偏微分方程
狄利克雷边界条件
/ DEER-ish-lay /
在你说明区域边缘发生了什么之前,偏微分方程有无穷多解。最简单的做法就是沿整个边界规定未知函数本身的取值——不是说墙处温度变化多陡,而是说那里的温度究竟是多少。这种规定就是狄利克雷边界条件,是标准边界条件中第一种、也是最直观的一种。
形式上,在区域边界上你要求 u = g,其中 g 是定义在该边界上的给定函数(可以是常数,也可以沿边缘逐点变化)。物理上,当边界被保持在已知状态时你就施加它:两端被夹在冰与炉子上的棒(温度固定为 0 和某个热值)、边缘被钉死的鼓面(位移固定为零)、被保持在已知电压的电极。规定值为零的情形,即边界上 u = 0,称为齐次狄利克雷条件,正是它让分离变量法产生干净的正弦级数。
狄利克雷条件无处不在,因为如此之多的物理边界确实保持着一个固定值:被夹住的温度、被钉住的位移、接地或带电的导体。对拉普拉斯方程与泊松方程,狄利克雷问题——在整个边界上规定 u、求内部解——是最规矩的偏微分方程问题:它恰有一个解,该解对边界数据连续依赖,并服从极值原理。它们与诺伊曼条件形成对照,后者固定的是通量(法向导数)而非取值。
一根长为 L、对所有 t 满足 u(0, t) = 0 与 u(L, t) = 0 的棒,具有齐次狄利克雷条件(两端温度均保持为零)。它们迫使空间本征函数为 sin(n pi x / L),后者在两端为零,给出纯正弦级数。
在两端固定取值就选出了正弦函数;这是入门偏微分方程问题中最常见的配置。
狄利克雷固定的是取值而非斜率;把它与诺伊曼条件(固定法向导数,即通量)混淆会改变出现的本征函数——正弦还是余弦——并可能给出完全不同的答案。
又称
另见