2

若满足以下定解问题，三、Poisson方程初始边界问题的Green函数法定义3

定解问题的解称为时边问题的Green函数。三、Poisson方程初始边界问题的Green函数法定义3定理7

时边问题的解为定理7时边问题的解为6.5几种特殊区域上Dirichlet问题的Green函数一、球和半空间上的Green函数定理1Poisson方程Dirichlet问题在球域上的解为6.5几种特殊区域上Dirichlet问题的Green函推论1Laplace方程Dirichlet问题在球域上的解为推论1Laplace方程Dirichlet问题在球域上的定理2Poisson方程Dirichlet问题在半空间z>0上的解为定理2Poisson方程Dirichlet问题在半空间z推论2Laplace方程Dirichlet问题在半空间z>0上的解为推论2Laplace方程Dirichlet问题在半空间z二、圆和半平面上的Green函数定理3

平面Poisson方程Dirichlet问题的解为二、圆和半平面上的Green函数定理3平面Poisson推论3

平面Laplace方程Dirichlet问题的解为推论3平面Laplace方程Dirichlet问题的解为定理4

上半平面Poisson方程Dirichlet问题的解的表达式为定理4上半平面Poisson方程Dirichlet问题的推论4

上半平面Laplace方程Dirichlet问题的解的表达式为推论4上半平面Laplace方程Dirichlet问题的三、第一象限上的Green函数平面第一象限上的Green函数相当于求解定解问题三、第一象限上的Green函数平面第一象限上的Green函数6.6Laplace方程与热传导方程的基本解一、Lu=0型方程的基本解定义1

方程的解称为方程的Green函数，又称为基本解。放置于坐标原点的电量为的点电荷的场的势函数满足Poisson方程：6.6Laplace方程与热传导方程的基本解一、Lu=0定义2

方程的解称为Poisson方程的基本解。定理1

若U是一个基本解，u是相应齐次方程的任一解，则仍是基本解，而且方程的全体基本解都可以表示成这种形式。定理2

若是连续函数，满足方程，则卷积定义2

方程二、Poisson方程的基本解定理3

空间Poisson方程的特解为其中，

二、Poisson方程的基本解定理3

空间Poisson三、热传导方程Cauchy问题的基本解定理4

设是连续函数，且存在

，则定解问题的解为三、热传导方程Cauchy问题的基本解定理4

设定理5（

1）一维热传导方程Cauchy问题的基本解为（2）二维热传导方程Cauchy问题的基本解为（3）三维热传导方程Cauchy问题的基本解为定理5（1）一维热传导方程Cauchy问题的基本解为四、热传导方程边值问题的基本解定义3

定解问题的解称为的基本解。四、热传导方程边值问题的基本解定义3定解问题的解定理7

热传导方程边值问题的解为定理7热传导方程边值问题的解为6.7波动方程的基本解一、波动方程Cauchy问题的基本解定义1

定解问题的解称为Cauchy问题6.7波动方程的基本解一、波动方程Cauchy问题的基本定理1

设都是连续函数，

都存在，则Cauchy问题的解为定理1

设二、波动方程边值问题的基本解定义2

定解问题的解称为边值问题的基本解。二、波动方程边值问题的基本解定义2定解问题的解定理3

设都是连续函数，则边值问题的解为定理3

设都6.8Poisson方程边值问题近似求法简介一、Ritz法定义1

称为

极值问题的Euler

Lagrange方程。6.8Poisson方程边值问题近似求法简介一、Ritz二、Ritz法Dirichlet定理定理1（Dirichlet）

Laplace方程第三边值问题

的解，使泛函取得最小值；反之，使泛函取得最小值的函数，一定是Laplace方程第三边值问题的解。二、Ritz法Dirichlet定理定理1（Dirichle7.1Bessel方程及其幂级数解7.2Bessel函数的母函数及递推公式7.3Bessel函数的正交性及其应用7.4Bessel函数的其他类型第七章Bessel函数7.1Bessel方程及其幂级数解第七章Bessel7.1Bessel方程及其幂级数解一、Bessel方程的引出例1设有一个半径为的薄圆盘，其侧面绝缘，若圆盘边界上的温度恒保持为零度，且初始温度为已知

。求圆盘内的瞬时温度分布规律。例2在圆柱内传播的电磁波问题。设沿方向均匀的电磁波在底半径为1的圆柱域内传播，在侧面沿法向方向导数为零，从静止状态开始传播，初始速度为

。求其传播规律（假设对极角对称）。7.1Bessel方程及其幂级数解一、Bessel方程的二、Bessel方程的求解定义1Neumann函数称为第二类Bessel函数。这个无穷级数所确定的函数，称为阶第一类Bessel函数，记作二、Bessel方程的求解定义1Neumann函数称为第7.2Bessel函数的母函数及递推公式一、Bessel函数的母函数（生成函数）定义1

函数称为Bessel函数的母函数。7.2Bessel函数的母函数及递推公式一、Bessel二、Bessel函数的积分表达式二、Bessel函数的积分表达式三、Bessel函数的递推公式第二类Bessel函数也具有与第一类Bessel函数相同的递推公式：三、Bessel函数的递推公式第二类Bessel函数也具有与四、渐近公式、衰减振荡性和零点Bessel函数的渐近公式零点的近似公式的无穷多个实零点是关于原点对称分布的，必有无穷多个正零点。四、渐近公式、衰减振荡性和零点Bessel函数的渐近公式零1．有无穷多个单重实零点，且这无穷多个零点在轴上关于原点是对称分布的。因而，必有无穷多个正的零点；2．的零点与的零点是彼此相间分布的，即的任意两个相邻零点之间必存在一个且仅有一个的零点；3．以表示的正零点，则当

时无限地接近于，即几乎是以2为周期的周期函数。1．有无穷多个单重实零点，且这无穷多个零点在轴上关7.3Bessel函数的正交性及其应用一、Bessel函数的正交性定理1

Bessel函数系具有正交性：7.3Bessel函数的正交性及其应用一、Bessel函定义1

定积分的平方根，称为Bessel函数

的模值。定理2

若在区间[0,R]至多有有限个跳跃型间断点，则f(x)在区间（0,R）内在连续点处的Bessel展开级数收敛于该点的函数值，在间断点收敛于该点左右极限的平均值。定义1

定积分二、Bessel函数应用举例例1设是方程的所有正根，试将函数展开成Bessel函数的级数。例2半径为b，高为h的均匀圆柱体，下底和侧面保持为零度，上底温度分布为。求圆柱内的稳定温度分布。二、Bessel函数应用举例例1设7.4Bessel函数的其他类型一、第三类Bessel函数第三类Bessel函数又名Hankel函数，它是由下列公式来定义的：，，7.4Bessel函数的其他类型一、第三类Bessel函二、虚宗量的Bessel函数关于第二类虚宗量Bessel函数定义如下：（1）当是非整数时（2）当为整数时

二、虚宗量的Bessel函数关于第二类虚宗量Bessel函数三、Kelvin函数（Thomson函数）三、Kelvin函数（Thomson函数）四、球Bessel函数不论是对热传导方程或对波动方程分离变量，都会导出所谓的球Bessel方程四、球Bessel函数不论是对热传导方程或对波动方程分离变量8.1Legendre方程及其幂级数解8.2Legendre多项式的母函数及递推公式8.3Legendre多项式的展开及其应用8.4连带Legendre多项式第八章Legendre多项式8.1Legendre方程及其幂级数解第八章Lege8.1Legendre方程及其幂级数解一、Legendre方程的引出在球坐标系中Laplace方程为8.1Legendre方程及其幂级数解一、Legendr二、Legendre方程的求解二、Legendre方程的求解三、Legendre多项式1．Legendre多项式其中三、Legendre多项式1．Legendre多项式其中2．Legendre多项式的微分表达式——Rodrigues公式定理1

满足Rodrigues公式2．Legendre多项式的微分表达式——Rodrigues3．Legendre多项式的积分表达式定理2

满足积分表达式3．Legendre多项式的积分表达式定理2

8.2Legendre多项式的母函数及递推公式一、Legendre多项式的母函数称为Legendre多项式的母函数。8.2Legendre多项式的母函数及递推公式一、Leg二、Legendre多项式的递推公式定理1Legendre多项式满足以下的递推公式：二、Legendre多项式的递推公式定理1Legendr8.3Legendre多项式的展开及其应用一、Legendre多项式的正交性定理1Legendre多项式序列

在区间[-1,1]上正交，即8.3Legendre多项式的展开及其应用一、Legen二、Legendre多项式的归一性定理2Legendre多项式满足二、Legendre多项式的归一性定理2Legendre三、展开定理的叙述定理3

若在区间[

1,1]