前面我们分别见过热方程、波动方程和 Laplace 方程。到了真正的问题里,题目通常不会把方程、区域和边界条件整齐地写在纸上等你套公式:你先要判断什么量在变化,变化发生在哪个区域,边界究竟控制了什么,以及“开始时的状态”是否有意义。本章练习的就是这一步从物理叙述回到数学模型的能力。
一块薄金属板边缘保持在固定温度,内部起初有一小块较热;一根弦的两端固定,中间被拨离平衡位置;一块无内部热源的均匀导热薄板,边缘温度已经给定,并已达到稳态。这三个场景都可以写成偏微分方程,但时间项、边界信息和可用的方法并不相同。我希望你在这一章练成一个具体习惯:拿到一个候选答案后,能分别检查方程、边界和初值。某一项通过了,不能替另外两项作保证。
从物理量写出模型
一条建模链
不要从“这是热方程还是波动方程”开始。更稳的起点是把叙述拆成四个问题。
- 未知量是什么? 温度用 u(x,t),位移用 u(x,t),浓度也可以用 u(x,t);字母相同并不表示物理含义相同。
- 空间区域是什么? 一根长度为 L 的杆对应 0<x<L,半径为 R 的圆盘对应 x2+y2<R2。区域决定了你要在哪些方向求导。
- 局部规律是什么? 扩散把高值向低值抹平,典型形式是 ut=κΔu;理想弦的惯性与张力给出 utt=c2;无源、均匀材料的平衡状态常满足 。
- 外部给了哪些数据? 边界数据描述区域边缘,初值描述 t=0 的整个内部状态。二者不要混写。
材料和热源改变后,哪些项必须保留
第 3 章从薄片收支得到热方程。现在仍假设杆的截面积恒定、侧面绝热,但允许导热系数 k(x) 改变,并有每单位体积的热源 s(x,t)。记恒定密度为 ρ、恒定比热为 cp。取一小段 ,单位截面积的储热变化等于左端流入减右端流出,再加内部产热。除以长度并取极限:
ρcput=−qx+s
这里 q 的单位是功率除以面积,s 的单位是功率除以体积,两侧都表示单位体积的功率。k 恒定时才能进一步写成
ut=κuxx+ρc
k 是导热系数,κ 是热扩散率,后者单位为长度平方除以时间。若 k 可微且不恒定,(kux)x;漏掉第二项就没有保留原来的热流收支。材料分层时还要逐段建模并匹配界面条件,不能把跳变处当成普通可微点。
同样,“稳态”只让 ut 变成零。留下的是 −(kux)x=s,并不自动成为 。只有无源、常导热系数的情形才化为一维 Laplace 方程。
对下面的常系数无源情形,三类模型可以放在一起看:

图中的初值位于 t=0 的整条底边,端点条件则沿着时间方向延伸。固定温度 u(0,t)=0 是沿着时间方向的一条边;初温 u(x,0)=f(x) 是横着截取的一整条内部状态。它们只在角点 处相遇,因此还可能产生相容性要求,例如若边界恒为零,就应有 ,至少在希望解连续时如此。
边界条件不只是“补充数据”
在杆的左端保持温度 T0,是 Dirichlet 条件 u(0,t)=T0。若端点绝热,热通量为零,依据 Fourier 定律可写成 ,这是 Neumann 条件。若端点与环境换热,需要先把“向右的热流”和“向外的热流”分开。用 表示导热系数、 表示表面换热系数,Fourier 定律给出向右热流密度 。区间左端的外法向是 ,右端是 ,因而
qout(0,t)=+kux
与环境的换热律是 qout=H(u−Tenv)。写在两个端点上分别为
kux(0,t)=H0
−kux(L,t)=HL
左端温度高于环境温度时,向外热流应该为正。这个物理检查与外法向检查一致;不能把两个端点都写成同一个 −kux。H=0 时退化为绝热边界。把绝热端误写成 u=0,等于把“没有热流”改成“温度恰好为零”,模型已经换了。
波动问题也一样。固定在平衡位置的端点要求位移为零: u(0,t)=u(L,t)=0。对光滑解,端点速度也随之为零;但只写端点速度为零,还会允许端点停在其他位移上。自由端则要求张力方向的斜率为零,给出 ux(0,。边界条件选错时,后面即使级数算得很熟,也是在求另一个系统。

一个快速检查是看单位和因果关系。扩散系数 κ 的单位必须让 κuxx 与 ut 同量纲;波速 的单位必须是长度除以时间。边界条件应描述外界如何作用于边缘,初值应描述系统在起始时刻已经是什么状态。
先判断方程的性格,再选方法
分离变量不是所有 PDE 的万能钥匙。它在矩形、区间、圆盘等几何规则且边界条件适合本征函数展开时尤其有效;能量法更适合回答“解是否唯一、扰动会不会增长”;有限差分能把规则网格上的问题转为有限个未知数。方法选择应由问题要回答的内容推动。
如果想知道热量如何随时间衰减,分离变量会把解拆成衰减模态;如果想证明两个解不可能不同,能量法通常更短;如果系数变化,数值方法往往更容易实施;边界不规则时,仍需选择能正确贴合边界的离散方式,不能把本课的均匀五点模板直接盖上去就算完成。有限元及一般复杂几何的离散不在本课展开。
热方程:高频细节会更快消失
在 0<x<L 上考虑
ut=κuxx,u(0,t)=u(L,t
令 u=X(x)T(t),代入并除以 κXT,得到
κTT′=XX
边界给出 X(0)=X(L)=0。非零解要求 λn=(nπ/L),空间模态为 ;时间因子满足 ,因此
u(x,t)=n=1∑∞bn
指数中的 n2 是重要信息:n 越大,空间起伏越细,衰减越快。系数由初值的正弦展开决定,
bn=L2∫0L
上述展开的系数与收敛条件见第 4、7 章:例如平方可积初温可在平方积分意义恢复,正时间的扩散因子进一步抑制高频;希望初始角点也连续时,还要检查初温与端点是否兼容。
波动方程:模态不衰减,只交换动能与势能
对于固定端弦,空间本征函数仍是正弦函数,但时间方程变成
T′′+c2λnT=0.
所以第 n 个模态的时间因子是 cos(cnπt/L) 与 sin(cnπt/L) 的组合。初始位移给出一组系数,初始速度再给出另一组系数。少了初始速度,二阶时间方程没有被确定;把热方程的一个初值习惯照搬过来会漏掉一半信息。
同样的分离思路可用于矩形上的二维热方程。对四边零温,取
Xm(x)Yn(y)=sina
分别求二阶导数后,Laplacian 给出原函数乘 −[(mπ/a)2+(nπ/b)2]。因此时间因子满足一阶衰减方程,其衰减率为 κ[(mπ。两个方向的正交积分可分别进行,系数来自 倍的二维投影积分。这个乘积构造仍依赖矩形与相应的边界条件。
Laplace 方程:没有“后来”,只有边界决定的平衡
稳态问题 Δu=0 不需要 u(x,0)。在一维中 uxx=0 直接说明斜率恒定;在二维矩形中可以用分离变量求出边界值向内部的传播。它的一个核心性质是最大值原理:在有界连通区域上,若 在闭区域连续、在内部二阶连续可微且满足 ,则全域最大、最小值由边界控制;非恒定解不能在内部取得全域极值。若计算出的无源稳态内部温度超过所有给定边界温度,优先检查是否漏掉热源、写反符号或出现数值超调。
端点换了,为什么波数也要重算
若左端固定、右端自由,空间问题变成 −X′′=λX、X(0)=0,X′(L)=。分部积分给
λ∫0LX2dx=
所以非零模态不能有负本征值;λ=0 时 X 为常数,再由左端为零只能得到零解。写 λ=μ2>0,通解为 Acos。左端条件消去 ,右端条件要求 ,于是
μn=L(n+1/2)π
热问题中,同样的左恒温零、右绝热条件给出这些空间模态,时间因子却是 e−κμn2t。波问题对应频率 cμn。边界决定允许哪些空间形状,时间方程决定这些形状怎样演化;两部分要分别检查。
综合例题一:从初始热斑到杆上的温度
一根长度 L=1 的细杆侧面绝热,两端保持零温。初始时温度为
f(x)=4sin(πx)−sin(3πx),0<x<1.
求温度 u(x,t),并说明 t 变大时哪部分先消失。
未知量是温度
u(x,t),区域是一维区间
0<x<1。侧面绝热在一维模型中不再产生额外项,两端恒温零给出
。
这里方法选择很明确:几何是一条区间,边界是齐次固定值,初值又能用正弦模态表达,分离变量几乎把建模和求解接在了一起。若把一个端点改成绝热,空间模态会改成混合边界本征函数;如果初温是尖锐的局部热斑,仍可展开,但需要保留更多模态,短时间内还要注意级数的收敛表现。
练习 1 同一根杆的初温改为 f(x)=2sin(2πx)+3sin(5πx)。写出解,并比较两个模态的衰减时间尺度。
解为 u(x,t)=2e−4κπ2tsin(2πx)+。若把“时间尺度”理解为指数衰减中的倒数率,那么编号为 的模态时间尺度是编号为 的模态的 ;它的空间变化更细,所以消失得更快。系数大小影响初始振幅,不改变由模态编号决定的衰减率。
综合例题二:同一个空间模态,热还是波?
一根长度为 π 的弦两端固定。初始位移为 u(x,0)=sin(2x),初始速度为零。求波动解,并与“若这是一根会扩散的热杆”进行方法上的比较。
位移依赖于
x,t,所以未知量仍记为
u(x,t);固定端给出
u(0,t)=。弦的惯性意味着时间上是二阶,模型为
。

图用振幅 3 展示同样的比较;本例振幅为 1,只改变纵向大小,不改变时间因子。
比较并不是为了把两个公式并排背下来,而是训练代回方程的习惯。空间本征值决定“这一项有多细”,时间方程决定“它如何随时间行动”。同样的 X(x),换了局部规律,T(t) 就必须重新求。
练习 2 若上题初始速度改为 ut(x,0)=6sin(2x),空间形状仍只有第二模态。求新的时间因子,并判断 t=0 时弦的位移和速度分别是什么。
仍有 T′′+4c2T=0,但 T(0)=1、。因此 ,解为 。代入 得位移 ;求时间导数后在 代入,得到 ,正好符合给定初速度。
综合例题三:边界改变时,模型和结论一起改变
一根长度为 L 的杆最终达到稳态。左端温度保持 T0,右端绝热。求稳态温度,并说明为什么不能把它当作“两端固定温度”的热方程初值问题。
稳态没有时间演化,因此求的是
uxx=0,u(0)=T0,u
两次积分得到 u(x)=Ax+B。由 u(0)=T0 得 B,由 得 ,所以 。这个结果也符合直觉:右端没有热流,杆内没有持续热源,最终整根杆只能达到左端温度。
这里最值得迁移的是“边界类型决定解的形状”。若右端不是绝热而是固定为 T1,则 u(0)=T0,u(L)=T,解为线性插值 。若两端都绝热且没有内部热源,稳态只能确定为常数,但常数值由总热量或初始平均温度决定;只给兼容的纯 Neumann 数据,稳态解还留有一个加常数的自由度。
图中的稳态端点连线还可以从演化温度中减掉,得到零端点的余量。这正是第 4 章处理恒定非零边界时使用的边界提升。

“稳态”不是“把热方程里的 ut 忘掉之后随便算”。它表示你已经假定系统不再随时间变化;如果内部有热源、边界有通量或材料系数变化,稳态方程和边界条件仍要从守恒关系重新写出。
加上内部热源与换热端点
把上一题改为常导热系数 k、常体积热源 s,左端固定 TL,右端与温度 Tenv 的环境换热。我们需要解
−ku′′=s,u(0)=TL
两次积分并使用左端条件,得到
u(x)=TL+Bx−2ksx
此时唯一待定的是斜率参数 B。右端条件给出
−kB+sL=H(TL+BL−
所以
B=k+HLsL−H(T
因 k>0,H≥0,L>0,分母严格为正,稳态被唯一确定。H=0 时 B=sL/,右端确实绝热;在其他参数固定时, 会使 。有限的 则一般允许端点与环境存在温差,这个温差正是热交换所需的驱动。
取 L=k=1,s=0,TL=20,T,算得 ,因此
u(x)=20−340x,u(1)=3
右端向外热流为 40/3,也等于 2u(1);左端向外热流为 −40/3,负号表示热从左端进入。两者相加为零,符合无源稳态的收支。把右端温度直接写成环境的零温,会得到另一个模型。
若改成两端零温、L=k=1,s=8,解为 u=4x(1−x),中点温度为 1,高于两个端点。这里并没有违反调和函数的最大值原理,因为 ,函数根本不调和。每端向外流出 ,正好带走全杆产生的 。
实验:温度曲线之外,再核对热流
保持左端温度不变,轮流把右端设为固定温度、绝热和与环境换热。观察端点温度、斜率与热流怎样一起变化。将热源设为零时,两端向外热流的和应为零;开启内部热源后,这个和应为 sL。
图中的外法向始终向外,而带符号的热流可以表示流入。尝试把环境温度调得比杆温更高,用计算结果判断哪一端正在给杆供热。这里比较的是不同稳态,不是从一个稳态跳到另一个稳态所经历的时间过程。
两端绝热时,先问能不能有稳态
积分稳态方程 −ku′′=s(x),得到
qout(0)+qout(L)=∫
两端绝热使左侧为零。因此持续的正热源若没有其他散热途径,不可能达到稳态。由演化方程反而得到
ρcpdtd∫0L
平均温度一直上升。这说明不能对每个热问题都想当然地寻找一个长期不变的温度。
回看微元收支图。把各小段的平衡相加,内部相邻截面的流出与流入互相抵消,只留下两端与内部热源。这里用向右为正的 q,所以全杆净流出为 q(L)−q(0)。

能量法与有限差分:不求闭式解也能回答问题
用能量判断唯一性
假设 u、v 都满足同一个热方程和同一个零边界,令 w=u−v。则
wt=κwxx,w(0,t)=w(L
考虑能量 E(t)=21∫0Lw(x,。求导并使用方程,
E′(t)=∫0Lww
分部积分得到
E′(t)=κ[wwx]
边界项为零,正是因为 w 在两端为零。若初值相同,E(0)=0;又因为 E(t)≥0 且不增加,只能有 E(t)=0,于是 ,两个解相同。这个论证没有写出级数,却说明了扩散系统不会凭空产生另一个同初值解。
用有限差分把模型放到网格上
在规则区间上,数值离散提供另一种求近似解的办法。以常系数热方程为例,把 xi=ih、tm=mΔt 放到网格上,用
ut(xi,t
代入热方程得到显式更新
Uim+1=Uim
对一维均匀网格,稳定性要求通常取 0≤r≤1/2。这不是装饰性的限制:当 r 太大,更新会把邻点差异放大,数值解可能出现交替的负温度和尖峰,哪怕真实热方程应当平滑。
选择有限差分时,目标也要说清楚:若想估计某时刻温度,可以做带误差检查的数值推进;若想展示本征模态和长期衰减,分离变量更能解释原因;若要证明唯一性或能量衰减,能量法直接触及结构。三种方法可以服务同一个模型,但回答的是不同问题。
第 10 章还证明了,在解足够光滑、边界正确且步长稳定时,同一物理终点之前的最大节点误差受初始误差加 TC(Δt+h2) 控制。每一步的方程残差还要乘上时间步,才是该步累积的缺陷。

候选解必须分别通过方程、边界和初值
考虑 ut=κuxx、零端点和初温 sinπx。候选函数
v(x,t)=e−κπtsinπx
具有正确的边界,也恢复了初温;但求导得到
vt−κvxx=κ(π2
在内部一般不为零。因此它不是原问题的解。反过来,2e−κπ2tsinπx 满足 PDE 和边界,却对应加倍的初温。两种错误都可能画出“像在扩散”的曲线。
波方程还要单独检查初速度。对零端点、初位移 sinπx、初速度 Vsinπx,正确解为
u(x,t)=[cos(cπt)+cπVsin(c
漏掉正弦时间项,仍会满足 PDE、边界和初位移,但在 V=0 时没有满足初速度。只检查 t=0 的位移图,会完全看不见这个遗漏。
实验:让错误暴露在哪一项检查中
分别选择衰减率错误、初值幅度错误和漏掉初速度的候选解。把探针移到端点时,有些残差会变成零;移回内部后又会出现。这提醒我们:在一个点代入成功,与在整个区域成立,是两回事。
实验的热图由解析残差取样绘制,恒等检查依据展开后的公式。它把图像观察与代数验算放在一起;颜色再平静,也不能代替边界、初值和导数的逐项核对。
初始角点也有条件
若希望零 Dirichlet 热问题的解连续延伸到 t=0,初温必须满足 f(0)=f(L)=0。如果还希望时间一阶和空间二阶导数连续到角点,恒定端点温度给出 ut=,结合 PDE 又要求 在端点成立。要求的光滑性越高,需要核对的数据也越多。
不兼容并不总意味着正时间没有解。例如第 4 章的常数内部初温与零端点不兼容,正时间仍有级数解;它在初始角点不能同时连续满足两套冲突的数据。判断时要说清自己要求的是哪一类解,数值实验也不能替我们消除这个冲突。
方法迁移练习
下面的题目不要求每次都算出漂亮的闭式公式。请把注意力放在“模型是否匹配、条件在哪里用、方法为什么合适”。
练习 3 二维薄板占据矩形 0<x<a,0<y<b。四条边温度固定为零,初始温度为 f(x,y)。写出热方程、边界条件和初值,并说明分离变量后空间模态的大致形式。
模型是 ut=κ(uxx+uyy),边界为 ,初值为 。空间部分可取 ,对应本征值 ;时间因子为 ,系数由 的二维正弦展开决定。
练习 4 一块有界连通的均匀导热区域内没有热源,稳态温度连续到边界,边界温度都在 10 到 30 摄氏度之间。稳态温度在内部某点算出 36 摄氏度。你会优先检查什么?若边界改为部分给温度、部分给热通量,方法选择有什么变化?
优先检查方程是否确实是无源 Laplace 方程、边界条件是否抄写正确、符号和单位是否一致,以及数值离散是否引入了超调。最大值原理表明,在题设的有界区域与连续边界数据等条件下,调和函数的内部温度不能超过边界最大值,因此 36 与给定范围不相容。对足够光滑的混合问题,差解在固定温度部分为零,在零差通量部分的法向导数为零,故 Green 恒等式的边界积分消失,得到梯度平方积分为零。连通区域上差为常数;只要有非空的固定温度边界段,就把该常数确定为零。闭式分离变量也要重新寻找满足两类边界的本征函数;若几何复杂,需选择合适的数值离散,并认真处理边界。
练习 5 一根弦的左端固定,右端自由。请写出边界条件,并说明为何空间模态不再是“两端都为零”的正弦函数。若只给初始位移而不给初始速度,能否唯一确定波动解?
左端固定给 u(0,t)=0,右端自由给 ux(L,t)=0。空间本征函数要同时满足 X、,可取 ,,而不是 。波动方程在时间上是二阶,必须同时给出 和 ;只给初始位移会留下未确定的速度系数,因而不能唯一确定解。
11面对一个新的 PDE 题目,哪种顺序最能减少模型误读?
12热方程和波动方程可以拥有相同的空间本征函数,但同一模态的时间因子仍必须由各自的时间方程重新求出。
6. 两端绝热与持续产热
取 L=2,ρcp=4,常热源 s=6,两端绝热。能否有稳态?平均温度每单位时间上升多少?若改成无源问题且初始平均温度为 7,稳态的常数由什么确定?
稳态收支要求 0=sL=12,矛盾,所以不能有稳态。由总热量平衡,ρcpLu′,故 。无源绝热时平均温度守恒;第 3、9 章的余弦展开或零均值能量估计表明起伏衰减,稳态常数为 。仅给静态的两个零通量条件,只能知道解是常数,不能知道这个常数是多少。
7. 两端都与环境换热
无源杆长 1、导热系数 k=2。左端换热系数 H0=1、环境温度 10,右端 、环境温度 。写出两个带正确符号的边界条件,求稳态,并检查两端收支。
设 u=Ax+B。边界是 2u′(0)=u(0)−10、,所以 、。解得 ,即 。左、右向外热流分别是 ,和为零;与换热律比较,左侧 ,右侧 。负的左向外热流表示热从较暖的左环境进入。
8. 变导热系数的无源稳态
区间 0<x<1 上 k(x)=1+x、u(0)=0,,没有内部热源。有人直接使用 ,认为无源稳态一定是直线。找出错误,并求正确解。
应有 ((1+x)u′)′=0,而 u=x 会使左侧等于 。积分得 ,再积分得 。左端给 ,右端给 ,所以 。热流 恒定,虽然温度斜率随位置改变。无源保证的是稳态热流守恒,常导热系数才进一步保证直线温度。
9. 能量法迁移到换热边界
两组温度满足相同的有源热方程、相同的两个 Robin 换热条件,k,ρcp 为正常数,H0,HL≥。初温相同。证明解唯一,说明边界项这次为什么不必为零。
令差为 w,源项与环境温度抵消,得到 ρcpwt=kwxx、、。按照正文的分部积分,
10. 一个能检验计算程序的源项
在 0<x<1 上,希望 u∗(x,t)=e−t 成为 的解。确定 、边界和初值,再说明如何用它检查有限差分结果。
取 F=u∗t−2u∗xx=(2π,边界为零,初值为 。显式离散在旧时间层加入 ,并满足 。在相同物理终点比较数值节点与 ,检查最大节点误差;加密时保持同一源项、初边界和终点。第 10 章的稳定性与光滑误差分析给出预期的一阶时间、二阶空间精度。这个方法检查离散和实现是否匹配已知问题,不是用实验替代一般收敛证明。
一次完整的自检
拿无源杆的 Robin 例子再做一次检查:写出的温度必须二阶导数为零;右端的斜率必须给出与温差相符的向外热流;左端保持题目指定的温度。缺少其中任何一项,即使曲线平滑、数值看起来合理,也还没有解完这道题。
换到波动问题,再添上初速度;换到有源稳态,保留内部产热;换到数值方法,比较同一物理时刻并检查网格误差。以后遇到新的方程,我建议你从这些能亲手核对的关系开始。方法会增加,但一个答案需要满足自己声称解决的方程和数据,这条要求一直不变。