Functional Methods in Differential Equations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Morosanu, Gheorghe/ Hokkanen, Veli-Matti

出品人:

页数:281

译者:

出版时间:

价格:134.95

装帧:Pap

isbn号码:9781584882831

丛书系列:

图书标签:

• 微分方程
• 泛函分析
• 数值分析
• 常微分方程
• 偏微分方程
• 数学分析
• 应用数学
• 函数空间
• 变分法
• 谱方法

偏微分方程在工程与物理中的应用：理论基础与数值方法 本书聚焦于偏微分方程（PDEs）在现代科学与工程领域中的核心地位，深入探讨了其背后的数学理论框架、求解策略以及实际应用中的挑战与前沿进展。 本书旨在为高等应用数学、理论物理、计算科学以及相关工程学科的研究人员和高年级学生提供一本全面、深入且极具实践指导意义的参考书。 第一部分：偏微分方程的基础理论与分类 本部分建立理解和处理偏微分方程的数学基石。我们首先从历史视角回顾了PDEs在描述自然现象（如热传导、波动、流体力学）中的演进历程，明确其作为连续系统建模语言的不可替代性。 1. 基本概念与术语： 详细阐述了二阶线性偏微分方程的经典形式——椭圆型、抛物线型和双曲型方程的定义、物理背景及数学特性。我们将严格定义定常解、瞬态解、全局解和局部解等关键概念。 2. 经典方程的深入分析： 拉普拉斯方程与泊松方程（椭圆型）： 深入探讨位势理论。我们不仅会讨论稳态扩散和静电场的经典解法，还会引入调和函数理论，包括最大值原理、唯一性定理以及边界值问题的基本解（Green函数）的构造。 热传导方程（抛物线型）： 关注时间演化过程中的扩散现象。我们将分析初值问题和边值问题的解的正则性、平滑性和因果性。特别地，对基本解（热核）的性质及其在积分表示中的应用进行详尽阐述。 波动方程（双曲型）： 聚焦于波的传播特性。达朗贝尔（d'Alembert）公式的推导将作为重点，同时分析波动方程中能量守恒、奇性传播（如激波）和超声速流体中的特性。 3. 泛函分析在PDE中的应用： 为了处理更复杂的非线性或具有不规则边界的方程，本部分引入必要的泛函分析工具。索博列夫空间（Sobolev Spaces）的构建及其在弱解理论中的作用是核心内容，为理解现代PDE理论的严谨性奠定基础。 第二部分：解析求解技术与构造性方法 本部分侧重于那些允许我们通过精确数学构造来获得解的方法，这些方法通常对线性问题或特定类型的非线性问题非常有效。 1. 分离变量法与傅里叶级数： 这是处理具有简单几何形状（如矩形、圆形、柱形或球形区域）下线性齐次方程的标准工具。我们将详细演示如何通过分离变量法将偏微分方程转化为常微分方程组，并利用傅里叶级数和本征函数展开来构建满足特定边界条件的解。 2. 积分变换法： 傅里叶变换和拉普拉斯变换在求解无界或半无限域上的初值或初边值问题中扮演关键角色。本书将展示如何利用这些变换将PDE转化为代数方程或常微分方程，求解后再进行逆变换，特别是针对热传导和无穷长导线上的波动问题。 3. 格林函数方法（响应函数）： 这种方法是构建非齐次线性方程解的强大工具。我们将系统地介绍如何为不同的拉普拉斯算子构造格林函数，并利用其与源项（非齐次项）的卷积来表示系统的完整响应。此部分将严格区分定域格林函数与全空间格林函数。 4. 变分原理与能量方法： 对于椭圆型方程，变分原理提供了一种替代直接微分求解的强大视角。我们将介绍最小势能原理，并将变分法与黎兹法（Ritz Method）联系起来，预示着后续数值方法的思想。 第三部分：非线性偏微分方程与现代挑战 非线性PDEs是描述真实世界许多复杂现象（如湍流、化学反应扩散、非线性光学）的基石。本部分关注非线性问题的特殊难点及其现代研究方向。 1. 激波与不连续性： 针对双曲型非线性方程（如欧拉方程或 Burgers 方程），我们将分析解的“爆破”现象，并引入熵条件和弱解的概念，理解激波如何在物理上形成和演化，以及如何通过粘性项的引入来构造可接受的弱解。 2. 存在性、唯一性与光滑性： 现代PDE理论的核心在于证明解的数学存在性和性质。我们将介绍 Leray-Hopf 理论在 Navier-Stokes 方程中的应用框架，探讨奇点的形成机制，并讨论某些非线性方程（如非线性薛定谔方程）的解的全局存在性。 3. 反应扩散系统： 探讨涉及化学反应或生物过程的方程组（如 FitzHugh-Nagumo 模型）。重点分析驻波解、行波解以及系统中的自组织现象（如图灵模式）。 第四部分：偏微分方程的数值逼近方法 由于绝大多数实际问题的复杂几何形状和非线性特性，数值方法成为工程和科学计算的必要手段。本部分系统介绍三种主要的离散化技术。 1. 有限差分法（FDM）： 针对规则网格上的问题，详细推导中心差分、前向/后向差分等高阶近似，并分析它们的稳定性和收敛性（例如 CFL 条件在波动方程中的体现）。 2. 有限元法（FEM）： 这是处理复杂几何和异构材料问题的首选方法。本书将重点阐述如何在Sobolev空间框架下，通过将微分算子转化为积分形式（弱形式），并利用分片多项式基函数对解空间进行剖分，从而构建矩阵方程。我们将详细讨论单元积分、装配过程和边界条件的施加。 3. 有限体积法（FVM）： 专门针对守恒型方程（如流体力学）设计，强调在控制体积上的积分形式，确保物理量的守恒性。我们将分析 FVM 在处理对流项时的特殊格式（如迎风格式）及其在高分辨率问题中的应用。 4. 现代数值技术： 简要介绍谱方法（Spectral Methods）及其在处理高精度要求问题中的优势，以及时间积分算法的选择（如欧拉方法、龙格-库塔法、隐式与显式方案的权衡）。 结论： 本书最终将引导读者将理论知识与计算实践相结合，培养分析和解决实际工程与物理中遇到的偏微分方程问题的能力。涵盖的理论深度和方法广度，使其成为一个坚实的理论基础和实用计算工具箱。

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