第二章 三类典型的偏微分方程讲解
(整理)偏微分方程word电子讲义.
偏微分方程偏微分方程是一个非常广泛的课题，它包含分析的许多方面内容。
就我们现在的知识水平来说，我们只了解很少一点东西。
从十八世纪初开始，人们就开始结合物理、力学问题来研究偏微分方程，最早研究的几个方程是弦振动方程、热传导方程及调和方程，这部分理论已经被彻底地研究了，而且近乎完备，把它们称为偏微分方程的古典理论。
十八世纪后期在连续介质力学中研究流体的运动规律，在考虑流体的粘性时，描述运动规律的方程称为Navier-Stokes方程组，而在不计流体的粘性时，称为Euler方程组。
在此时期，描述弹性体运动规律的方程称为Saint Venant方程组。
到了十九、二十世纪，人们发现了描述电磁场运动规律的Maxwell方程组，描述微观粒子运动规律的Schrodinger方程及Dirac方程组，广义相对论中确定引力场的基本方程Einstein方程以及基本粒子规范场理论的基本方程Yang-Mills方程，在微分几何中研究极小曲面的极小曲面方程等等。
随着科学理论变得复杂，所提出的偏微分方程就愈多而且更加变化多端，可能出现的偏微分方程和方程组类型之多是出于想象的。
我们的目的是介绍现代偏微分方程理论中用到的一些技巧和方法。
众所周知，一本偏微分方程的书只能包括已有的基本材料的一小部分，因此我们必须作出选择，如何选择不是立足于逻辑基础上的，这种选择的主观性是相当明显的。
偏微分方程的内容是研究偏微分方程解的各种性质。
通常考虑以下问题1．对单个方程或方程组，应配以怎样的初值条件与边值条件使之具有解，这是解的存在性问题。
在研究解的存在性时，要明确解赖以存在的函数类。
2．解的唯一性或究竟有几个解，要明确使解为唯一的函数类。
3．解的正则性或光滑性。
是否为古典解、强解还是弱解？解具有几阶可微性？4．解的连续依赖性，必须明确是什么空间、什么范数实现的。
通常考虑的是解关于初、边值或关于方程系数，或在方程为线性时关于自由项的连续依赖性。
5．定解区域与影响区域。
偏微分方程基本概念与三类典型方程的导出
举例 1. 2.
u sin(xy)u 0 x 2u a2 2u ex cost t2 x2
线性PDE 线性PDE
3. ut ux sin u 4. (ut )2 (ux )2 u2
非线性PDE 非线性PDE
9
PDE维数： 是指方程中出现的空间坐标的个数。
1. u sin(xy)u 0 x
作用在物体上的力=该物体的质量×该物体的加速度
13
取弦的平衡位置为ox 轴，运动平面为 x-O-u.
u
Q
在时刻 t ，弦线在 x
P
点的位移为 u(x, t)
o
l
x
F(x,t)
T
Q '
u
P
把上图中PQ的放大
o
T x x x
x
14
• 设弦上坐标为 x 的点在时刻 t 沿垂直于 x 轴 方向的位移用函数 u (x, t) 来表示。 下面利用微元法建立方程：
• 处理一般线性问题的基本原理
➢叠加原理 ➢齐次化原理
4
数理方程的基本概念
偏微分方程（PDE）的基本概念
x (x1, x2 ,L , xn )
自变量
u(x) u(x1, x2,L , xn )
偏微分方程的一般形式
未知函数
u u
mu
F ( x1,L
, xn , u, x1 ,L
, xn
,L
, x1m1x2m2 L
a2
2u x2
2u y 2
2u z 2
f
(x,
y, z,t),
即 u a2u f (x, y, z,t) ，其中 f F .
t
c
29
如果我们考虑的是稳恒的温度场，即 u 与时间 t 无关 ， 温度分布达到某种动态平衡状态， 则有
数学物理方程02线性偏微分方程的分类公开课获奖课件百校联赛一等奖课件
a12 a11 a22
a1*1
a11
(
x
)2
2a12
x
y
a22
(
y
)2
a11 x
a22
y
2
0
由此推出
a1*2
a11
x
x
a12 ( x
y
x
y
)
a22
y
y
a11 x
a22
y
a11 x
a22
y
0
21
数学物理方程
而
a2*2
a11
(
x
)2
2a12
x
y
a22
(
y
)2
0
所以，方程（1）可改写为
(f)exuxx e yuyy u
29
数学物理方程
2、求出下列各方程旳通解，并代回原方程来检验是否有解：
(a)x2uxx 2xyuxy y2uyy xyux y2uy 0
(b)yuxx c2 yuyy 2c2uy 0 （c为常数）
(c) uxx
1 c2
u yy
0
（c为常数）
(d)uxx 3uxy 2uyy 0
u( x, y) (x, y)
数学物理方程
u( ,)
复合求导
u u u x x x u u u y y y
2u 2u ( )2 2 2u 2u ( )2 u 2 u 2
x2 2 x
x x 2 x x2 x2
2u 2u 2u 2u u 2 u 2
u 0
u(x, y) g( y ) y h( y )
x
x
25
例2 utt a2uxx 0
偏微分方程简明教程
偏微分方程简明教程本篇文章将以简明的方式介绍偏微分方程的基本概念、分类、求解方法以及应用领域。
一、基本概念：\[F(x_1,x_2,...,x_n,u,\frac{{\partial u}}{{\partialx_1}},\frac{{\partial u}}{{\partial x_2}},...,\frac{{\partial u}}{{\partial x_n}}, \frac{{\partial ^2 u}}{{\partialx_1^2}},\frac{{\partial ^2 u}}{{\partial x_1 \partialx_2}},...,\frac{{\partial ^2 u}}{{\partial x_n^2}},...) = 0\]其中，\(u\) 为未知函数，\(x_1,x_2,...,x_n\) 为自变量，\(\frac{{\partial u}}{{\partial x_1}},\frac{{\partialu}}{{\partial x_2}},...,\frac{{\partial u}}{{\partial x_n}}\) 分别表示 \(u\) 对 \(x_1,x_2,...,x_n\) 的偏导数。
二、分类：1.线性偏微分方程：线性偏微分方程中的未知函数及其偏导数项之间的关系是线性的。
具有如下的一般形式：\[a_1(x_1, x_2,...,x_n) \frac{{\partial ^2 u}}{{\partialx_1^2}} + a_2(x_1, x_2,...,x_n) \frac{{\partial ^2 u}}{{\partial x_2^2}} + ... + a_n(x_1, x_2,...,x_n) \frac{{\partial ^2u}}{{\partial x_n^2}} + b(x_1, x_2,...,x_n) = 0\]2.非线性偏微分方程：非线性偏微分方程中，未知函数及其偏导数项之间的关系是非线性的，常见的非线性偏微分方程有广义波动方程、传热方程等。
偏微分方程理论的归纳与总结
偏微分方程理论的归纳与总结一、偏微分方程的分类：1.齐次与非齐次：一个偏微分方程中，如果所有出现的偏导数项的次数相同，且不含常数项，则称其为齐次方程；如果存在常数项，则称其为非齐次方程。
2.线性与非线性：一个偏微分方程中若只包含未知函数及其偏导数的一次项，并且未知函数的系数不依赖于未知函数自身及其偏导数，则称其为线性方程；反之，则是非线性方程。
3.定常与非定常：一个偏微分方程中，如果未知函数及其偏导数的系数不依赖于自变量，则称其为定常方程；反之，则是非定常方程。
4.高阶与低阶：一个偏微分方程中，若最高阶偏导数的阶数大于1，则称其为高阶方程；若最高阶偏导数的阶数为1，则称其为一阶方程。
二、偏微分方程的求解方法：1.分离变量法：对于一些特殊的偏微分方程，可以通过分离变量的方式将其转化为一阶常微分方程进行求解。
2.特征线法：对于一些具有特殊形式的偏微分方程，可以通过特征线法来求解。
该方法将方程中的自变量替换为新的变量，使得方程在新的变量系综下变得简单。
3.变换法：通过适当的变量代换，将原方程转化为形式简单的方程或标准的数学物理方程进行求解。
5.数值解法：对于一些复杂的偏微分方程，可以采用数值解法进行近似求解，如有限差分法、有限元法、谱方法等。
三、偏微分方程的应用：1.物理学：偏微分方程在物理学中有着广泛的应用，如热传导方程、波动方程、扩散方程等。
2.工程学：偏微分方程在工程学中也有重要应用，如电磁场方程、流体力学方程、固体力学方程等。
3. 经济学：偏微分方程在经济学中的应用主要用于建模和分析经济系统的动态变化，如Black-Scholes方程、Hamilton-Jacobi-Bellman方程等。
4. 生物学：偏微分方程在生物学中的应用主要用于描述群体的扩散、生物图像处理和生物电传导等问题，如Fisher方程、Gray-Scott方程等。
综上所述，偏微分方程理论是数学中的重要分支之一、通过对偏微分方程的分类、求解方法及其应用的归纳与总结，不仅可以帮助我们更好地理解偏微分方程的本质与特点，还能够为我们解决实际问题提供一个有效的数学工具。
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。
偏微分方程的分类与应用
偏微分方程的分类与应用偏微分方程是数学中的一个重要分支，广泛应用于物理、工程和自然科学等领域。
它们是描述多变量函数与它们的偏导数之间关系的数学方程。
不同类型的偏微分方程具有不同的特点和解法，本文将对偏微分方程进行分类，并介绍其在实际应用中的重要性和应用示例。
一、分类根据方程中未知函数的个数以及变量的个数，可以将偏微分方程分为以下几类：1. 波动方程（Wave Equation）波动方程描述了波动的传播和叠加。
典型的波动方程是一维波动方程和二维波动方程，它们分别描述了一维波动和二维平面波动。
2. 热传导方程（Heat Equation）热传导方程描述了由热量传导引起的温度分布变化。
它被广泛应用于描述热传导现象，如材料的热扩散和热传感器的设计。
3. 扩散方程（Diffusion Equation）扩散方程描述了物质的浓度、温度或其他性质在空间中的扩散过程。
它在化学反应、扩散现象和生物学中有重要应用。
4. 泊松方程与拉普拉斯方程（Poisson Equation and Laplace Equation）泊松方程和拉普拉斯方程描述了静电场和稳定状态下的电势分布。
它们广泛应用于电场计算和电势分析。
5. 对流方程（Convection Equation）对流方程描述了物质的传输中同时存在扩散和对流的情况。
它在流体动力学、气象学和地理学中有重要应用。
二、应用偏微分方程在科学与工程领域的应用非常广泛。
以下为其中几个典型的应用示例：1. 物理学中的波动方程波动方程广泛应用于描述声波、光波等在各种介质中的传播。
例如，在声学领域，可以利用波动方程模拟声波在各种材料中的传播，进而分析和优化声学设备的性能。
2. 工程学中的热传导方程热传导方程在工程热学中具有重要应用。
例如，在建筑工程中，可以使用热传导方程来模拟建筑物内部的温度分布，优化空调系统的设计，提高能源利用效率。
3. 生物学中的扩散方程扩散方程被广泛应用于描述细胞内分子扩散、药物输送和化学反应等生物学过程。
第二章 三类典型的偏微分方程讲解
在 dt 时段内通过微元的两端流入的热量
dQ1
(Qx1
Qx2
)dt
k ( T
( x2 , t ) x
T
( x1, t ) )dt x
k
x2 x1
2T (x, x2
t
)dxdt
在任意时段 [t1,t2 ] 内，流入微元的热量
Q1
t2 t1
x2 x1
k
2T (x, x2
t2 t1
V
k 2TdV dt
流入的热量导致V 内的温度发生变化
S n
T (x, y, z,t1) T (x, y, z, t2 )
温度发生变化需要的热量为：
Q2 c T (x, y, z,t2) T (x, y, z,t1)dV
V
c
t2 T dtdV
t
p
p t
1 a2
p t
代入 u 得
t
x
u 1 p
x a2 t
对t求导，得
2u xt
1 a2
2 p t 2
利用
u 1 p
t x
得
2 p t 2
a2
2 p x2
一维声波方程。
第二章 三类典型的偏微分方程
第二章 三类典型的偏微分方程
三类典型的偏 微分方程
第二章 三类典型的偏微分方程
2.1 波动方程
☆ 一维波动方程 最典型的一维波动问题是均匀弦的横向振动问题。
一根紧拉着的均匀柔软弦，长为l，两端固定在X轴上O、 L两点，当它在平衡位置附近做垂直于OL方向的微小横向 振动时，求这根弦上各点的运动规律。
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u(x, x
t
)
xg
x
2u(x, t 2
t
)
x x
F ( ,t)dx
x
等号两边用中值定理：并令 x 0
T
2u( x, t ) x2
g
2u( x, t ) t 2
F ( x, t )
等号两边除以
2u t 2
a2
2u x2
t x x
u u u 1 p
t x x
a2 p
动力学方程 连续性方程 物态方程
考虑到微小压力波，u 是一阶小量，u 和u u是二阶小量
x x
u， u 1 p
g
f
( x, t )
f (x,t) F(x,t)
为单位质量在 x 点处所受外力。
第二章 三类典型的偏微分方程
弦振动方程中只含有两个自变量：x,t 。由于它描写的是
弦的振动，因而它又称为一维波动方程。类似可以导出二维波 动方程（如膜振动）和三维波动方程，它们的形式分别为：
二维波动方程：
2u t 2
x
x
T
u(x x,t) x
u ( x, t ) x
xg
x
2u( x, t ) t 2
0
由中值定理：
u(x x,t) x
u( x, t ) x
2u(x x,t)
x2
x
0 1
y
令x 0，此时x x x
也就是说，张力 T 是一个常数。
y
M'
s
T'
'
M
gs
T
x
x x x
第二章 三类典型的偏微分方程
纵向：T(x)sin T(x x)'sin ' sg sa
a 为小弦段在纵向的加速度
sin tan u(x,t) , sin ' tan ' u(x x,t)
M'
s
T'
'
T
2u( x, t ) x2
x
xg
x
2u( x, t ) t 2
0
T
M
gs
x
x x x
第二章 三类典型的偏微分方程
2u( x, t ) t 2
T
u2 (x, t) x2
g
令：
a2
T
a 就是弦的振动传播速度
2u t 2
第二章 三类典型的偏微分方程
三类典型的偏 微分方程
第二章 三类典型的偏微分方程
2.1 波动方程
☆ 一维波动方程 最典型的一维波动问题是均匀弦的横向振动问题。
一根紧拉着的均匀柔软弦，长为l，两端固定在X轴上O、 L两点，当它在平衡位置附近做垂直于OL方向的微小横向 振动时，求这根弦上各点的运动规律。
gs
T
x
x x x
由于假定弦在平衡位置附近做微小振动， u 很小，从而
x
x x
s x 1dx x
可以认为这段弦在振动中没有伸长，由胡克定律可
知，弦上每一点所受张力在运动过程中保持不变，与时
间无关。即 x点处的张力记为T (x)。
由于弦是柔软的，弦上的任意一点的张力沿弦的切线方向。
a2
2u x2
2u y2
f
(x,
y,t)
三维波动方程：
2u t 2
a2
2u x2
2u y2
2u z 2
f
(x,
y, z,t)
第二章 三类典型的偏微分方程
总结：
建立数学物理方程是一个辩证分析的过程。 由于客观事物的复杂性，要求对所研究的对象 能够抓住事物发展的主要因素，摈弃次要因素， 使问题得到适度的简化。
第二章 三类典型的偏微分方程
☆ 均匀杆的纵振动 考虑一均匀细杆，沿杆长方向作微小振动。假设在垂直
杆长方向的任一截面上各点的振动情况(即偏移平衡位置位 移)完全相同。试写出杆的振动方程。
在任一时刻t，此截面相对于平衡位置的位移为u(x, t)。 在杆中隔离出一小段(x, x + dx)，分析受力：
第二章 三类典型的偏微分方程
x
2u E 2u 0
t 2 x2
2u t 2
a2
2u x2
0
令：a
E
2u P
t 2 x
第二章 三类典型的偏微分方程
☆ 静止空气中一维微小压力波的传播
设ρ为空气的密度，u为压力诱导的速度，由一维欧拉方程：
u u 0
条件：均匀柔软的细弦，在平衡位置附近产生振幅极小的 横振动。不受外力影响。
研究对象：u(x,t) 线上某点在 t 时刻沿垂直方向的位移。
第二章 三类典型的偏微分方程
简化假设：
在弦上任取一小段 (x, x x)它的弧长为：
s
x x x
1
(
u x
)2
dx
y
M'
s
T'
'
M
a2
2u x2
g
………一维波动方程
自由项 ------非齐次方程
忽略重力作用：
2u t 2
a2
2u x2
------齐次方程
第二章 三类典型的偏微分方程
当存在外力作用时：
假设外力在 x处外力密度为：F(x,t) 方向垂直于 x 轴。
T
u(x x,t) x
通过截面x，受到弹性力P(x,t)S的作用 通过截面x + dx受到弹性力P(x + dx, t)S的作用 P(x, t)为单位面积所受的弹性力(应力)，沿x方向为正．
根据Newton第二定律，就得到：
P(x
dx, t )
P( x, t ) S
Sdx
2u t 2
根据胡克定律 P E u
由于振幅极小， 张力与水平方向的夹角很小。
第二章 三类典型的偏微分方程
作用在这段弦上的力有张力和惯性力，下面根据牛顿 运动定律，写出它们的表达式和平衡条件。
横向：T (x) cos T (x x) 39; 1
横向： T (x) T (x x) ' 0
y
O
Lx
第二章 三类典型的偏微分方程
讨论如何将这一物理问题转化为数学上的定解问题。 要确定弦的运动方程，需要明确：
确定 弦的 运动 方程
(1)要研究的物理量是什么？ 弦沿垂直方向的位移 u ( x, t)
（2）被研究的物理量遵循哪些 物理定理？牛顿第二定律. （3）按物理定理写出数学物 理方程（即建立泛定方程）