Журналов:     Статей:        

Математика и математическое моделирование. 2020; : 1-12

Смешанная краевая задача для уравнения Лапласа в полубесконечном слое

Алгазин О. Д., Копаев А. В.

https://doi.org/10.24108/mathm.0520.0000229

Аннотация

Для полубесконечного слоя дано решение смешанных краевых задач Дирихле — Неймана и Дирихле — Неймана — Робена для уравнения Лапласа, использующее полученное ранее решение смешанной краевой задачи Дирихле — Неймана для слоя.

Функции в правых частях граничных условий считаются функциями медленного роста, в частности, полиномами. Решение краевых задач также ищется в классе функций медленного роста. Продолжая функции в правых частях граничных условий на верхней и нижней сторонах полубесконечного слоя с полугиперплоскости на всю гиперплоскость, получаем задачу Дирихле — Неймана для слоя, решение которой известно и записывается в виде свертки. В случае если правые части граничных условий являются полиномами, то и решение является полиномом. К полученному решению нужно прибавить решение задачи для полубесконечного слоя с однородными граничными условиями на верхней и нижней сторонах и с неоднородным граничным условием Дирихле, Неймана или Робена на боковой стороне. Это решение записывается в виде ряда. Если взять конечный отрезок ряда, то получим решение, точно удовлетворяющее уравнению Лапласа и граничным условиям на верхней и нижней сторонах полубесконечного слоя и приближенно удовлетворяющее граничному условию на боковой стороне.

Рассмотрен пример решения задач Дирихле — Неймана и Дирихле — Неймана —Робена, описывающий температурное поле полубесконечной пластины, верхняя сторона, которой теплоизолирована, на нижней стороне задана температура в виде полинома, а боковая сторон либо теплоизолирована, либо на ней поддерживается нулевая температура, либо происходит теплообмен со средой нулевой температуры. Для первых двух задач Дирихле — Неймана решение получается в виде полиномов. Для третьей задачи Дирихле — Неймана —Робена решение получается в виде суммы полинома и ряда. Если в этом решении ряд заменить его конечным отрезком, то получится приближенное решение задачи, которое приближенно удовлетворяет условию Робена на боковой стороне полубесконечного слоя.

Список литературы

1. Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Наука, 1977. 664 с.

2. Гринберг Г.А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. М.; Л.: Изд-во Акад. наук СССР, 1948. 729 с.

3. Карслоу Г.С., Егер Дж. Теплопроводность твердых тел: пер. с англ. М.: Наука, 1964. 487 с. [Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. 2nd ed. Oxf.: Clarendon Press, 1959. 510 p.].

4. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: учеб. пособие. 3-е изд. М.: Высш. шк., 2001. 550 с.

5. Лыков А.В. Теория теплопроводности: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1967. 600 с.

6. Зарубин В.С. Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. 328 с.

7. Алгазин О.Д., Копаев А.В. Решение смешанной краевой задачи для уравнения Лапласа в многомерном бесконечном слое // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2015. № 1. С. 3-13. DOI: 10.18698/1812-3368-2015-1-3-13

8. Алгазин О.Д. Полиномиальные решения краевых задач для уравнения Пуассона в слое // Математика и математическое моделирование. 2017. № 6. С. 1–18. DOI: 10.24108/mathm.0517.0000082

9. Алгазин О.Д. Построение методом подобия фундаментального решения задачи Дирихле для уравнения типа Келдыша в полупространстве // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2018. № 1. С. 4-15. DOI: 10.18698/1812-3368-2018-1-4-15

10. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. 5-е изд. М.: Наука, 1971. 1108 с.

Mathematics and Mathematical Modeling. 2020; : 1-12

A Mixed Boundary Value Problem for the Laplace Equation in a semi-infinite Layer

Algazin O. D., Kopaev A. V.

https://doi.org/10.24108/mathm.0520.0000229

Abstract

The paper offers a solution of the mixed Dirichlet-Neumann and Dirichlet-Neumann-Robin boundary value problems for the Laplace equation in the semi-infinite layer, using the previously obtained solution of the mixed Dirichlet-Neumann boundary value problem for a layer.

The functions on the right-hand sides of the boundary conditions are considered to be functions of slow growth, in particular, polynomials. The solution to boundary value problems is also sought in the class of functions of slow growth. Continuing the functions on the right-hand sides of the boundary conditions on the upper and lower sides of the semi-infinite layer from the semi-hyperplane to the entire hyperplane, we obtain the Dirichlet-Neumann problem for the layer, the solution of which is known and written in the form of a convolution. If the right-hand sides of the boundary conditions are polynomials, then the solution is also a polynomial. To the solution obtained it is necessary to add the solution of the problem for a semi-infinite layer with homogeneous boundary conditions on the upper and lower sides and with an inhomogeneous boundary condition of Dirichlet, Neumann or Robin on the lateral side. This solution is written as a series. If we take a finite segment of the series, then we obtain a solution that exactly satisfies the Laplace equation and the boundary conditions on the upper and lower sides of the semi-infinite layer and approximately satisfies the boundary condition on the lateral side.

An example of solving the Dirichlet-Neumann and Dirichlet-Neumann-Robin problems is considered, describing the temperature field of a semi-infinite plate the upper side of which is heat-isolated, on the lower side the temperature is set in the form of a polynomial, and the lateral side is either heat-isolated, or holds a zero temperature, or has heat exchange with a zero-temperature environment. For the first two Dirichlet-Neumann problems, the solution is obtained in the form of polynomials. For the third Dirichlet-Neumann-Robin problem, the solution is obtained as a sum of a polynomial and a series. If in this solution the series is replaced by a finite segment, then an approximate solution of the problem will be obtained, which approximately satisfies the Robin condition on the lateral side of the semi-infinite layer.

References

1. Kochina P.Ya. Teoriya dvizheniya gruntovykh vod: ucheb. posobie. 2-e izd. M.: Nauka, 1977. 664 s.

2. Grinberg G.A. Izbrannye voprosy matematicheskoi teorii elektricheskikh i magnitnykh yavlenii. M.; L.: Izd-vo Akad. nauk SSSR, 1948. 729 s.

3. Karslou G.S., Eger Dzh. Teploprovodnost' tverdykh tel: per. s angl. M.: Nauka, 1964. 487 s. [Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. 2nd ed. Oxf.: Clarendon Press, 1959. 510 p.].

4. Kartashov E.M. Analiticheskie metody v teorii teploprovodnosti tverdykh tel: ucheb. posobie. 3-e izd. M.: Vyssh. shk., 2001. 550 s.

5. Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti: ucheb. posobie. M.: Vyssh. shk., 1967. 600 s.

6. Zarubin V.S. Inzhenernye metody resheniya zadach teploprovodnosti. M.: Energoatomizdat, 1983. 328 s.

7. Algazin O.D., Kopaev A.V. Reshenie smeshannoi kraevoi zadachi dlya uravneniya Laplasa v mnogomernom beskonechnom sloe // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Estestvennye nauki. 2015. № 1. S. 3-13. DOI: 10.18698/1812-3368-2015-1-3-13

8. Algazin O.D. Polinomial'nye resheniya kraevykh zadach dlya uravneniya Puassona v sloe // Matematika i matematicheskoe modelirovanie. 2017. № 6. S. 1–18. DOI: 10.24108/mathm.0517.0000082

9. Algazin O.D. Postroenie metodom podobiya fundamental'nogo resheniya zadachi Dirikhle dlya uravneniya tipa Keldysha v poluprostranstve // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Estestvennye nauki. 2018. № 1. S. 4-15. DOI: 10.18698/1812-3368-2018-1-4-15

10. Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Tablitsy integralov, summ, ryadov i proizvedenii. 5-e izd. M.: Nauka, 1971. 1108 s.