本系列的第一讲。

本文最后更新于 2026年1月23日 晚上

下学期就要当PDE助教了,先写点Blog复习一下。
以下内容来自贾老师PPT与我的上课笔记(说到底还是贾老师的讲稿),此处只是整理+些许丰富/改动,仅供学习参考,勿作其他用途。
第一次更新:2025/07/29 11:50
第二次更新:2025/07/30 20:43
第三次更新:2025/08/01 22:19
第四次更新:2025/08/02 10:47(单篇太长了,导致网页卡顿,已拆成五篇)

参考书

贾老师推荐的主要参考书:

  1. 教材:姜礼尚《数学物理方程讲义(第三版)》
  2. 中文参考书:
    1. 周蜀林《偏微分方程》,老师讲稿中涉及书目之二
    2. 陈才生《数学物理方程》+《学习指导与习题解答》(题目很丰富),
    3. 谷超豪《数学物理方程(第三版)》
  3. 国外参考书:
    1. Lawrence C. Evans《Partial Differential Equations (Second Edition)》,第1-4章对应课本的内容,讲解了一般 𝑛 维的理论,全但不深。
    2. Alberto Bressan《Lecture Notes on Functional Analysis With Applications to Linear
      Partial Differential Equations》,一本小书,老师强推。

基础知识

符号说明

若 u:Ω⊂Rn→Ru: \Omega \subset \mathbb{R}^n \to \mathbb{R},用 C(Ω)C(\Omega) 表示在 Ω\Omega 上的连续函数构成的线性空间,对于 u∈C(Ω)u \in C(\Omega),定义

∥u∥C(Ω)=sup⁡x∈Ω∣u(x)∣.\begin{equation*} \| u \|_{C(\Omega)} = \sup_{x \in \Omega} |u(x)|. \end{equation*}

用 Ck(Ω)C^k(\Omega) 表示 Ω\Omega 上所有 kk 阶偏导数都存在且连续的函数构成的线性空间(即在 Ω\Omega 上 kk 阶连续可微的函数构成的线性空间),其上的范数定义为

∥u∥Ck(Ω)=sup⁡x∈Ω∣u(x)∣+∑∣α∣=1ksup⁡x∈Ω∣Dαu(x)∣,\|u\|_{C^k(\Omega)} = \sup_{x \in \Omega} |u(x)| + \sum_{|\alpha|=1}^k \sup_{x \in \Omega} |D^\alpha u(x)|,

其中多重指标 α=(α1,α2,…,αn)\alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \ldots, \alpha_n),满足

∣α∣=α1+…+αn,Dαu=∂∣α∣u∂x1α1⋯∂xnαn.|\alpha| = \alpha_1 + \ldots + \alpha_n, \quad D^\alpha u = \frac{\partial^{|\alpha|} u}{\partial x_1^{\alpha_1} \dotsm \partial x_n^{\alpha_n}}.

对于函数 u∈C(Ω)u \in C(\Omega),定义其支集为所有满足 u(x)≠0u(x) \neq 0 的点集在 Ω\Omega 上的闭包,记为

supp u={x∈Ω∣u(x)≠0}‾.\text{supp} \ u = \overline{\{ x \in \Omega \mid u(x) \neq 0 \}}.

用 C0k(Ω)C_0^k(\Omega) 表示 Ck(Ω)C^k(\Omega) 中具有紧支集的函数类。用 C∞(Ω)C^\infty(\Omega) 表示

C∞(Ω)=⋂k=1∞Ck(Ω).C^\infty(\Omega) = \bigcap_{k=1}^\infty C^k(\Omega).

梯度

对于标量函数 uu,其梯度定义为:

∇u=(∂u∂x1,…,∂u∂xn)T\nabla u = \left( \frac{\partial u}{\partial x_1}, \ldots, \frac{\partial u}{\partial x_n} \right)^T

散度

对于向量函数 U=(u1,…,un)TU = (u_1, \ldots, u_n)^T,其散度定义为:

∇⋅U=∂u1∂x1+…+∂un∂xn=∑i=1n∂ui∂xi\nabla \cdot U = \frac{\partial u_1}{\partial x_1} + \ldots + \frac{\partial u_n}{\partial x_n} = \sum_{i=1}^n \frac{\partial u_i}{\partial x_i}

Green公式

形式一

假设 D⊂R2D \subset \mathbb{R}^2 是平面上由有限条可求长闭曲线围成的闭区域,函数 P(x,y),Q(x,y)P(x,y), Q(x,y) 在 DD 上连续,且有连续的一阶偏导数,则:

∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy=∫∂DPdx+Qdy\iint_D \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) dxdy = \int_{\partial D} Pdx + Qdy

其中 ∂D\partial D 取正向。

形式二

假设 D⊂R2D \subset \mathbb{R}^2 是平面上由有限条可求长闭曲线围成的闭区域,函数 P(x,y),Q(x,y)P(x,y), Q(x,y) 在 DD 上连续,且有连续的一阶偏导数,则:

∬D(∂P∂x+∂Q∂y)dxdy=∫∂DPcos⁡(n,x)+Qcos⁡(n,y) dS\iint_D \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} \right) dxdy = \int_{\partial D} P\cos(\boldsymbol{n}, x) + Q\cos(\boldsymbol{n}, y) \, dS

其中 n\boldsymbol{n} 为单位外法向量。

证明

设 t\boldsymbol{t} 为边界 ∂D\partial D 的单位切向量(因 n\boldsymbol{n} 是单位外法向量),满足:

cos⁡(n,x)=cos⁡(t,y),cos⁡(n,y)=−cos⁡(t,x)\cos(\boldsymbol{n}, x) = \cos(\boldsymbol{t}, y), \quad \cos(\boldsymbol{n}, y) = -\cos(\boldsymbol{t}, x)

示意图
示意图

边界上的微分满足:

dx=−cos⁡(t,x) ds,dy=cos⁡(t,y) dsdx = -\cos(\boldsymbol{t}, x) \, ds, \quad dy = \cos(\boldsymbol{t}, y) \, ds

对左侧二重积分逐步推导:

∬D(∂P∂x+∂Q∂y)dxdy=∫∂D−Qdx+Pdy=∫∂D−Qcos⁡(t,x)+Pcos⁡(t,y) dS=∫∂DQcos⁡(n,y)+Pcos⁡(n,x) dS\iint_D \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} \right) dxdy = \int_{\partial D} -Qdx + Pdy = \int_{\partial D} -Q\cos(\boldsymbol{t}, x) + P\cos(\boldsymbol{t}, y) \, dS = \int_{\partial D} Q\cos(\boldsymbol{n}, y) + P\cos(\boldsymbol{n}, x) \, dS

形式三

假设 D⊂R2D \subset \mathbb{R}^2 是平面上由有限条可求长闭曲线围成的闭区域,函数 P(x,y),Q(x,y)P(x,y), Q(x,y) 在 DD 上连续,且有连续的一阶偏导数,则

∬D(∂P∂x+∂Q∂y)dxdy=∫∂DPcos⁡(n,x)+Qcos⁡(n,y) dS\iint_D \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} \right) dxdy = \int_{\partial D} P\cos(\boldsymbol{n}, x) + Q\cos(\boldsymbol{n}, y) \, dS

其中 n\boldsymbol{n} 为单位外法向量。

记 U=(P,Q)TU = (P, Q)^T(即 UU 是分量为 P,QP, Q 的列向量),由于单位外法向量可表示为 n=(cos⁡(n,x),cos⁡(n,y))T\boldsymbol{n} = \big( \cos(\boldsymbol{n}, x), \cos(\boldsymbol{n}, y) \big)^T,则上述公式可改写为 散度 - 法向点积形式:

∬D∇⋅U dxdy=∫∂DU⋅n dS\iint_D \nabla \cdot U \, dxdy = \int_{\partial D} U \cdot \boldsymbol{n} \, dS

Gauss公式

假设 V⊂R3V \subset \mathbb{R}^3 是空间上的一个有界闭区域,其边界 ∂V\partial V 由有限张分块光滑的双侧曲面组成,并取外法向,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z) 在 VV 上连续,且有连续的一阶偏导数,则

∭V(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dxdydz=∬∂VPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬∂V(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)dS\iiint_V \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right) dxdydz = \iint_{\partial V} Pdydz + Qdzdx + Rdxdy = \iint_{\partial V} \big( P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma \big) dS

其中 (cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)(\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma) 为边界 ∂V\partial V 的外法向量的方向余弦。

记 U=(P,Q,R)TU = (P, Q, R)^T,由于 n=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)T\boldsymbol{n} = (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma)^T,我们有

∭V∇⋅U dxdydz=∬∂VU⋅n dS\iiint_V \nabla \cdot U \, dxdydz = \iint_{\partial V} U \cdot \boldsymbol{n} \, dS

Gauss-Green公式

假设 Ω⊂Rn\Omega \subset \mathbb{R}^n 是一个有界开集,且 ∂Ω∈C1\partial\Omega \in C^1。若向量函数 U=(u1,⋯ ,un)T:Ω‾→RnU = (u_1, \cdots, u_n)^T: \overline{\Omega} \to \mathbb{R}^n 满足 U∈C1(Ω)∩C(Ω‾)U \in C^1(\Omega) \cap C(\overline{\Omega}),则

∫Ω∇⋅U dx=∫∂ΩU⋅n dS\int_{\Omega} \nabla \cdot U \, dx = \int_{\partial\Omega} U \cdot \boldsymbol{n} \, dS

其中 n\boldsymbol{n} 为 ∂Ω\partial\Omega 的单位外法向量。

四个常用性质

证明可见 去年的PDE第一次作业

性质一

若 u,v∈C1(Ω)∩C(Ω‾)u, v \in C^1(\Omega) \cap C(\overline{\Omega}),则

∫Ωuxiv dx=−∫Ωu vxi dx+∫∂Ωuv ni dS\int_{\Omega} u_{x_i} v \, dx = -\int_{\Omega} u \, v_{x_i} \, dx + \int_{\partial\Omega} u v \, n_i \, dS

其中 nin_i 是 ∂Ω\partial\Omega 单位外法向量 n\boldsymbol{n} 的第 ii 个分量。

性质二

若 u∈C2(Ω)∩C1(Ω‾)u \in C^2(\Omega) \cap C^1(\overline{\Omega}),则

∫ΩΔu dx=∫∂Ω∂u∂n dS\int_{\Omega} \Delta u \, dx = \int_{\partial\Omega} \frac{\partial u}{\partial \boldsymbol{n}} \, dS

性质三

若 u,v∈C1(Ω)∩C(Ω‾)u, v \in C^1(\Omega) \cap C(\overline{\Omega}) 且 v∈C2(Ω)∩C1(Ω‾)v \in C^2(\Omega) \cap C^1(\overline{\Omega}),则

∫Ω∇u⋅∇v dx=−∫Ωu Δv dx+∫∂Ωu ∂v∂n dS\int_{\Omega} \nabla u \cdot \nabla v \, dx = -\int_{\Omega} u \, \Delta v \, dx + \int_{\partial\Omega} u \, \frac{\partial v}{\partial \boldsymbol{n}} \, dS

性质四

若 u,v∈C2(Ω)∩C1(Ω‾)u, v \in C^2(\Omega) \cap C^1(\overline{\Omega}),则

∫Ω(uΔv−vΔu) dx=∫∂Ω(u∂v∂n−v∂u∂n) dS\int_{\Omega} \big( u \Delta v - v \Delta u \big) \, dx = \int_{\partial\Omega} \left( u \frac{\partial v}{\partial \boldsymbol{n}} - v \frac{\partial u}{\partial \boldsymbol{n}} \right) \, dS


PDE笔记-第一讲
http://dbqdss.github.io/2025/08/02/个人学习笔记/Math Notes/PDE-姜礼尚/PDE笔记-第一讲/
作者
失去理想的獾
发布于
2025年8月2日
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