惟一性定理

惟一性定理

惟一性定理指出,很大一部分的具有邊界條件的泊松方程,可能有很多個解,但所有解的梯度都是相同的。

簡介


惟靜況,味件泊松程勢函具唯確。

證明


單制,靜泊松程般達
是電勢,是電場。
對於很大一部分的邊值條件,勢函數的梯度的唯一性(即電場的唯一性)可以如下證明。
反證,假設電勢有兩個解。令,也就是兩個解的差。已知均滿足泊松方程,必須滿足
應用一個恆等式
注意到右邊第二項恆等於零,於是可以將方程改寫為
在邊值條件所確定的邊界內對體積進行積分
應用散度定理,上式可以改寫為
其中是邊值條件確定的曲面邊界。
由於 ,那麼當上式左邊的曲面積分等於零的時候,必須處處為零(即得 )。
這就意味著,該方程的解的梯度是唯一確定的,當且僅當如下條件成立使得上式成立的邊值條件包括:
狄利克雷邊界條件:在曲面邊界有定義。因此。於是,在邊界任意位置,上式成立。
諾伊曼邊界條件:在曲面邊界有定義。因此。於是,在邊界任意位置,上式成立。
修改過的諾伊曼邊界條件(也稱為羅賓邊界條件——其中假設邊界都是帶有已知電荷的導體):只需在邊界應用高斯定律,也是有定義的。因此,上式成立。
混合邊值條件(上述三個條件的組合):唯一性定理仍然成立。
邊界曲面還可以是無窮遠的邊界(即所求的電勢所在的區域沒有邊界)。在這種情況下,只要上述的曲面積分等於零,唯一性定理仍然成立。舉個例子,當被積函數下降的速度比表面積快的時候,該積分趨近於零。

參看


• 泊松方程
• 高斯定律
• 鏡像法
• 格林函數
• 唯一性定理
• 球諧函數