可分离变数的偏微分方程

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:28:47 #微分方程

可分离变数的偏微分方程(PDE)是指一种偏微分方程,在求解时可以用分离变数法分离为一组阶数较低的微分方程。这一般是因为偏微分方程满足某种形式或是对称。因此可以利用求解一组较简单的偏微分方程来求解原问题,若可以简化为一维的问题,甚至可以用变成常微分方程。

分离变数法最常见的形式是其解可以假设为几个函数的积,而每个函数只有一个自变数。例如给予一个 n {\displaystyle n} 元函数 F ( x 1 ,   x 2 ,   ,   x n ) {\displaystyle F(x_{1},\ x_{2},\ \dots ,\ x_{n})} 的偏微分方程,猜想解答的形式为

这是一种特别的分离变数法,称为 R {\displaystyle R} -分离变数法,此方式是将解写成和座标有关的固定函数,以及以各座标为自变数函数的乘积。 R n {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} 上的拉普拉斯方程是一个可以用 R {\displaystyle R} -分离变数法求解的偏微分方程的例子,在三维空间下会用六维球面座标转换(英语:6-sphere coordinates)来求解。

偏微分方程的分离变数法和常微分方程的分离变数法不同,后者是指问题可以变成二个积分相等的形式。

例如,考虑时变的薛定谔方程

针对函数 ψ ( x ) {\displaystyle \psi (\mathbf {x} )} (为简化问题,其为无因次量)(等效的作法是考虑非齐次的亥姆霍兹方程)。若三维函数 V ( x ) {\displaystyle V(\mathbf {x} )} 形式如下

则此问题可以分解为三个一维的常微分方程,函数分别是 ψ 1 ( x 1 ) {\displaystyle \psi _{1}(x_{1})} ψ 2 ( x 2 ) {\displaystyle \psi _{2}(x_{2})} ψ 3 ( x 3 ) {\displaystyle \psi _{3}(x_{3})} ,最后的解可以写成 ψ ( x ) = ψ 1 ( x 1 ) ψ 2 ( x 2 ) ψ 3 ( x 3 ) {\displaystyle \psi (\mathbf {x} )=\psi _{1}(x_{1})\cdot \psi _{2}(x_{2})\cdot \psi _{3}(x_{3})} 。(薛定谔方程中可以分离变数求解的例子已由艾森哈特(Eisenhart)在1948年列举)。

相关

  • 韦珀斯特县韦伯斯特县(Webster County, Georgia)是美国乔治亚州西南部的一个县。面积543平方公里。根据美国2000年人口普查,共有人口2,390人。县治普雷斯顿 (Preston)。成立于1853年12月1
  • 袁道先袁道先(1933年8月24日-),中国地质学家。出生于浙江诸暨。1952年毕业于南京地质探矿专科学校。1991年当选为中国科学院学部委员(院士)。国土资源部岩溶地质研究所研究员。曾任国
  • 计算机代数计算机代数系统(英语:computer algebra system,缩写作:CAS)是进行符号运算的软件。这种系统的要件是数学表示式的符号运算。表示式的例子包括:以下是几种典型的符号运算:通常计算机
  • 马克斯·克林格尔马克斯·克林格尔 (德语:Max Klinger,1857年2月18日-1920年7月5日)是德国象征主义画家和雕塑家。克林格尔出生与莱比锡,在卡尔斯鲁厄学习,他最欣赏戈雅和门采尔的蚀刻版画,所以自学
  • 罗伯特·丹纳德罗伯特·海思·丹纳德(英语:Robert Heath Dennard,1932年9月5日-),生于美国德克萨斯州特雷尔(Terrell),电机工程师与发明家,为随机存取内存(DRAM)的发明者。1954年,于达拉斯南方卫理公会
  • 河南广播电视台音乐广播河南广播电视台音乐广播,简称河南音乐广播,开播于2003年,是河南广播电视台一套以音乐为主的广播频率。该频率通过调频及互联网,覆盖河南全省各主要城市,是河南省影响力最大的音乐
  • 热罗姆·费拉里热罗姆·费拉里(Jérôme Ferrari)是法国作家、翻译家。1968年生于巴黎。曾生活在科西嘉,并在阿尔及利亚教过几年哲学,后任职于阿布扎比一所法语学校。2012年以小说《罗马衰落的
  • 菲茲帕特里克菲茲帕特里克(英语:Fitzpatrick)可以指:
  • 上海轨道交通嘉闵线上海轨道交通嘉闵线为上海市规划的一条嘉定区至闵行区的市域铁路,为上海市市郊铁路示范线之一,为上海市域快线的南北干线。线路全长41.6公里,起自嘉定北站,终至莘庄北站。主要沿
  • 金城宗幸金城宗幸是日本漫画家,作品包括《要听神明的话》(藤村绯二作画)、《BILLION DOGS 30亿元的死党》(ビリオンドッグズ,芹泽直树作画)、《透明少年·城》(インビジブル・ジョー,芥濑良