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调和场 · 泊松实验室

拉普拉斯方程 Δu = 0 的边值问题:边界温度一旦定下,盘内每一度都被唯一决定。 拖边界上的 16 个电极改温度,泊松积分当场解出全场——再用一套完全独立的差分松弛复核。

泊松积分 · u = Re f
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  • 热(u>0)→ 红,冷(u<0)→ 蓝
  • 等温线(u=常数)
  • 电场线(⊥ 等温线:共轭调和函数)
差分松弛 · 五点 Laplace
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  • 独立管线:每格 = 四邻平均,迭代至不动点
  • 逐点最大偏差读数在下方面板

求解账本

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盘心 u(0)—
均值性质(边界平均)—
主导 Fourier 模式—
双管线最大偏差—
9

偏差在边界跳变附近最大(离散格式抹不平阶跃)——阶梯波预设下把它放大看,正是 Gibbs 现象的数值版。

预设边界

泊松积分:边界决定一切

调和函数没有自己的"自由度":单位圆盘上,连续边界值 g(θ) 唯一决定盘内解——公式是泊松核的圆周卷积

u(r,φ) = (1−r²)/2π · ∫ g(θ)/(1−2r·cos(φ−θ)+r²) dθ
r→1 时泊松核逼近 δ:解连续贴回边界

本页的实现走的是它的 Fourier 化身:把 g 做离散傅里叶,边界每一次谐波 cos mθ 在盘内自动长成 rᵐcos mθ—— 高频被 rᵐ 压平,所以盘心附近只剩低频:温度场天生"拒绝毛刺"。

每拖一个电极g → DFT → f(z)=Σ wₘzᵐ → u=Re f
盘内积分∫∫u dA = π·u(0)(高阶项 θ 均值全消)

两条管线,一个物理

右图不认识傅里叶:它把盘切成 96×96 方格,每格反复取"四邻平均"(SOR 过松弛加速), 直到场不再动。这是纯力学式的松弛——和泊松积分是两门不同的数学。

两者逐点偏差(面板读数)在平滑边界下 < 0.02;切到阶梯波:偏差集中爆发在跳变点附近—— 离散网格抹不平间断,这正是 Gibbs 现象的数值同构。吻合与失配都有道理可讲。

电场线是哪来的?

u 是解析函数 f 的实部,那 Im f 自动也是调和的(C-R 方程):两组等值线处处正交。 u 当电势,正交族就是电场线;当温度,它就是热流方向。共形映射页的"正交网格被保角变换保住", 在这里以最原始的样子出现。

和哪些页相连

FFT 页看 DFT 怎么算;共形映射 页看调和性在一般映射下的命运;本页是"复分析 ⟺ 物理场"的正面证据。