偏微分方程

狄利克雷邊界條件

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在你說明區域邊緣發生了什麼之前,偏微分方程有無窮多解。最簡單的做法就是沿整個邊界規定未知函數本身的取值——不是說牆處溫度變化多陡,而是說那裡的溫度究竟是多少。這種規定就是狄利克雷邊界條件,是標準邊界條件中第一種、也是最直觀的一種。

形式上,在區域邊界上你要求 u = g,其中 g 是定義在該邊界上的給定函數(可以是常數,也可以沿邊緣逐點變化)。物理上,當邊界被保持在已知狀態時你就施加它:兩端被夾在冰與爐子上的棒(溫度固定為 0 和某個熱值)、邊緣被釘死的鼓面(位移固定為零)、被保持在已知電壓的電極。規定值為零的情形,即邊界上 u = 0,稱為齊次狄利克雷條件,正是它讓分離變量法產生乾淨的正弦級數。

狄利克雷條件無處不在,因為如此之多的物理邊界確實保持著一個固定值:被夾住的溫度、被釘住的位移、接地或帶電的導體。對拉普拉斯方程與卜瓦松方程,狄利克雷問題——在整個邊界上規定 u、求內部解——是最規矩的偏微分方程問題:它恰有一個解,該解對邊界數據連續依賴,並服從極值原理。它們與諾伊曼條件形成對照,後者固定的是通量(法向導數)而非取值。

一根長為 L、對所有 t 滿足 u(0, t) = 0 與 u(L, t) = 0 的棒,具有齊次狄利克雷條件(兩端溫度均保持為零)。它們迫使空間本徵函數為 sin(n pi x / L),後者在兩端為零,給出純正弦級數。

在兩端固定取值就選出了正弦函數;這是入門偏微分方程問題中最常見的配置。

狄利克雷固定的是取值而非斜率;把它與諾伊曼條件(固定法向導數,即通量)混淆會改變出現的本徵函數——正弦還是餘弦——並可能給出完全不同的答案。

又稱
first-type boundary conditionfixed-value condition第一类边界条件第一類邊界條件