5个最重要的线性偏微分方程，最美的物理定律就是数学定律

在自然科学和工程领域中，偏微分方程扮演着至关重要的角色。它们充满了丰富的内涵，能够描述各种现象，从物体的运动到热量的传递，从声波的传播到量子力学的演化。在这篇文章中，我们将简要介绍几种最重要的线性偏微分方程。

拉普拉斯方程

拉普拉斯方程（Laplace's equation）是一个二阶偏微分方程，以法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）命名。这个方程在数学物理学中起着非常重要的作用，尤其是在电磁学、流体动力学和热传导等领域。

对于二维情况，拉普拉斯方程可以表示为：

而在三维情况下，拉普拉斯方程表示为：

其中，u是一个关于自变量x, y（以及z, 如在三维情况下）的未知函数，∇²表示拉普拉斯算子，它是一个求偏微分方程的梯度平方和的算子。

拉普拉斯方程是一个椭圆型偏微分方程，它描述了许多稳态现象，如稳态温度分布、静电场和静磁场等。例如，在静电学中，拉普拉斯方程描述了电势分布；在流体动力学中，它描述了不可压缩流体的速度势。

拉普拉斯方程具有一些重要性质，如：解具有最大值原理，即在一个封闭区域内，解的最大值和最小值只能出现在区域的边界上。

解拉普拉斯方程的方法有很多种，包括解析方法（如分离变量法、格林函数法）和数值方法（如有限差分法、有限元法等）。这些方法在不同应用背景下具有不同的适用性和优劣之分。

泊松方程

泊松方程（Poisson's equation）是一个二阶偏微分方程，以法国数学家兼物理学家西蒙·丹尼斯·泊松（Siméon Denis Poisson）命名。泊松方程在物理、工程学以及其他应用领域具有广泛的应用，如电磁学、流体力学和弹性力学等。

泊松方程可以表示为：

在三维情况下，泊松方程可以写成：

其中，u是一个关于自变量x, y, z的未知函数，f(x, y, z)是一个给定的函数，通常与问题的物理背景密切相关。∇²表示拉普拉斯算子，它是一个求偏微分方程梯度平方和的算子。

泊松方程可以看作是拉普拉斯方程的推广，拉普拉斯方程在右侧等于零时成立。泊松方程具有许多解法，包括解析解法（如格林函数法）和数值解法（如有限差分法、有限元法等）。根据问题的具体背景和条件，可以选择合适的方法求解泊松方程。

亥姆霍兹方程

亥姆霍兹方程（Helmholtz equation）是一个重要的偏微分方程，以德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）命名。亥姆霍兹方程在许多物理学和工程学领域有广泛的应用，包括电磁学、声学和流体力学等。

亥姆霍兹方程可以表示为：

在三维情况下，亥姆霍兹方程可以写成：

中，u 是一个关于自变量 x, y, z 的未知函数，k 是一个常数，通常与问题的物理背景有关。∇² 表示拉普拉斯算子，它是一个求偏微分方程梯度平方和的算子。

亥姆霍兹方程在许多问题中起到关键作用。例如，在声学中，它描述了谐波声波在无阻尼介质中的传播；在电磁学中，它描述了无源区域的电磁场分布。求解亥姆霍兹方程的方法包括解析解法（如格林函数法、分离变量法）和数值解法（如有限差分法、有限元法等）。不同方法的选用取决于问题的具体背景和条件。

热导方程

热传导方程（Heat equation）是一个描述热量传递过程的偏微分方程，也称为傅立叶方程（Fourier's equation），以法国数学家和物理学家约瑟夫·傅立叶（Joseph Fourier）命名。热传导方程在物理学、工程学以及许多其他应用领域具有广泛的应用，如温度分布、传热和材料传热等。

对于一维情况，热传导方程可以表示为：

在三维情况下，热传导方程可以写成：

其中，u 是一个关于自变量 x, y, z 和时间 t 的未知函数，表示温度分布。α 是热扩散系数，是一个正常数，通常与物质的热传导性能有关。

热传导方程是一个典型的抛物线型偏微分方程，描述了热量如何随时间在空间中传播。求解热传导方程的方法包括解析解法（如分离变量法、格林函数法）和数值解法（如有限差分法、有限元法等）。不同方法的选用取决于问题的具体背景和条件。

波动方程

波动方程（Wave equation）是一个描述波动现象的偏微分方程，如声波、电磁波和弹性波等。波动方程在物理学、工程学以及许多其他应用领域具有广泛的应用。

对于一维情况，波动方程可以表示为：

在三维情况下，波动方程可以写成：

其中，u 是关于空间坐标 x, y, z 和时间 t 的未知函数，表示波动的变量（如位移、压力等）。c 是波速，是一个正常数，通常与问题的物理背景有关。

波动方程是一个典型的双曲型偏微分方程，描述了波动随时间在空间中传播的规律。求解波动方程的方法包括解析解法（如分离变量法、达朗贝尔法等）和数值解法（如有限差分法、有限元法等）。不同方法的选用取决于问题的具体背景和条件。

所有这些偏微分方程都被称为“线性”，因为所有包含解 u(x, t) 的导数和项都是线性的。在日常生活中，许多有用的偏微分方程都是线性的，例如著名的薛定谔方程

然而，我们也经常会遇到非线性偏微分方程，例如用于模拟浅水波的 Korteweg de-Vries 方程（KdV方程），或薛定谔方程的非线性变体（用于描述光学或凝聚态物理中更复杂的系统）。

分类

偏微分方程种类繁多，因此并不存在一种通用的方法来对所有偏微分方程进行分类。然而，确实存在一种通用类型的偏微分方程，它仅包含一阶和二阶导数，并且可以写成以下形式：

其中 I() 是关于解 u(x, y) 及其一阶导数的通用函数（可能是非线性的）。混合导数 u_xy 和 u_yx 被合并为一个 u_xy，并使用单一函数 B(x, y)，因为假定 u(x, y) 在 x 和 y 上是光滑且连续可微的，仅根据这个性质就可以得出 u_xy = u_yx。根据这个偏微分方程的定义，我们可以引入所谓的判别函数，它基于 A、B 和 C：

然后，在任意给定点(x0, y0)， PDE按以下3种类型之一进行分类：

值得注意的是，偏微分方程在积分域 D 的某一部分可能是双曲型的，但在域的另一部分可能是椭圆型或抛物型的，因此整个解空间的分类并不统一，除非 A、B 和 C 都是常数的特殊情况。

那么，我们为什么要关心这些分类呢？事实证明，不同类型的偏微分方程适用于不同的解决程序，这就是为什么了解它们的类型很重要。