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MIT18.085 第24讲:拉普拉斯方程(第2部分) 第 24 讲紧接上一讲(拉普拉斯方程第一部分),继续讲解拉普拉斯方程的解法思路和一些重要技巧。 1.回顾拉普拉斯方程的基本介绍 拉普拉斯方程是一个二阶偏微分方程,它描述稳态场(如稳态热传导、电势分布等),在工程与物理问题中非常常见。 2.多项式解与极坐标表示(继续展开) 在第 23 讲中 Strang 教授介绍了多项式解族,这类解在极坐标下形式特别简单,并且是构造一般解的基本模块。 在第 24 讲里教授继续讨论如何用极坐标解拉普拉斯方程以及利用这些基本解,可以建立 Fourier 级数展开来满足复杂的边界条件。 极坐标形式解法通常用于圆形、环形等规则区域的边值问题,因为分离变量后的角度函数是正弦/余弦类。 3.解的构造:级数与 Green 函数 在拉普拉斯方程中,一个重要技巧是利用基本解展开: 通过正弦/余弦 Fourier 级数把解展开成一组基函数组合。 教授提到了 Green 函数:当泊松方程右侧是一个 delta 函数时,Green 函数是对应的基本解;它也是构造更一般解的核心工具。 这种思路在物理上常用于处理边界值问题,例如在圆盘或矩形边界上指定值时,利用基函数的叠加来满足边界条件。 4.区域变换与保角映射 当区域本身比较复杂时,有一种方法: 把复杂区域“映射”到简单区域(如圆或矩形)。 在简单区域内求解拉普拉斯方程。 再映射回去得到原问题的解,这种技术称为 保角映射。 保角映射理论在二维拉普拉斯/调和函数理论中非常重要,尤其在电势分布与流体力学等应用场景中非常有用。
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