直角坐标系分离变量
求解如下边值问题:
在一沿xyz轴长度分别为abc的长方体中,只有一个面上电势不为零
∇2φ=0φ∣z=c=f(x,y)φx=0=φx=a=0φy=0=φy=b=0φz=0=0
解:考虑如下可分离变量的形式的解
φ(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z)
代入方程中,得到
∇2φ=dx2d2XY(z)Z(z)+X(x)dy2d2YZ(z)+X(x)Y(y)dz2d2Z=0
X1dx2d2X+Y1dy2d2Y+Z1dz2d2Z=0
三项都只与一个变量有关,因此每一项都应该等于一个常数
X1dx2d2X=const=−kx2Y1dy2d2Y=const=−ky2Z1dz2d2Z=const=−kz2kx2+ky2+kz2=0
边界条件
φ∣x=0φ∣x=aφ∣y=0φ∣y=bφ∣z=0φ∣z=c=0⇒X(0)=0=0⇒X(a)=0=0⇒Y(0)=0=0⇒Y(b)=0=0⇒Z(0)=0=f(x,y)⇏X(x)Y(y)Z(c)=f(x,y)
X(x)可能的解为:
- kx2=0,X(x)=Ax+B
- kx2>0,X(x)=Asin(kxx)+Bcos(kxx)
- kx2<0,X(x)=Aexp(kxx)+Bexp(−kxx)=Ashkxx+Bchkxx
双曲正弦:shx=2ex−e−x
双曲余弦:chx=2ex+e−x
根据边界条件X(0)=0,X(a)=0,我们可以得知只有
kx2>0,X(x)=Asin(kxx)+Bcos(kxx)
成立,并且根据边界条件可以得到
X(x)=Asinkxx,kx=amπ,m=1,2,3,⋯
同理有
Y(y)=Csinkyy,ky=bnπ,n=1,2,3,⋯
由于
kx2+ky2+kz2=0
我们得到
kz2=−kx2−ky2=−a2m2π2−b2n2π2=−Kmn2<0
由Z(0)=0得到F=0
所以Z(z)=EshKmnz
至此可以得到
φmn(x,y,z)=AsinkxxsinkyyshKmnz
取φmn(x,y,z)的线性组合
φ(x,y,z)=m=1∑∞n=1∑∞AmnsinkxxsinkyyshKmnz
令φ(x,y,z)∣z=c=f(x,y)
m=1∑∞n=1∑∞AmnsinkxxsinkyyshKmnc=f(x,y)
得到
Amn=abshKmnc4∫0adx∫0bf(x,y)sinamπxsinbnπydy
完备正交基
[0,a]上的完备正交基
- Fourier级数:1,sina2πx,cosa2πx,sina4πx,cosa4πx,⋯
- Cos级数:1,cosa2πx,cosa4πx,⋯
- Sin级数:sina2πx,sina4πx,⋯
应用举例
依旧在之前的长方体中,问题如下
∇2φ=0φ∣z=c=f(x,y)φy=b=g(x,z)φ其余=0
令φ=φ1+φ2
其中φ1满足
∇2φ1=0φ1∣z=c=f(x,y)φ其余=0
φ2满足
∇2φ2=0φ2∣y=b=g(x,z)φ其余=0
后面进行相似的求解即可
分离变量一般步骤
- 写出可分离变量的形式解
- 根据齐次边界条件,确定函数系φmn(x,y,z)
- 取通解:φ=∑m,nAmnφmn(x,y,z)
- 代入非齐次边界条件,得到Amn的表达式
球坐标分离变量
φ(r,θ,ϕ)=R(r)Θ(θ)Φ(ϕ)
∇2φ=r21∂r∂(r2∂r∂φ)ΘΦ+r2sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂φ)+r2sin2θ1∂ϕ2∂2φ=0
也即
dϕ2d2Φ+m2Φ=0drd(r2drdR)−n(n+1)R=0sinθ1dθd(sinθdθdΘ)+[n(n+1)−sin2θm2]Θ=0
最后一个方程被称为关联Legendre方程
对于Φ(ϕ):只考虑轴对称的情况,Φ与ϕ无关,所以Φ=const
对于R(r):
R(r)=Arn+Br−n−1,n2≥0R(r)不存在,n2<0
对于Θ(θ):
Θ(θ)=APn(cosθ)+BQn(cosθ),n=0,1,2,⋯
其中Pn(θ)为第一类Legendre函数,Qn(θ)为第二类Legendre函数
Recall:根据上学期PDE的内容,第二类Legendre函数通常会被消掉
Legendre函数性质
- 在极轴附近θ→0,cos(θ)→±1时
∣Pn(±1)∣=1,∣Qn(±1)∣→∞
∫−11Pn(x)Pm(x)dx=2n+12δmn
- 完备性
[−1,1]上的任意函数f(x)都可以展开为
f(x)=n=0∑∞CnPn(x)
其中
Cn=22n+1∫−11f(x)Pn(x)dx
*求解区域包含极轴,并且解具有轴对称性质的情况
此时通解可以写作
φ(r,θ)=n=0∑∞(Anrn+Bnr−n−1)Pn(cosθ)
常见的Legendre函数有
P0(cosθ)=1P1(cosθ)=cosθP2(cosθ)=21(3cos2θ−1)
例题
无限大的均匀外场E0中放置一个不带电的导体球,球半径为a,求空间电势
解:以球心为原点,E0方向为极轴,建立球坐标系
求解区域为球外空间,包含极轴,且有轴对称性
则通解可以写作
φ=n=0∑∞(Anrn+Bnr−n−1)Pn(cosθ)
- 由r→∞时,φ→−E0rcosθ,得到
n=0∑∞AnrnPn(cosθ)=−E0rcosθ
逐项比较得到
A0=0,A1=−E0,An=0,n≥2
- 由φ∣r=a=const,得到
−E0acosθ+n=0∑∞Bna−n−1Pn(cosθ)=const
逐项比较得到
B1=E0a3,Bn=0,n≥2
(目前还没有确定B0的值)
∮r=a∂r∂φdS=0∮r=a(−E0cosθ−a2B0−2a3E0a3cosθ)dS=0⇒B0=0
综上
φ=−E0rcosθ+r2E0a3cosθ
其中第一项为匀强外场的电势,第二项为感应电势
考虑原点处沿极轴方向的电偶极子P
电势:
φ=4πε01r3P⋅r=4πε01r2Pcosθ
对比可知道
P=4πε0E0a3
球面电荷密度
ρS=−ε0∂r∂φ∣r=a=3ε0E0cosθ
*Green函数法
待求解问题
∇2φ=−ϵρ边界条件φ∣S或∂n∂φ∣S
Green函数性质
∇2G(x,x′)=−εδ(x−x′)
方程求解
使用Green第二恒等式
∫V(φ∇2ψ−ψ∇2φ)dV=∮S(φ∇ψ−ψ∇φ)⋅dS
取ψ=G(x,x′)
∫V(φ∇2G−G∇2φ)dV=∮S(φ∇G−G∇φ)⋅dS∫V(−φεδ(x−x′)−G∇2ερ(x′))dV=∮S(φ∇G−G∇φ)⋅dS
有形式解
ϕ(x′)=∫VG(x,x′)ρ(x′)dV+ε∮SG(x,x′)∂n∂φ(x)ds−ε∮Sφ(x)∂n∂G(x,x′)ds
将x,x′对换
ϕ(x)=∫VG(x,x′)ρ(x′)dV′+ε∮SG(x,x′)∂n∂φ(x′)ds′−ε∮Sφ(x′)∂n∂G(x,x′)ds′
- 第一类边值问题,φ∣S已知
取G∣S=0,则
ϕ(x)=∫VG(x,x′)ρ(x′)dV′−ε∮Sφ(x′)∂n∂G(x,x′)ds′
- 第二类边值问题,∂n∂φ∣S已知
取∂n∂G∣S=const=−εS1,则
φ=∫VG(x,x′)ρ(x′)dV′+ε∮SG(x,x′)∂n∂φ(x′)ds′+⟨φ⟩S
其中
⟨φ⟩S=S1∮Sφ(x′)dS′
第一类边值问题
∇2G=−εδ(x−x′)G∣S=0
课本中可能出现的差异
《电磁场》
∇2G=−δ(x−x′)
《电动力学》和《电磁场》中n^方向相反(前者为外法线,后者为内法线)
静电场部分结束
静磁场
虚晃一枪