参考资料:《数学物理方程讲义》,姜礼尚。


pp 212.1

设 $u(x)$ 是定解问题

$$\begin{cases}-\Delta u+c(x)u=f(x),&x\in \Omega,\\[6pt] u|_{\partial \Omega}=0,\end{cases}$$

的一个解

(1) 如果 $c(x)\geq C_0>0$,则有估计

$$\max_{\overline \Omega} |u(x)|\leq C_0^{-1}\sup_{\Omega} |f(x)|.$$

(2) 如果 $c(x)\geq 0$ 且有界,则

$$\max_{\overline \Omega} |u(x)|\leq M\sup_{\Omega} |f(x)|,$$

其中 $M$ 依赖于 $c(x)$ 的界与 $\Omega$ 的直径;

(3) 如果 $c(x)<0$,试举反例说明上述最大模估计一般不成立。

解: (1)

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设 $u(x)$ 是定解问题

$$\begin{cases}-\Delta u+c(x)u=f(x),&x\in \Omega,\\[6pt] u|_{\partial \Omega}=0,\end{cases}$$

pp 212.3

pp 212.4

pp 212.5

设 $\Omega_0$ 是三维有界区域,$\Omega=\mathbb R^3\setminus \overline{\Omega_0}$,又设 $u\in C^2(\Omega)\cap C(\overline \Omega)$ 是外部问题

$$\begin{dcases}-\Delta u+c(x)u=0,&x\in \Omega,\\[6pt] u|_{\partial \Omega}=\varphi,\\[6pt] \lim_{|x|\to \infty} u(x)=l.\end{dcases}$$

的解,其中 $c(x)\geq 0$ 且在 $\overline \Omega$ 上局部有界,则有估计

$$\sup_{\Omega}|u(x)|\leq \max\{|l|,\max_{\partial \Omega} |\varphi(x)|\}.$$

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求边值问题

$$\begin{dcases}-\Delta u=f(x,y),& (x,y)\in \Omega,\\[6pt] u|_{\partial \Omega}=\varphi,\end{dcases}$$

的 Green 函数,其中

(1) $\Omega$ 是上半平面;

(2) $\Omega$ 是第一象限;

(3) $\Omega$ 是带形区域 $\{(x,y):-\infty

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设 $B(R)$ 是以坐标原点为心、$R$ 为半径的三维球,试求球上的 Dirichlet 问题

$$\begin{dcases}-\Delta u=f(x),&x\in B(R),\\[6pt] u|_{\partial B(R)}=\varphi.\end{dcases}$$

的 Green 函数。

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记 $B^+(R)=\{(x,y):x^2+y^20\}$,求定解问题

$$\begin{dcases}-\Delta u=f(x,y),& (x,y)\in B^+(R),\\[6pt] u|_{\partial B^+(R)\cap \{y>0\}}=\varphi(x,y),\\[6pt] \dfrac {\partial u}{\partial y}\bigg|_{y=0}=\psi(x,0),&-R\leq x\leq R\end{dcases}$$

的 Green 函数。如果 $u\in C^1(\overline {B^+(R)})\cap C^2(B^+(R))$ 是上述问题的解,试给出解的表达式。

pp212.21

记 $B^+(R)=\{(x,y):x^2+y^20\}$,利用圆上的 Poisson 公式与对称开拓法求解

(1) $\begin{dcases}\Delta u=0,\\[6pt] u|_{\partial B^+(R)\cap \{y>0\}}=\varphi(x,y),\\[6pt] u|_{y=0}=0,&-R\leq x\leq R\end{dcases}$

其中 $\varphi(\pm R,0)=0$;

(2) $\begin{dcases}\Delta u=0,\\[6pt] u|_{\partial B^+(R)\cap \{y>0\}}=\varphi(x,y),\\[6pt] \dfrac {\partial u}{\partial y}\bigg|_{y=0}=\psi(x,0),&-R\leq x\leq R\end{dcases}$

并证明当 $\varphi(x,y)$ 在 $\overline{\partial B^+(R)\cap \{y>0\}}$ 上连续时,所给出的形式解确实是相应问题的解。

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证明第二边值问题

$$\begin{dcases}\Delta u=0,& r 的解当 $\int^{2\pi}_0\varphi(\theta)\mathrm d\theta=0$ 时可表成

$$u(r,\theta)=-\dfrac a{2\pi}\int^{2\pi}_0 \varphi(\alpha)\ln (a^2+r^2-2ar\cos(\theta-\alpha))\mathrm d\alpha+ C.$$

其中 $C$ 为任意常数。

Extra 1

对于半球,计算 Green 函数在边界上的外法向导数,并证明相应的定理 21.1

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