解偏微分方程(研究生课程)
偏微分方程与常微分方程的解法
偏微分方程与常微分方程的解法在数学领域中，微分方程是一类重要的方程，常见的包括偏微分方程和常微分方程。
本文将介绍偏微分方程和常微分方程的解法。
一、偏微分方程的解法偏微分方程是涉及多个变量的方程，其中包含了未知函数的偏导数。
解决偏微分方程的方法有很多种，以下将介绍其中两种常见的解法。
1. 分离变量法分离变量法是一种常用的解偏微分方程的方法。
首先，将多变量的偏微分方程转化为一个或多个只包含一个变量的常微分方程。
然后，通过求解这些常微分方程，得到原偏微分方程的解。
举例来说，考虑一个常见的分离变量法的应用：热传导方程。
热传导方程描述了物质内部温度的变化情况。
假设我们要解决一维热传导方程，可以将变量分离为时间变量和空间变量。
通过引入一个分离常数，将方程转化为两个常微分方程，然后求解这两个方程得到温度分布的解析解。
2. 变量替换法变量替换法是解决偏微分方程的另一种常见方法。
该方法通过引入适当的变量替换，将原方程转化为一个更简单的形式。
通过这种变换，可以使得方程的求解更加容易。
以二阶线性偏微分方程为例，假设要解决的方程为：$$\frac{{\partial^2 u}}{{\partial x^2}} + \frac{{\partial^2 u}}{{\partialy^2}} = 0$$我们可以通过引入新的变量替换，例如令$v = \frac{{\partialu}}{{\partial x}}$，将原方程转化为两个常微分方程$\frac{{dv}}{{dx}} = 0$和$\frac{{dv}}{{dy}} = 0$。
然后，求解这两个方程，再回代求解原方程，得到偏微分方程的解。
二、常微分方程的解法常微分方程是只依赖一个自变量的方程，其中包含了未知函数的导数。
解决常微分方程的方法也有很多种，以下介绍其中两种常见的解法。
1. 分离变量法分离变量法同样可用于求解常微分方程。
通过将方程中的未知函数和自变量分离，将其转化为可分离变量的形式。
第十章 偏微分方程数值解法
第十章 偏微分方程数值解法偏微分方程问题，其求解十分困难。
除少数特殊情况外，绝大多数情况均难以求出精确解。
因此，近似解法就显得更为重要。
本章仅介绍求解各类典型偏微分方程定解问题的差分方法。
§1 差分方法的基本概念1.1 几类偏微分方程的定解问题椭圆型方程：其最典型、最简单的形式是泊松（Poisson ）方程),(2222y x f yu x u u =∂∂+∂∂=∆ 特别地，当0),(≡y x f 时，即为拉普拉斯（Laplace ）方程，又称为调和方程2222=∂∂+∂∂=∆yux u u Poisson 方程的第一边值问题为⎪⎩⎪⎨⎧Ω∂=Γ=Ω∈=∂∂+∂∂Γ∈),(),(),(),(),(2222y x y x u y x y x f y ux u y x ϕ 其中Ω为以Γ为边界的有界区域，Γ为分段光滑曲线，ΓΩ称为定解区域，),(y x f ，),(y x ϕ分别为Ω，Γ上的已知连续函数。
第二类和第三类边界条件可统一表示为),(),(y x u u y x ϕα=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂Γ∈n 其中n 为边界Γ的外法线方向。
当0=α时为第二类边界条件， 0≠α时为第三类边界条件。
抛物型方程：其最简单的形式为一维热传导方程220(0)u ua a t x∂∂-=>∂∂ 方程可以有两种不同类型的定解问题：初值问题⎪⎩⎪⎨⎧+∞<<∞-=+∞<<-∞>=∂∂-∂∂x x x u x t x u a tu )()0,(,0022ϕ初边值问题221200,0(,0)()0(0,)(),(,)()0u ua t T x l t x u x x x lu t g t u l t g t t Tϕ⎧∂∂-=<<<<⎪∂∂⎪⎪=≤≤⎨⎪==≤≤⎪⎪⎩其中)(x ϕ，)(1t g ，)(2t g 为已知函数，且满足连接条件)0()(),0()0(21g l g ==ϕϕ边界条件)(),(),(),0(21t g t l u t g t u ==称为第一类边界条件。
偏微分方程的分类及其求解方法
偏微分方程的分类及其求解方法偏微分方程是数学中的一个重要分支，它是描述现实世界中各种自然现象的一种工具。
通俗来说，偏微分方程是一种与时间、空间或空间位置有关的方程式。
偏微分方程的应用范围极广，如物理、数学、金融等领域，它的求解方法也因其类别不同而不同。
偏微分方程的分类偏微分方程可以按照方程中未知函数的数量和自变量的数量分类。
1. 偏导数方程偏导数方程是指方程中只有一个未知函数，但它依赖于多个独立变量（通常是时间和空间）的变量。
常见的偏导数方程包括热传导方程和波动方程。
热传导方程：热传导方程可以描述物质中的热传导过程。
在物质内部，热会沿着温度梯度传导，从高温区域传到低温区域。
因此，热传导方程与物质的热扩散有关。
波动方程：波动方程可以描述许多物理过程，特别是电磁波、声波和其他类型的波动。
波动方程的形式类似于二阶线性常微分方程。
2. 广义保守方程系广义保守方程是指方程中有多个未知函数和多个独立变量的变量。
它们可以描述流体动力学、多相系统等系统。
常见的广义保守方程系包括纳维-斯托克斯方程和零阻力欧拉方程。
纳维-斯托克斯方程：纳维-斯托克斯方程可以描述流体运动。
纳维-斯托克斯方程可以分为不可压缩纳维-斯托克斯方程和可压缩纳维-斯托克斯方程。
零阻力欧拉方程：零阻力欧拉方程是一种部分解析的解对称的不可压缩流体运动的偏微分方程。
它是最基本的转子动量方程之一，在研究飞行器、导弹、宇宙航行器等方面起着重要的作用。
偏微分方程的求解方法1. 分离变量法分离变量法是偏微分方程求解的一种基本方法。
其主要思想是将多元函数表示为各变量的单元函数乘积形式，再通过互相作为超定条件的单个变量的恒等式得到未知参数。
例如，假设在一维的热传导方程中，温度场函数是t(x,t)，其中x是空间变量，t是时间变量。
则可以将温度场函数写成t(x,t)=X(x)T(t)的形式，从而将偏微分方程转化为两个常微分方程。
通过求解这些常微分方程可以得到解。
2. 有限差分法有限差分法是一种数值解偏微分方程的方法。
偏微分方程数值解
2.1 直接差分法
(1) 取 N+1 个节点将 I =[a, b] 分成 N 个小区间:
a x0 x1 L xi L xN b
I i : xi 1 x xi , i 1, 2, L , N
hi xi xi 1 , h max hi .
i
于是，得到 I 的一个网格剖分.
(2) 对 I = [a, b] 进行对偶剖分 取 xi 1 , xi 的中点
x
1 i 2
1 xi 1 xi , 2
i 1, 2,
,N
称为半整数点，则
a x0 x1 x3
2 2
x
1 N 2
xN b
构成 I 的一个对偶剖分. (3) 将方程 (2.1) 在内点 xi 处离散化.
d2 du hi 1 hi dx 2 ( p dx ) 12 i
d 3u 2 p O ( h ) dx3 i
于是得逼近方程 (2.1)~(2.2) 的差分方程：
ui 1 ui ui ui 1 2 p 1 Lhui pi 1 i h h h h i i 1 i 1 i 2 2 i i 1, 2, ui 1 ui qiui fi , hi hi 1 u0 , uN
1 i 2
) W (x
1 i 2
)
x
i
x
1 2
i
1 2
qudx
x
f dx
i
1 2
du W ( x) , dx p ( x)
沿 [ xi 1 , xi ] 积分，得
(完整版)偏微分方程课程教学大纲
4
上课
作业
掌握思想
测验一
波动方程的有限传播速度
2
上课
作业
掌握波动方程的特性
一维波动方程初边值问题
4
上课
作业
掌握分离变量法
波动方程的能量方法
4
上课
作业
掌握PDE能量方法
期中考试
热方程的Cauchy问题
4
上课
作业
掌握Fourier变换及基本解思想
热ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程的初边值问题
2
上课
作业
掌握分离变量法
在该课程中，我们将重点讲解刻画粒子输运、波的传播、温度变化及物理场论的输运方程、波动方程、热方程及Laplace方程的理论与方法，从而了解双曲型、抛物型及椭圆型三类偏微分方程的特性及基本分析思路,为进一步学习与研究打下一定的基础。
＊课程简介(Description)
In this course，we shall teach students how to formulate the partial differential equation models based on certain elementary laws in physics and mechanics, then purpose some analytic methods for studying qualitative and quantitative properties of solutions to several important kinds of partial differential equations,which could inspire students to understand some basic idea of modern methods and theories of partial differential equations。 By solving the explicit solutions of PDEs， it can explain some important phenomena in physics and mechanics, which could inspire the students to study further。
数学物理方程经典教案(研究生,高校本科生)
Equation of Mathematical Physics
第一章 定解问题 Chpt1 Definite solution problem
本章主要内容
• 数学物理方程是指自然科学和工程技术的 各门分支中出现的偏微分方程，这些方程 的物理背景直接来源于自然现象和工程技 术中的实际问题，其不仅仅是数学和应用 数学专业的一门重要的专业基础课，而且 也是水利、土木、环境、电子、石油、地 矿和大气科学等理工科专业本科生和研究 生的专建筑、石油勘探、能源、航天技术、 核技术等工程技术领域中都可以抽象出含 有多个变量的微分方程—偏微分方程。 • 解决这些方程的问题，则必须学会使用数 学方法来实现。因此，未来的科学家、工 程师们必须掌握这门数学工具。
1.1 定解问题
• 参考书: • 杨秀雯，梁立华 编《数学物理方程与特殊 函数》，天津大学出版社（工科研究生教 材） ，1985 • 李明秀，田太心 主编《数学物理方法》， 电子科技大学出版社（研究生系列教材）， 2007
a21 ( x )D
( n 2)
... an11 ( x )D ' an ( x )D，
则方程可表示为 Ly 0
1.1 常微分方程基础
• 二、高阶微分方程
定理：n阶常系数线性齐次微分方程的通解为： （ 1）特征方程有n个不同实根1 , 2 ,..., n , 则 y ci ei x , ci为任意常数；
(8)
y y1
x
0
x y f ( ) y2 f ( ) 1 d y2 d c1 y1 c2 y2 (9) 0 ( y1 , y2 ) ( y1 , y2 )
1.1 常微分方程基础
例子：求下面非齐次二阶常微分方程的初值问题。 Tn ''(t ) r 2Tn (t ) f n (t ) (1) (2) Tn (0) n , Tn '(0) n 解：相应齐次方程Tn ''(t ) r 2Tn (t ) 0的线性无关的特解为 cos rt与 sin rt。朗斯基行列式为 (Tn1 , Tn 2 ) Tn 2 ' Tn1 -Tn 2Tn1 ' cos rt (sin rt )' (cos rt )'sin rt r 代入(9)式即得
偏微分方程的基本理论与解法
偏微分方程的基本理论与解法偏微分方程（Partial Differential Equations，简称PDE）是数学中非常重要的一个分支。
它描述了自然界中各种物理现象和工程问题中的变化和传播过程。
本文将介绍偏微分方程的基本理论和一些常见的解法。
一、偏微分方程的定义与分类偏微分方程是包含多个未知函数及其偏导数的方程。
它的一般形式可以表示为F(x1, x2, ..., xn, u, ∂u/∂x1, ∂u/∂x2, ..., ∂u/∂xn) = 0，其中u是未知函数，而∂u/∂xi表示对变量xi的偏导数。
根据方程中涉及的未知函数的个数以及偏导数的阶数，偏微分方程可以分为以下几类：1. 一阶偏微分方程：方程中包含一阶偏导数。
2. 二阶偏微分方程：方程中包含二阶偏导数。
3. 高阶偏微分方程：方程中包含高于二阶的偏导数。
4. 线性偏微分方程：方程中的未知函数及其偏导数之间的关系是线性的。
5. 非线性偏微分方程：方程中的未知函数及其偏导数之间的关系是非线性的。
二、偏微分方程的基本理论1. 解的存在性和唯一性：对于一些特定类型的偏微分方程，可以证明在一定的条件下，方程存在唯一的解。
这对于物理和工程问题的建模和求解非常重要。
2. 奇性理论：奇性现象是指当某些参数取特定值时，偏微分方程的解会发生突变。
奇性理论研究了这些特殊情况下方程解的行为。
3. 变分原理：变分原理是一种通过极小化能量泛函来求解偏微分方程的方法。
它是最优控制、计算物理等领域中的重要工具。
三、常见的偏微分方程解法1. 分离变量法：这是一种常见的求解线性偏微分方程的方法。
通过假设解可分离变量的形式，将方程转化为一系列常微分方程。
2. 特征线法：特征线法适用于一些特殊的偏微分方程，通过引入一组参数，将方程转化为关于参数的常微分方程组。
3. 变换法：变换法通过引入适当的变换，将原方程转化为简单形式的偏微分方程，进而求解。
总结：本文简单介绍了偏微分方程的基本理论与解法。
偏微分方程数值解法的研究与应用
偏微分方程数值解法的研究与应用偏微分方程是研究物理、化学、生物、地理等领域中一些基本规律的数学模型。
它们可以描述有关温度、电磁场、流体力学、生物物理学等的动态变化过程。
偏微分方程的解决对相关学科的发展和创新有着重要意义。
然而，解决偏微分方程的数值方法一直是一个难题。
本文将讨论偏微分方程数值解法的研究和应用。
一、偏微分方程及其解法简介偏微分方程是一种描述物理现象和系统行为的数学方程，在经济、生物学、物理学、化学等多个领域都有应用。
与普通微分方程不同，偏微分方程涉及多个变量之间的关系。
在实际应用中，常采用数值方法求解偏微分方程的解。
数值解法通常通过将偏微分方程转化为一个离散的方程组，然后用计算机求解。
目前，主要的偏微分方程数值解法包括有限元法、有限差分法和谱方法。
其原理是将偏微分方程化为一组代数方程，通过计算机模拟来求解它们的解。
有限元法利用三角剖分的方法将区域离散化，然后将偏微分方程转化为一个线性方程组。
在此基础上，采用逐步迭代的方法求解得到解。
有限差分法是在物理空间中选择一个离散网格，并利用差分运算将偏微分方程转化为离散的代数方程组。
谱方法是将解表示为基函数的线性组合，通过调整系数求得解的解析表达式。
二、偏微分方程数值解法的应用偏微分方程数值解法已广泛应用于工程领域、地球科学和数学等领域。
以下是几种典型的应用：1. 电力系统建模电力系统建模用偏微分方程数值解法来计算电气设备的功率和耗能。
这种方法的目的是增强对电力变量、设备能耗和设备状态的控制，进而优化电力系统的能源利用效率和稳定性。
2. 医学图像处理在医学图像处理应用中应用到偏微分方程数值解法，可用于三维CT扫描和磁共振成像，如肺纤维化、心脏和血管系统等。
基于偏微分方程的数据算法可提取图像的详细信息，同时保持感兴趣区域的特性。
3. 石油勘探在石油勘探领域，偏微分方程的数值方法可用于神经网络建模和预测天然气储量。
具体来说，通过解决相关偏微分方程，可以计算出不同位置的天然气和地下水的渗透率，并通过模拟模型来预测未发现的天然气储量。