拉普拉斯方程、帕松方程與位勢論

諾伊曼問題(Neumann problem)

/ NOY-mahn /

與其固定板邊緣的溫度,假設你控制有多少熱量穿過邊緣流入或流出——你把某些部分絕熱,或以選定的速率泵入熱量。然後你問這在內部產生什麼平衡溫度。這就是諾伊曼問題:指定邊界通量,而非邊界值。

精確地說,拉普拉斯方程的諾伊曼問題尋求 u,在區域內部 Laplacian u = 0、在邊界上向外法向導數取指定值,記為 du/dn = g,其中 du/dn 是當你跨出邊界時 u 的變化率。(對帕松方程,內部條件為 Laplacian u = f。)物理上 du/dn 是熱通量、電場分量、或邊界處的法向流速。它與狄利克雷問題有兩點不同。第一,解只唯一到差一個可加常數:因為只約束了 u 的梯度,你可把整個解抬高任一常數,它仍滿足一切——絕對水平未定。第二,你不能任意指定 g。

第二點就是相容條件:由散度定理,穿過邊界的總通量必須等於內部的總源,故邊界資料 g 的積分必須等於正確的量(對拉普拉斯方程為零)。物理上,若區域除了你泵熱之處皆絕熱,則穩態下你淨泵入的熱必須為零——否則溫度會持續上升、沒有平衡存在。諾伊曼問題建模絕熱或通量驅動的平衡:帶指定表面場的帶電導體、絕熱的散熱器、繞過物體的流動(其法向速度由物體形狀設定)。

把一塊板的每條邊都絕熱(四周 du/dn = 0)且無內部源。相容條件滿足(總通量為 0),而唯一的解就是常數:既無熱進出,每個均勻溫度都是穩態,這正是「差一個常數」的非唯一性。

通量資料確定形狀但不確定水平;它們還必須平衡,否則沒有穩態存在。

與狄利克雷問題的兩點真實差異常絆住人:諾伊曼解只唯一到差一個常數,且邊界資料不能自由選取——它們必須滿足相容(可解性)條件。忽略任一點,你就會去找一個不存在的解,或期待一個得不到的唯一性。

又称
second boundary value problem第二邊界值問題