邊界值與初始值問題及適定性

狄利克雷邊界條件(Dirichlet boundary condition)

/ Dirichlet -> dee-ree-SHLAY /

想像一塊金屬板,你把它的邊緣夾進已知溫度的冰中;或一面鼓皮,邊緣黏死在剛性框架上而無法移動。這兩種情形裡,你都是在告訴系統未知函數在邊界處的值,而讓內部自由地相應安定下來。這就是狄利克雷邊界條件:你規定 u 本身在區域邊緣上的值。它是最直接的一種邊條件——你只是說出答案在牆上的數值。

具體而言,若 PDE 定義在一個有邊界的區域上,狄利克雷條件寫成邊界上 u = h,其中 h 是給定的函數(常常只是一個常數)。若區域是棒 0 <= x <= L,條件 u(0, t) = a 與 u(L, t) = b 把兩端固定在溫度 a 與 b。對某個定義域上的拉普拉斯方程 Laplacian u = 0,在邊界上給定 u = h 就是經典的狄利克雷問題,它恰有一個解——那個把邊界值平滑地內插到內部的調和函數,就像一張肥皂膜、其邊緣被彎成一條鐵絲的形狀。當 h 恆為零時,這條件稱為齊次的;這恰恰是分離變數法產生乾淨特徵值問題所需要的。

狄利克雷條件是橢圓型方程的恰當資料,也是有界區域上演化方程的標準搭檔。把它與堂兄弟們對照:諾伊曼條件固定斜率(通量)而非值,羅賓條件則把兩者混合。一個值得說明的微妙處:狄利克雷條件控制邊界上的 u,卻沒有直接規定 u 以多陡的方式逼近邊界——決定邊界通量的是方程,而非條件。夾住值,並不等於夾住穿過邊緣的流動。

把棒的兩端都浸在冰裡加熱:對所有 t,u(0, t) = 0 且 u(L, t) = 0。這些齊次狄利克雷條件迫使解的每一個傅立葉模態都是正弦 sin(n pi x / L),它在兩端皆為零——於是任何初始溫度都以正弦模態之和衰減,每個模態像 e^(-k (n pi / L)^2 t) 那樣縮小。

狄利克雷 = 固定邊界上的值;齊次狄利克雷給出正弦特徵函數。

狄利克雷條件固定的是 u 在邊界上的值,而非斜率;由此產生的法向導數(穿過邊緣的通量)則由方程決定,可以是任意值。

又稱
first-type boundary conditionprescribed-value condition第一類邊界條件固定值邊界條件