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调和函数


任何 实函数 u(x,y) 具有连续二阶 偏导数 且满足 拉普拉斯方程 的,

 del ^2u(x,y)=0,
(1)

被称为调和函数。在物理学和工程学中,调和函数被称为 势函数。势函数非常有用,例如在电磁学中,它们将对 3 分量 矢量场 的研究简化为对 1 分量 标量函数 的研究。标量调和函数被称为 标量势,而矢量调和函数被称为 矢量势

为了在 平面 中找到一类这样的函数,请用 极坐标 写出 拉普拉斯方程

 u_(rr)+1/ru_r+1/(r^2)u_(thetatheta)=0,
(2)

并仅考虑径向解

 u_(rr)+1/ru_r=0.
(3)

这是可通过积分求解的,因此定义 v=du/dr,

 (dv)/(dr)+1/rv=0
(4)
 (dv)/v=-(dr)/r
(5)
 ln(v/A)=-lnr
(6)
 v/A=1/r
(7)
 v=(du)/(dr)=A/r
(8)
 du=A(dr)/r,
(9)

所以解是

 u=Alnr.
(10)

忽略平凡的加法和乘法常数,一般纯径向解变为

u=ln[(x-a)^2+(y-b)^2]^(1/2)
(11)
=1/2ln[(x-a)^2+(y-b)^2].
(12)

其他解可以通过微分获得,例如

u=(x-a)/((x-a)^2+(y-b)^2)
(13)
v=(y-b)/((x-a)^2+(y-b)^2),
(14)
u=e^xsiny
(15)
v=e^xcosy,
(16)

 tan^(-1)((y-b)/(x-a)).
(17)

包含方位角依赖性的调和函数包括

u=r^ncos(ntheta)
(18)
v=r^nsin(ntheta).
(19)

泊松核

 u(r,R,theta,phi)=(R^2-r^2)/(R^2-2rRcos(theta-phi)+r^2)
(20)

是另一个调和函数。


另请参阅

共形映射狄利克雷问题调和分析调和分解Harnack 不等式Harnack 原理开尔文变换拉普拉斯方程泊松积分泊松核标量势施瓦茨反射原理次调和函数矢量势

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参考文献

Ash, J. M. (Ed.). Studies in Harmonic Analysis. Washington, DC: Math. Assoc. Amer., 1976.Axler, S.; Bourdon, P.; and Ramey, W. Harmonic Function Theory. Springer-Verlag, 1992.Benedetto, J. J. Harmonic Analysis and Applications. Boca Raton, FL: CRC Press, 1996.Cohn, H. Conformal Mapping on Riemann Surfaces. New York: Dover, 1980.Krantz, S. G. "Harmonic Functions." §1.4.1 and Ch. 7 in Handbook of Complex Variables. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 16 and 89-101, 1999.Weisstein, E. W. "Books about Potential Theory." http://www.ericweisstein.com/encyclopedias/books/PotentialTheory.html.

在 Wolfram|Alpha 上被引用

调和函数

请引用为

Weisstein, Eric W. "调和函数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/HarmonicFunction.html

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