二阶椭圆型偏微分方程

二阶椭圆型偏微分方程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:上海科学技术出版社
作者:David Gilbarg
出品人:
页数:403
译者:叶其孝
出版时间:1981-1-1
价格:1.45元
装帧:平装
isbn号码:
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 偏微分方程
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  • 椭圆型方程
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  • 泛函分析
  • 边界值问题
  • 变分法
  • 微分方程理论
  • 数学物理
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具体描述

二阶椭圆型偏微分方程:理论、方法与应用 本书深入探讨了二阶椭圆型偏微分方程这一数学领域的核心内容。作为数学物理和应用数学中至关重要的一类方程,二阶椭圆型偏微分方程广泛应用于描述各种物理现象,如稳态热传导、静电势分布、弹性力学中的应力应变关系以及流体动力学中的势流问题等。理解和掌握这类方程的性质、求解方法及其在实际问题中的应用,对于深入研究相关科学和工程领域具有不可替代的作用。 本书内容结构严谨,逻辑清晰,旨在为读者构建一个系统而全面的学习框架。 第一部分:理论基础 在理论基础部分,我们将从最基础的概念出发,逐步深入到二阶椭圆型偏微分方程的本质。 引言与背景: 首先,我们将简要介绍偏微分方程的起源和发展,阐述二阶椭圆型偏微分方程在数学和科学中的重要地位。通过经典的物理问题(如泊松方程、拉普拉斯方程)的引入,直观地展示这些方程的物理意义和应用价值。 基本概念与分类: 详细介绍二阶偏微分方程的定义、类型(椭圆型、抛物型、双曲型)的判别方法,并重点聚焦椭圆型方程。我们会深入分析其特征,如在解的存在性、唯一性和光滑性方面的独特性质。 经典方程与性质: 集中讨论几种最基本、最核心的二阶椭圆型偏微分方程,包括: 拉普拉斯方程(Laplace Equation) $Delta u = 0$:分析其解的调和性,及其在稳态问题中的应用,例如温度分布、电势等。 泊松方程(Poisson Equation) $Delta u = f$:探讨其解的性质,以及如何利用源项 $f$ 来描述不同的物理过程。 亥姆霍兹方程(Helmholtz Equation) $Delta u + lambda u = 0$:介绍其在波动现象(如声学、电磁学)中的应用,以及特征值 $lambda$ 的物理意义。 其他重要方程: 适当介绍一些带有更高阶项或非线性项的椭圆型方程,为后续深入研究奠定基础。 解的存在性与唯一性: 详细介绍证明解的存在性与唯一性的经典方法,如: 积分方程方法: 将偏微分方程转化为积分方程,并利用不动点定理证明解的存在性。 能量方法(Energy Methods): 通过构造适当的能量泛函,利用柯西-施瓦茨不等式等工具,证明解的先验估计,进而证明唯一性。 变分方法(Variational Methods): 将求解偏微分方程转化为求解一个泛函的极小值问题,这为求解带边界条件的椭圆型方程提供了强大的工具。 解的光滑性: 深入研究方程解的光滑性,即解的导数存在性的分析。介绍正则性理论(Regularity Theory)的核心思想,包括: 局部正则性: 在光滑系数和光滑区域的条件下,证明解的导数存在性。 全局正则性: 进一步分析在不同条件下解的全局光滑性。 奇点分析: 讨论在系数或区域不光滑时,解可能出现的奇点及其性质。 第二部分:求解方法 理论基础的建立是为了更好地理解和掌握求解二阶椭圆型偏微分方程的各种方法。本书将详细介绍经典和现代的数值求解技术。 解析方法: 分离变量法(Separation of Variables): 对于具有特殊几何形状(如矩形、圆形)和齐次边界条件的方程,分离变量法是一种重要的解析求解工具。我们将展示如何通过分离变量得到一系列常微分方程,并利用傅里叶级数或拉普拉斯级数等工具求得级数解。 格林函数法(Green's Function Method): 介绍格林函数的概念及其在求解非齐次方程(尤其是带狄利克雷边界条件)中的应用。我们将讨论如何构造和计算格林函数。 傅里叶变换与拉普拉斯变换: 探讨如何利用这些积分变换将偏微分方程转化为代数方程或常微分方程,从而求解无界区域上的问题。 数值方法: 有限差分法(Finite Difference Method): 这是最直观和最常用的数值方法之一。我们将详细讲解如何用差分近似代替微分,将偏微分方程转化为大型代数方程组,并介绍求解这类方程组的方法(如高斯消元法、迭代法)。重点分析差分格式的精度和稳定性。 有限元法(Finite Element Method): 这是求解复杂几何形状和边界条件问题的强大而灵活的方法。本书将系统介绍有限元法的基本思想: 弱形式(Weak Formulation): 将偏微分方程转化为积分形式的弱形式,放宽了对解的光滑性要求。 单元剖分(Meshing): 将求解区域剖分成小的几何单元(如三角形、四边形)。 形函数(Shape Functions): 在每个单元内用多项式逼近解。 Galerkin方法: 将弱形式转化为代数方程组。 单元组装与求解: 详细讲解如何组装全局刚度矩阵和载荷向量,并采用迭代方法求解。 边界元法(Boundary Element Method): 介绍在某些问题中,特别是边界效应显著且区域无限时,边界元法的优势。它通过将问题转化为边界上的积分方程来降低问题的维度。 谱方法(Spectral Methods): 讨论使用全局基函数(如傅里叶级数、切比雪夫多项式)逼近解的方法,其在高精度要求的问题中表现出色。 第三部分:应用与进阶 在掌握了理论和方法之后,本书将引导读者探索二阶椭圆型偏微分方程在各个领域的广泛应用,并介绍一些更高级的主题。 物理与工程中的应用: 稳态热传导: 分析如何利用泊松方程描述有内热源的稳态温度分布。 静电学: 讨论拉普拉斯方程在求解无电荷区域的静电势以及泊松方程在有电荷分布区域的静电势问题中的应用。 弹性力学: 介绍如何利用二阶椭圆型方程描述弹性体的应力应变关系,例如平面应力或平面应变问题。 流体动力学: 探讨势流理论中,速度势满足拉普拉斯方程在描述不可压缩、无旋流动中的作用。 电磁学: 在稳恒磁场或电场问题中,二阶椭圆型方程也扮演着重要角色。 高阶主题与前沿: 非线性椭圆型方程: 介绍一些重要的非线性椭圆型方程,如蒙日-安培方程(Monge-Ampère Equation)及其在几何中的应用。 奇性方程与弱解: 讨论系数或源项存在奇性时,解的性质以及弱解的概念。 不适定问题: 简要介绍如何处理反问题或病态问题。 并行计算与高性能求解: 讨论在现代计算环境中,如何高效地求解大型偏微分方程组。 本书力求严谨又不失趣味性,旨在帮助读者建立坚实的数学基础,掌握实用的求解技巧,并激发对这一重要数学分支的进一步探索热情。无论是数学专业的学生、研究人员,还是从事相关科学工程领域的专业人士,都能从中获益。

作者简介

目录信息

读后感

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这学期借着上椭圆方程的课,终于把这本名著从头到尾细细读了一遍。这本书中不少定理的证明都非常难,这里“难”并不是指证明它们用到了高深的思想(事实上,许多定理的想法都很简单),而是在试图得到合适估计的过程中,包含了许多技巧和计算。例如在weak solution的一章中,基...

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这学期借着上椭圆方程的课,终于把这本名著从头到尾细细读了一遍。这本书中不少定理的证明都非常难,这里“难”并不是指证明它们用到了高深的思想(事实上,许多定理的想法都很简单),而是在试图得到合适估计的过程中,包含了许多技巧和计算。例如在weak solution的一章中,基...

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这学期借着上椭圆方程的课,终于把这本名著从头到尾细细读了一遍。这本书中不少定理的证明都非常难,这里“难”并不是指证明它们用到了高深的思想(事实上,许多定理的想法都很简单),而是在试图得到合适估计的过程中,包含了许多技巧和计算。例如在weak solution的一章中,基...

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这学期借着上椭圆方程的课,终于把这本名著从头到尾细细读了一遍。这本书中不少定理的证明都非常难,这里“难”并不是指证明它们用到了高深的思想(事实上,许多定理的想法都很简单),而是在试图得到合适估计的过程中,包含了许多技巧和计算。例如在weak solution的一章中,基...

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这学期借着上椭圆方程的课,终于把这本名著从头到尾细细读了一遍。这本书中不少定理的证明都非常难,这里“难”并不是指证明它们用到了高深的思想(事实上,许多定理的想法都很简单),而是在试图得到合适估计的过程中,包含了许多技巧和计算。例如在weak solution的一章中,基...

用户评价

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《二阶椭圆型偏微分方程》这本书,让我对数学模型的建立和分析有了全新的认识。书中在介绍具体的方程时,总是会先从实际的物理问题出发,比如导热问题、扩散问题、势流问题等,然后引导读者如何将这些物理现象抽象成数学方程。这种从实际到理论的建模过程,让我明白数学不仅仅是抽象的符号游戏,更是描述和理解真实世界的重要工具。在分析方程解的稳定性时,书中引入了一些概念,比如特征值和特征向量,它们揭示了系统在受到扰动时如何演化。理解这些概念,对于预测和控制物理系统的行为至关重要。我尤其欣赏书中关于“守恒律”的讨论,这些守恒律往往是PDE的重要性质,它们能够提供关于解的全局信息,并有助于证明解的存在性和唯一性。作者在解释这些复杂的数学概念时,总是能够做到既严谨又不失清晰,让我能够理解其背后的逻辑和意义。这本书不仅传授了知识,更培养了我一种将抽象数学概念与具体物理现象联系起来的能力,这对于我未来在科研道路上的发展至关重要。

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这本书的魅力还在于它对数值方法的讨论,尽管核心是理论,但书中并没有回避实际计算中的挑战。在介绍有限元方法时,作者详细阐述了如何将连续的PDE问题转化为离散的代数方程组,以及如何选择合适的单元和基函数来保证近似解的精度。我尤其欣赏书中对误差分析的深入讲解,比如稳定性、收敛性和一致性等概念,这些都是评价一个数值方法好坏的关键指标。它让我明白,理论上的解是美好的,但在实际应用中,我们常常需要依赖近似方法来获得可行的结果,而对这些方法的深刻理解,则是至关重要的。书中还提及了其他一些数值方法,如有限差分法和谱方法,并简要比较了它们的优缺点。这种对不同方法的比较,让我能够根据具体问题的特点选择最合适的方法。虽然书中对数值方法的介绍可能不是最详尽的,但它提供的理论框架和分析工具,足以让我对如何进行数值求解PDE有一个清晰的认识。它鼓励我去思考,如何将抽象的数学模型转化为计算机可以执行的计算任务,并如何评估计算结果的可靠性。这是一种将理论与实践相结合的宝贵学习经历。

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我在阅读《二阶椭圆型偏微分方程》时,常常被书中涉及的分析工具所折服。书中对泛函分析,特别是 Sobolev 空间的应用,让我看到了更宏观的数学视角。传统的偏微分方程理论往往局限于光滑解,但 Sobolev 空间的概念允许我们讨论那些可能在某些点上不那么光滑,但仍然在某种意义上“可微”的函数。这对于理解许多非理想化的物理现象至关重要,例如材料的裂纹、边界上的不连续性等。书中对Sobolev嵌入定理的讨论,清晰地展示了函数在不同 Sobolev 空间之间的联系,以及如何从弱导数的性质推导出函数本身的性质。这种从“弱”到“强”的分析过程,展现了数学分析的强大力量。作者在解释这些概念时,非常注重逻辑的连贯性和概念的清晰性,尽管涉及的数学工具比较抽象,但通过书中具体的例子和直观的解释,我能够逐渐掌握它们的核心思想。我还注意到书中对一些重要定理的证明,比如Rellich-Kondrachov定理,它为后续讨论紧致性问题奠定了基础。这些证明不仅仅是技巧的展示,更是数学思想的结晶,让我能够深入理解偏微分方程理论的根基。这本书让我认识到,学习数学不仅仅是记忆公式和定理,更是理解其背后的思想和方法。

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在探索《二阶椭圆型偏微分方程》的过程中,我逐渐体会到数学证明的精巧和力量。书中关于解的存在性证明,例如利用Schauder不动点定理或Leray-Schauder理论,展示了如何通过构造适当的映射和证明不动点的存在性来证明PDE解的存在。这些方法往往需要对抽象的函数空间和拓扑结构有深入的理解,但一旦掌握,它们就能解决许多看似棘手的数学问题。我记得书中对弱解的概念的引入,这极大地扩展了我们对方程解的认知范围,允许我们讨论那些在经典意义下不成立的解。通过弱形式的表述,我们将PDE转化为一个在函数空间中的积分方程,这为理论分析提供了更广阔的平台。作者在解释这些抽象概念时,总是能提供清晰的类比和直观的解释,帮助我理解这些高级数学工具的本质。例如,将不动点定理类比于在地图上找到一个点,它在纸上的位置和它所指示的实际地点是同一个点。这种类比帮助我打破了抽象的藩篱,对这些证明方法有了更深刻的理解。这本书不仅仅是一堆公式和定理的堆砌,它更像是一次思想的启迪,让我看到数学思维的深度和广度。

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这本书给我的感受是,它不仅仅是一本关于“二阶椭圆型偏微分方程”的教科书,更像是一扇通往数学分析世界的大门。在书中,我遇到了许多令人兴奋的数学思想,比如泛函分析中的 Banach 空间、Hilbert 空间,以及它们在PDE理论中的应用。我了解到,许多偏微分方程的解可以在这些抽象的空间中找到,并且这些空间的结构能够提供关于解的深刻洞察。作者在解释这些概念时,非常注重概念的清晰性和逻辑的连贯性,尽管涉及的数学工具比较抽象,但通过书中丰富的例子和直观的解释,我能够逐渐掌握它们的核心思想。我还特别喜欢书中关于“单调算子”和“变分法”的讨论,这些方法为求解一类特殊的非线性PDE提供了强大的工具。它们将PDE问题转化为一个在函数空间中最小化某个能量泛函的问题,这种思想非常具有启发性。我感觉自己在这本书的学习过程中,不仅仅是在学习数学知识,更是在学习一种科学探究的精神,一种对未知事物保持好奇和探索的态度。这本书让我看到了数学的无穷魅力,并激发了我进一步深入学习的决心。

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这本书给我带来的最大收获,或许在于它对各种边界条件的细致阐述。无论是Dirichlet边界条件,Neumann边界条件,还是Robin边界条件,书中都详细分析了它们在物理模型中的具体含义,以及它们如何影响方程解的存在性和唯一性。例如,Dirichlet边界条件,就像是给一个加热的金属板边缘设定了固定的温度,我们关心的是板内部的温度分布。而Neumann边界条件,则更像是设定了边缘的温度梯度,比如一个绝缘的表面,热量无法穿过。作者通过大量的例子,将这些抽象的数学概念与实际的物理场景紧密联系起来。我特别喜欢书中对某些经典问题的分析,比如如何利用Green函数来构造特定区域内的基本解,以及如何通过理解这些基本解的性质来构建复杂问题的解。Green函数的设计,就像是在空间中找到一个“点源”,然后研究它对整个空间的影响,这种思想在很多物理和工程领域都具有普遍意义。书中的证明过程充满了数学的严谨性,但也并非枯燥乏味,作者总能恰到好处地穿插一些启发性的思考,让我能够理解“为什么”要这样做,而不仅仅是“怎么”做。我感觉到这本书不仅在传授知识,更是在培养一种解决问题的思维方式,一种对数学建模和分析的深刻理解。

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这本书的结构安排非常合理,从基础概念的引入,到各种求解方法和理论的深入探讨,再到最后的应用和数值方法的介绍,构成了一个完整的知识体系。我特别喜欢书中对各个章节之间联系的强调,作者总是会指出,某个新的概念或定理是如何建立在之前所学知识之上的。这种递进式的学习方式,让我能够一步步建立起对整个领域的认知,而不是被零散的知识点所困扰。在解决一些复杂的边界值问题时,书中展示了如何组合使用不同的技巧,比如利用傅里叶级数展开来处理周期性边界条件,或者利用分离变量法来求解特定区域内的解。这些方法的结合应用,让我看到了数学工具的灵活性和强大性。书中还穿插了一些历史背景的介绍,比如提及了泊松、拉普拉斯等数学家在这一领域的重要贡献,这不仅增加了阅读的趣味性,也让我对这些经典方程的起源有了更深的理解。我感觉自己在这本书的学习过程中,不仅仅是在学习数学知识,更是在学习一种科学探究的精神,一种对未知事物保持好奇和探索的态度。

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在阅读这本书的过程中,我被其中对数学证明的逻辑严谨性和创造性所深深吸引。书中对于方程解的估计,例如 L^p 估计和 C^{1,alpha} 估计,展示了数学分析工具的精妙。这些估计不仅仅是关于解的“存在性”,更是关于解的“光滑性”和“可导性”的深入探讨。我了解到,即使一个方程的解在定义域内不是处处可微,我们依然可以通过这些估计来推断出它在某些方面的良好性质。作者在介绍这些证明时,往往会从一个比较简单的特殊情况入手,然后逐步推广到一般情况,这种循序渐进的讲解方式,让我能够更好地理解复杂证明的每一步。我还注意到书中对“先验估计”(a priori estimates)的强调,这类估计在证明解的存在性时起着至关重要的作用,它们能够在不知道解是否存在的情况下,先对解的某些性质进行限制。这种“知其然,更知其所以然”的学习方法,让我对数学的理解更加深刻。这本书不仅仅是知识的传递,更是一种思维方式的培养,一种对数学真理的不懈追求。

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在阅读《二阶椭圆型偏微分方程》的过程中,我被一种潜移默化的逻辑力量所吸引。书中关于方程解的性质的探讨,尤其让我印象深刻。例如,关于强最大值原理的证明,作者通过严谨的分析,一步步揭示了为何对于满足特定条件的椭圆型方程,其解在定义域内部无法取得极值,除非它是一个常数。这不仅仅是一个抽象的数学定理,它背后蕴含着对物理现象的一种深刻洞察。设想一个物体内部的温度分布,如果它在任何一点上都比周围的点温度更高(或者更低),那么热量就会不断地从这一点流失(或者流入),直到达到一种平衡状态。强最大值原理恰恰说明了这种平衡状态的必然性——在没有边界外力的干扰下,内部的温度分布一定是相对平滑的,不会出现孤立的“高温点”或“低温点”。此外,书中对解的正则性(regularity)的分析,比如 Hölder 连续性和 C² 连续性,也让我惊叹于数学工具的精妙。这些性质保证了方程的解不仅存在,而且是足够“光滑”的,这对于后续的数值计算和理论推导至关重要。我感觉自己仿佛置身于一个精心设计的数学迷宫,每一步的推导都如同解开一道关卡,最终通往对问题的透彻理解。这本书没有提供现成的“答案”,而是教会我如何去“寻找”答案,如何通过逻辑和推理来构建完整的知识体系,这种学习体验是任何直接的答案都无法比拟的。

评分

这本书的名字虽然直接点明了主题——“二阶椭圆型偏微分方程”,但我拿到它时,更多的是一种对数学世界深邃奥秘的探索欲,而非仅仅是为了学习某个特定的工具。它像是一张详细的地图,描绘了高维空间中那些既平滑又包含复杂弯曲的曲面。我翻开第一页,就被引向了诸如泊松方程、拉普拉斯方程以及亥姆霍兹方程这类基本方程的构建和起源。作者并没有急于展示复杂的解法,而是先深入浅出地阐述了这些方程在物理学中的普遍性——从静电场的分布到热量在物体内的传导,再到流体动力学中的稳态流动,它们无处不在,是描述自然界基本规律的语言。我尤其欣赏书中对这些方程的几何直观性的解释,比如如何将解的性质与特定区域内的“平均值”概念联系起来,以及为什么这些方程的名字中带有“椭圆”二字,它暗示着解的“平滑性”和“局部依赖性”。这种由浅入深、由现象到本质的讲解方式,让我对偏微分方程的理解不再停留在公式层面,而是建立起了一种更深层次的、基于物理意义和几何直观的认知。我开始期待书中后续的内容,希望能看到作者如何进一步剖析这些看似简单方程背后的深刻数学结构,以及它们在更广泛的应用领域中所展现出的强大生命力。这本书不仅仅是一本教科书,更像是一位经验丰富的向导,带领我穿越数学的森林,发现那些隐藏在复杂公式下的美丽风景。

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