Частные решения уравнения Лапласа.

Рассмотрим решения уравнения Лапласа, обладающие сферической или цилиндрической симметрией, т.е. зависящие только от одной переменной r. В сферическом случае u = u(r) уравнение Лапласа будет иметь вид

Интегрирую последнее уравнение получаем

где А и В - произвольные постоянные. Если положить A = 1 и B = 0 получаем фундаментальное решение уравнения Лапласа в пространстве

В цилиндрическом случае u = u(r) уравнение Лапласа будет иметь вид

Интегрируя его, получаем

где A и B – произвольные постоянные. Если положить A = 1 и B = 0 получаем фундаментальное решение уравнения Лапласа на плоскости

Общие свойства гармонических функций.

Интеграл по объему от дивергенции векторного поля равен потоку этого векторного поля через замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем. Интегральная теорема Остроградского-Гаусса имеет вид:

(1)

Где T – некоторый объем, ограниченный достаточно гладкой поверхностью S, , где вектор внешней нормали к поверхности S.

Если положить

Где - функции непрерывные вместе со своими производными внутри T+S, и имеющие непрерывные вторые производные внутри T, то из (240) получаем первую формулу Грина

Где - произвольная по направлению внешней нормали. Формулу Грина можно переписать с учетом

В результате получаем

(2)

Меняя местами u и v, получаем

(3)

Для того, чтобы получить вторую формулу Грина вычтем из (2) формулу (3):

Основные свойства гармонических функций:

1. Если v – функция, гармоничная в области T, ограниченной поверхностью S, то

(4)

Где - любая замкнутая поверхность, целиком лежащая в области Т, т.к. v – гармоническая, то , полагая, кроме того, в первой формуле Грина u=1, получаем (4).

2. Теорема среднего значения. Если функция u(x,y,z)=u(M) гармонична в некоторой области T, а - произвольная точка, лежащая внутри области T, то

3. 

Где S(a) – сфера радиуса а с центром в точке целиком лежащая в области T

4. Принцип максимального значения. Если функция u(M), определенная и непрерывная в замкнутой области T+S, удовлетворяет уравнению внутри T, то максимальные и минимальные значения функции u(M) достигаются на поверхности S

Следствие: если функции u и v непрерывны в области T+S, гармоничны в T и на S, то и всюду внутри T.

Краевые задачи для уравнения Лапласа.

1. Внутренняя задача Дирихле или первая внутренняя краевая задача формулируется следующим образом:

Требуется найти функцию u которая

Определена и непрерывна в замкнутой области T+S

1. Удовлетворяет внутри области T уравнению

2. Принимает на границе Sзаданные значения f.

Единственность решения первой внутренней краевой задачи для уравнения Лапласа доказывается следующим образом: Предположим, что существуют две различные функции и , являющиеся решениями задачи. Очевидно, что функция также будет гармонической в T, но при этом u/S=0. Т.к. функция u должна принимать максимальное и минимальное значение S, то получаем, что

2. Внешняя краевая задача Дирихле или первая внешняя краевая задача формулируется следующим образом:

Требуется найти функцию u, которая

1. в неограниченной области T

2. Непрерывна всюду, включая поверхность S

3. Принимает на границе Sзаданные значения

4. u(M) равномерно стремится к 0 на бесконечности, т.е. u(M)0,

Единственность решения внешней задачи Дирихле доказывается аналогично внутренней.

3. Внутренняя задача Неймана или вторая внутренняя краевая задача:

Требуется найти функцию u, которая

1. Определена и непрерывна в замкнутой области T+S

2. Удовлетворяет внутри области T уравнению

3. Удовлетворяет на границе S условию

Решение внутренней задачи Неймана определяется с точностью до произвольной постоянной. Для доказательства предположим, что у нас есть две функции и ,являющиеся решениями нашей краевой задачи. Рассмотрим функцию для нее получаем

Полагая в первой формуле Грина непрерывные вторые производные внутри T, получаем первую формулу Грина

Соотношений получаем

Отсюда в силу непрерывности функции и ее первых производных находим

Отсюда u=const

4. Внешняя задача Неймана или вторая внешняя краевая задача формулирующаяся следующим образом:

Требуется найти функцию u, которая

1. в неограниченной области T

2. Непрерывна всюду, включая поверхность S

3. Удовлетворяет на границе S условию

4. u(M) равномерно стремится к 0 на бесконечности, т.е. u(M)0, при

Единственность решения внешней задачи Неймана доказывается аналогично внутренней.