极坐标下二维拉普拉斯方程和泊松方程的求解

1. 一般形式

对于方程\begin{cases} \Delta u =f(r,\varphi) \\ (\alpha u+ \beta u_r)|_{r=R_0}=u_0(\varphi) \end{cases}如果f(r,\varphi) \equiv 0,则方程为拉普拉斯方程,否则为泊松方程

如果\beta =0,则称其为狄利克雷问题;如果\alpha=0,则称其为诺伊曼问题;否则为混合问题。

此外,根据r的范围,还可分为圆域内,圆环,圆外三种。

2. 拉普拉斯方程

使用分离变量的方法,我们能够得出如下结论:

  1. 对于圆域内的问题,其解的形式为u(r,\varphi)=C_0+\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}r^n(A_n\cos n\varphi +B_n\sin n\varphi)
  2. 对于圆外的问题,其解的形式为u(r,\varphi)=C_0+\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{r^n}(A_n\cos n\varphi +B_n\sin n\varphi)
  3. 对于圆环上的问题,其解的形式为u(r,\varphi)=C_0+D_0\ln r+\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(C_nr^n+\frac{D_n}{r^n})\cos n\varphi + \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(A_nr^n+\frac{B_n}{r^n})\sin n\varphi

所以,对于拉普拉斯方程,我们按形式设解,代入边值条件即可。(可能需要对边值条件中的u_0(\varphi)进行傅里叶展开)

关于拉普拉斯方程三个不同形式的解:显然圆环上的解的形式是最全的。
对于圆域内的问题,因为r可以取到0,如果留下\ln rr^{-n}项,则此时当r \to 0时,u\to \infty,这与实际的物理含义不符。
对于圆域外的问题,同理留下\ln rr^n会使得在无穷远处u \to \infty,也是与实际不符。

3. 泊松方程

显然,泊松方程是拉普拉斯方程的非齐次形式。我们的求解步骤为:找特解,转化为拉普拉斯方程,求拉普拉斯方程,综合。

对于f(r,\varphi)=ar^n\cos m\varphi或是f(r,\varphi)=ar^n\sin m\varphi

1.如果(n+2)^2\neq m^2

则存在特解u^{*}=br^{n+2}\cos m\varphiu^{*}=br^{n+2}\sin m\varphi

其中,b=\frac{a}{(n+2)^2-m^2}

2.如果(n+2)^2 = m^2

则设特解u^{*}=\varphi(r)\cos m\varphiu^{*}=\varphi(r)\sin m\varphi

求出特解后,作变换v=u-u^{*}即可将泊松方程转换为拉普拉斯方程,然后求解拉普拉斯方程得到v,从而u=v+u^{*}

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