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抛物型偏微分方程

简称抛物型方程,一类重要的偏微分方程。

传导方程是最简单的一种抛物型方程。 热传导方程 研究热传导过程的一个简单数学模型。根据热来自量守恒定律和傅里叶热传导实验定律导致热传导方程

  • 中文名 抛物型偏微分方程
  • 简称 抛物型方程
  • 类别 重要的偏微分方程
  • 种类 热传导方程

简介

  式正初尔飞滑今直消使写烟u是温度;Δ是拉普拉斯算符;α2是导温系数;;k是热传导系数;с、ρ鱼密践香洲酒宗知落分别是比热和密度;来自;F是外加热源密度。自然界还有很多现象同样可以用方程(1)来描述,例如分子在介质中的扩散过程等,因此方程360百科(1)通常亦称为扩散方程。

定解问题

  为了确定一个具必从候盐临参观就州义体的热传导过程,除了列出方程(1)以外,还必须知道物体化赵乎衣Ω的初始温度(初始条件)和在它的边界嬠Ω上所受到的外界的影响(边界条件)。初始条件: 边界条件,最通常的形式有三类。

抛物型偏微分方程

  第一边界条件(或称狄利克雷条件):

  即表面温度为已知函数。

  第二边界条件(或称诺伊曼条件):

  式中nΩ的外法向,即通过表面的洲选呢系妒织根热量已知。

  第三边界条件(或称罗宾条件):

  式中α≥0;即物体表面给定热交换条件。 除了以上三类边界条件外还可以在边界嬠Ω上给定其他形式的边界条件,如斜微商条件、混合边界条件等。

  方程(1)连同初始条件(2)以及边界条件(3)、(4)、(5)中的任意一个一起构成了一个定解问题,根据边界条件的需叫该不同形式,分别称为第一、二、三边值问题,统称为热传导方程的初边值问题或混合问题由几。若ΩR3,则由方程(1)和初始条件(2)构成的定解问题称为热传导方程的初值问题或柯西问题。

要块齐有也布物型偏微分方程

格林函数

  基本来自解是点热源的影响函数。如果在t=0时刻在(ξ,η,ζ)处给定单位点热源,即u0(x,y,z,0)=δ(ξ,η,ζ)(δ是狄喇克函数),则当t>0时由它引起的在全空间 R3的温度分布(即热传导方程(1)的解)称为热传导方程的基本解。通过傅里叶360百科变换可以得到它的表达式。当t>0时 热传导方程初值问题(1)、(2)的解可通过叠加的步骤由基本解生成

抛物型偏微分方程

  对于一个有界区域Ω,若边界温度为零,在初始时刻在(ξ,η,ζ)处给定一个单位点热源u(x,y,z,0)=δ(ξ,η,ζ),t>0时由它引起在Ω内的温度分布(即热传导方程的解)斤试围动需亚西玉称为热传导方程第一边值问题的格林函数,记作G(x-ξ,y-η,z-ζ,t)。根据岩阳格林公式,

  式中l处能货季实厚*是l的共轭算子, 任意第一边值问题(1图难区只)、(2)、(3)的解都可通过格林函数表为

  ;

  格林函数可以通过影屋器才急基本解来表示:

  这里时是一个定义在捙×【0,∞)上的充分光滑函数。对于一维问题或Ω为立方体等特殊区域,格林函数可以通过分离变量法或镜像法去求得。

抛物型远主稳供偏微分方程

极值原理

  一个内部有热源的热传导过程(即在方程(1)中ƒ≥0),它的最低温度一定在陈肉费起免增常济边界上或初始时刻达到,这就父元笑一急香步孩是所谓的极值原理。事新病斤积胜实上,还可以有更强的结论:①如果在t=T时在Ω内部某一点达到了最低温度,那么在这个时刻T以前(t<T时)整个物体的温度等于常数,这就是所谓的强极值原理;②如果这个最低温度只在t=T时刻的某一边界点P达到,那么在这一点(n是嬠Ω的外法向),此即所谓的边界点引理。

抛物型偏微分方程

  极值原理与边界点引理在热传导方程的研究中有很多应用,它的一个最直接的推论就是导出了热传导方程差皇比易船虽远初边值问题解的唯一性和稳定性。

  至于初值问题(1)、(2)的解张胡被展的唯一性,它与解在无穷远点的性态有关。如果对于初值问题(1)、(2),附加上无穷远点增检叶育变叶句食响长阶的限,这里A,M是任意给定正常数,那么由极值原理可以证明初值问题(1)、(2)的解必唯一。

解的正则

  啊并只掌内掌率(光滑性) 若ƒ犯九0,则由初值问题解的表达良几政乎过汽弦式可看出,若u0(x,y,z)有界连续,则初值问题(1)、(2)的解u(x,y,z,t)当t>0时都是无穷次连续可微的,而且关于空间变量xyz富候务件培班否是解析的,关于时间变量t属于谢弗莱二类函数,即在|x|<ρ内满足 当ƒ扝0时,热传调祖导方程解的可微性质与ƒ的性质有关,例如为了得到热传导方程的古典解,除了需要假定ƒ(x,yz,t)连续以外,还要求对xyz或对t是赫尔德连续的。

抛物型偏微分方程 抛物型偏微分方程

  解的渐近性 如果边界上的温度以及热源密度与时间无关(),则热传导过程将趋于稳定状态,也就是当t→∞时,不管什么初始条件,物体内部温度总趋于同一个极限(稳定态的温度分布u(x,y,z)),它是椭圆边值问的解。

  解的半群性质 热传导是一个单向的不可逆过程,热总是由高温流向低温。如果边界温度为零,S(t)表示由初始时刻的温度场映到t时刻的温度场的线性解算子,,由于热传导的不可逆性质,因此算子具有半群性质:①S(0)=I(I为恒同算子);②S(t+τ)=S(t)S(τ)t,τ≥0;。由泛函分析中的希尔-吉田定理,存在一个相应的无穷小生成子A,S(t)=e-tA,使得具有齐次边条件的第一边值问题(1)、(2)、(3)的解具有明显的表达式 , 式中 。

抛物型偏微分方程

抛物方程

  。二阶线性偏微分方程 (6) 在区域Q内称为是抛物型的,如果存在常数α >0,使得对于任意ξRn,(x1,x2,…,xn,t)∈Q 有 。

抛物型偏微分方程 抛物型偏微分方程

  的形式。(7)称为具有散度形式的抛物型方程,(6)称为非散度形式的抛物型方程。时,(6)与(7)是有区别的,不能互推。如果方程(6)、(7)中的系数和右端还依赖于u,墷u,则(6)和(7)称为拟线性抛物型方程。

  抛物型方程和椭圆型方程的研究有相似的地方,它们互相影响、互为借鉴。椭圆型方程理论很多结果在抛物型方程中都有相应的定理,例如先验估计、极值原理等。

拟线性蜕化

  考虑在绝热过程中气体通过多孔介质的流动,这个过程可由下述方程来刻画: ,式中m>1,u是气体密度,通常研究它的非负解。由于当u=0时方程蜕化,因此它是一个拟线性蜕化抛物型方程。对于这个问题的系统理论研究是从 1957年开始的。解u的支集的边界是一条自由边界,通过自由边u一般不连续,因此这个方程一般只存在在索伯列夫意义下的广义解,而且由于当u=0时方程蜕化为一阶方程,因此与热传导方程不同,扰动的传播速度是有限的。

抛物型偏微分方程 抛物型偏微分方程

反应扩散

  形如的半线性抛物型方程组叫做反应扩散方程组。除了研究各种定解问题外,由于(8)的解常具有行波解u(v·xt)以及当t→∞时 u(x,t)趋于椭圆型方程组相应的边值问题的解(称为平衡解)这样的性质,因此以研究平衡解的稳定性为核心的各种问题就构成了半线性抛物型方程(组)的定性理论(或叫几何理论)。

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