数学物理方程-第二章分离变量法

1、第二章 分离变量法 分离变量法是求解偏微分方程定解问题最常用的方法之一，它和积分变换法一起统称为Fourier方法. 分离变量法的本质是把偏微分方程定解问题通过变量分离，转化为一个所谓的特征值问题和一个常微分方程的定解问题，并把原定解问题的解表示成按特征函数展开的级数形式. 本章介绍两个自变量的分离变量法，更多变量的情形放在其他章节中专门讨论.§21 特征值问题21.1 矩阵特征值问题 在线性代数中，我们已学过线性变换的特征值问题. 设为一阶实矩阵，可视为到自身的线性变换。该变换的特征值问题（eigenvalue problem）即是求方程： ， （1.1）的非零解，其中为待定常数.

2、 如果对某个，问题（1.1）有非零解，则就称为矩阵的特征值(eigenvalue)，相应的称为矩阵的特征向量(eigenvector). 一般来讲，特征值问题（1.1）有不多于个相异的特征值和线性无关的特征向量. 但可证明: 任一阶矩阵都有个线性无关的广义特征向量，以此个线性无关的广义特征向量作为的一组新基，矩阵就能够化为标准型. 若为一阶实对称矩阵，在线性代数中有一个重要结果，即存在一个正交矩阵使得 ， （1.2）其中diag为实对角阵. 设，为矩阵的第列向量，则式（1.2）可写为如下形式 ，或 （1.3）上式说明，正交矩阵的每一列都是实对称矩阵的特征向量，并且这个特征向量是相互正交的. 由

3、于此结论在一定意义下具有普遍性，我们以定理的形式给出. 定理1.1 设为一阶实对称矩阵，考虑以下特征值问题，则的所有特征值为实数，且存在个特征向量，它们是相互正交的（正交性orthogonality），可做为的一组基（完备性completeness）.特征值问题在线性问题求解中具有重要的意义，下面举例说明之.为简单起见，在下面两个例子中取为阶非奇异实矩阵，故的所有特征值非零，并且假设有个线性无关的特征向量 相应的特征值为.45 / 28例1.1 设，求解线性方程组 .解 由于向量组线性无关，故可做为的一组基. 将按此组基分别展开为，则等价于，或，比较上式两边的系数可得，便是原问题的解. 例1.

4、2 设,. 求解非齐次常微分方程组， （1.4）其中 . 解 类似于上例，将按基分别展开为 .则（1.4）等价于，或，比较上式两边的系数可得. （1.5）（1.5）是个一阶线性方程的初始值问题，很容易求出其解.请同学们给出解的具体表达式.2.1.2 一个二阶线性微分算子的特征值问题在这一小节，我们讨论在本章常用的一些特征值问题. 代替上节的有限维线性空间和阶实对称矩阵，在这儿要用到线性空间的某个子空间和该子空间上的二阶线性微分算子. 一般地取在满足齐次边界条件. （1.6）下面我们讨论二阶线性微分算子的特征值问题. 先取边界条件为，设是的特征函数，即且满足. 此问题等价于是下面问题的非零解 （

5、1.7）（1.7）便是二阶线性微分算子的特征值问题，即要找出所有使得该问题有非零解的. 下面求解特征值问题（1.7）.首先证明要使（1.7）具有非零解，必须非负.设是相应于的一个非零解，用乘（1.7）中的方程，并在上积分得 ，.由于，故有，. （1.8）当时，方程的通解为. 利用边界条件可得，即. 因此，不是特征值.当时，方程的通解为 . （1.9）利用边界条件确定常数如下, ,或 .由于要求（1.7）中齐次微分方程的非零解，故不能为零. 故有.注意，从而有 ， ,， .将代入到（1.8）中，并略去任意非零常数得 ， .故特征值问题（1.7）的解为 ， ， （1.10）注1 特征值问题是分离变

6、量法的理论基础. 上面已求出特征值问题（1.7）的解为. 在高等数学中知道，在一定条件下区间的任一函数可按特征函数系展开为Fourier级数. 换言之，特征函数系是区间上满足一定条件的函数所成无穷维空间的一组基，而且还是该空间上的一组正交基，即有. 特征函数系的这两个根本性质：正交性和完备性（基），和定理1.1有限维空间中相应结论很相似，只是现在的特征值和特征函数是无穷个. 另外，若改变（1.7）中的边界条件，其相应的特征值和特征函数也会有所变化. 如将边界条件变为，则特征值和特征函数分别为. 该特征函数系也具有和特征函数系类似的性质，既正交性和完备性.此类问题的一般结果便是著名的SturmL

7、iouville定理，有兴趣的同学可参阅参考文献. 将以上的结果以定理的形式给出.定理1.2 考虑二阶线性微分算子的特征值问题 （1.11）其中. 则该问题的特征值非负，且满足.相应的特征函数系在上是相互正交的. 且对于任一在区间上分段光滑的函数，可按特征函数系展开为如下的级数 ，其中系数为. 为后面需要，下面再求解二阶线性微分算子带有周期边界条件的特征值问题. 在偏微分方程教材中，习惯上用表示周期函数，即考虑下面二阶线性微分算子的周期边值问题 （1.12）可证（1.12）和以下问题等价 （1.13）和（1.8）的证明相似易得（1.13）中的特征值. 当时，, 由周期边界条件可得. 所以为特征

8、函数. 当时，方程通解为,求导得 . 由周期边界条件可得或 （1.14）由于要求非零解，故不能同时为零. 因此，齐次方程组（1.14）的系数矩阵行列式必为零，即 . 解之可得，此时对每个正特征值，特征函数有二个，既，. 总结所得结果为如下定理. 定理1.3 考虑二阶线性微分算子带有周期边界条件的特征值问题 则该问题的特征值和特征函数分别为，. §22 分离变量法本节结合具体定解问题的求解来介绍分离变量法（method of separation of variables）. 所举例子仅限于一维弦振动方程，一维热传导方程混合问题以及平面上一些特殊区域上的位势方程边值问题. 对高维问题的

9、处理放在其它章节中介绍. 以下多数例子均假定定解问题带有齐次边界条件. 否则,可利用边界条件齐次化方法转化之. 我们以弦振动方程的一个定解问题为例介绍分离变量法.22.1 弦振动方程定解问题例2.1求解两端固定弦振动方程的混合问题 解 分四步求解. 第一步 导出并求解特征值问题. 即由齐次方程和齐次边界条件，利用变量分离法导出该定解问题的特征值问题并求解. 令，并代入到齐次方程中得,或 .上式左端是的函数而右端是的函数，要二者相等，只能等于同一常数.令此常数为-，则有 ， ，上面的第一个方程为 .利用齐次边界条件（2.2），并结合得 .由此便得该定解问题的特征值问题为 其解为 特征值：特征函数

10、： 第二步 正交分解过程. 即将初值和自由项按特征函数系展成Fourier级数，并将也用特征函数表出. , （2.4）, （2.5）, （2.6） （2.7）这里，和分别为，和的Fourier系数，具体表示如下,而为待定函数. 第三步 待定系数法. 即先将和的Fourier级数代入到（2.1）中，导出关于满足的常微分方程. 再利用初值条件（2.3）得出满足的初始条件.假设(2.7)中的级数可逐项求导，并将（2.6）和（2.7）代入到（2.1）中得, . （2.8）由于Fourier展式是唯一的，比较（2.8）两端系数得 （2.9）在（2.7）中令并结合（2.4）得 （2.10）比较（2.10）

11、两端系数得 （2.11）类似地可得 （2.12）结合（2.9），（2.11）和（2.12）便得出关于满足的二阶常系数非齐次方程初始值问题 （2.13）第四步 求解关于的定解问题（2.13），并将其结果代入到（2.7）中即可. 为简单起见，我们设. 将代入到（2.13）中可得方程的通解为 ， 利用初始条件确定常数如下.故有 . 最后将上式代入到（2.7）中便得定解问题（2.1）（2.3）的解为 (2.14)注1 利用分离变量法求解（2.1）（2.3），需要假设在（2.7）中可通过无穷求和号逐项求导. 而通过号求导要对无穷级数加某些条件，在这里就不做专门讨论了. 今后遇到此类问题，我们均假设一切运

12、算是可行的，即对求解过程只作形式上的推导而不考虑对问题应加什么条件. 通常称这样得出的解为形式解. 验证形式解是否为真解的问题，属于偏微分方程正则性理论的范围. 一般地讲，偏微分方程定解问题的解大多数是以无穷级数或含参变量积分形式给出的. 对这两类函数可微性的研究需要较深的数学知识，也有一定的难度，有兴趣的同学可查阅参考文献和. 我们约定：本书只求定解问题的形式解. 注2 当时，由（2.14）可以看出：两端固定弦振动的解是许多简单振动的叠加，当时，对任意的时刻，即在振动的过程中有个点永远保持不动，所以称这样的振动为驻波,而称为该驻波的节点.显然当时，在这些点上振幅最大，称这些点为驻波的腹点.

13、因此，求特征函数实际上就是求由偏微分方程及边界条件所构定的系统所固有的一切驻波. 利用由系统本身所确定的简单振动来表示一些复杂的振动，便是分类变量法求解波动问题的物理解释. 注3 例2.1的求解方法也叫特征函数法（eigenfunction method），现已成为固定模式，也具有普适性. 初学者似乎会感到有些繁琐，但随着进一步的学习，同学们就会熟练掌握这一方法. 特征函数法的关键之处是求解偏微分方程定解问题相应的特征值问题，而基本思想就是笛卡尔（Descartes）坐标系的思想.如在三维空间中，每个向量可由基的线性组合表出，两个向量相等当且仅当在基下两个向量的坐标相等. 既.与此相类似，在例

14、2.1求解中也是比较方程或初始条件两边的系数而得到（2.13）. 与三维空间相比较，例2.1中特征函数系相当于中的基，而也就相当于上面的，即定解问题的解关于基函数的坐标. 因此，在具有可数基的无穷维空间中，特征函数法也称为待定系数法. 例2.2 设有一均匀细弦，其线密度为. 若端为自由端，端固定.初始速度和初始位移分别为零，并受到垂直于弦线的外力作用，其单位长度所受外力为. 求此弦的振动. 解 所求定解问题为 （2.15）利用特征函数法求解该问题. 情形1 非共振问题，即. 该定解问题的特征值问题为 (2.16)其解为 ， ， 将按特征函数展开成Fourier级数得 , （2.17).令 （2

15、.18）完全类似例2.1的求解过程可得，对于任意满足下面问题 （2.19）初值问题(2.19)中齐次方程的通解为，而非齐次方程的一个特解为. 因此，（2.19）的通解为. （2.20）由初始条件可确定出.最后将所得到的代入到（2.18）中便得（2.15）的解.情形2 共振问题，即存在某个 使得. 不妨假设. 此时，在情形1中求解所得到的不变. 当时，要求解以下问题 （2.21）（2.21）中齐次方程通解为. 为求得非齐次方程的一个特解，要将（2.21）中方程的自由項换为，而求以下问题的一个特解令并代入到上面非齐次方程中可得 ，故有，取其虚部便得（2.21）中方程的一个特解为. 结合以上所得结果

16、便可得到（2.21）中方程的通解为，由初始条件确定出 ，由此可得. 将代入到（2.18）中便得在共振条件下（2.15）的解为可以证明: 是有界的. 而在的表达式中取 ，则中的基本波函数的振幅当逐渐变大时将趋于无穷大，最终要导致弦线在某一时刻断裂，这种现象在物理上称为共振. 注意到在上面求解过程中我们取周期外力的频率等于系统的第一固有频率，从而在第一波函数分量上发生共振. 一般地讲，当周期外力的频率很接近或等于系统的某个固有频率时，系统都会有共振现象发生，即弦线上一些点的振幅将随着时间的增大而不断变大，导致弦线在某一时刻断裂. 22.2 热传导方程定解问题例2.3 求解下面热方程定解问题 （2.

17、22） 解 利用特征函数法求解(2.22). 首先将边界条件齐次化,取，并令，则（2.22）转化为 （2.23）利用分离变量法可得（2.23）的特征值问题为特征值和特征函数分别为 , .将，按特征函数展成Fourier级数得 ， (2.24),其中. ， (2.25)其中 .令 (2.26)并将（2.26）代入到（2.23）中的方程得 ,. 在（2.26）中令并结合（2.25）得 . 比较上面两式中特征函数的系数便得 （2.27）（2.27）是一阶常系数常微分方程初值问题.齐次方程通解为.令，并利用待定系数法求特解可得 ,故有 （2.28）在上式中代得, . 最后将(2.28)代入到(2.26

18、)中便得(2.23)的解为 .故（2.21）的解为 其中由（2.28）给出. 22.3 平面上位势方程边值问题 考虑矩形域上Poisson方程边值问题 （2.29）我们假设或. 否则，利用边界条件齐次化方法化非齐次边界条件为齐次边界条件. 当然，也可以利用叠加原理将（2.29）分解为二个问题，其中一个关于具有齐次边界条件，而另一个关于具有齐次边界条件. 例2.4 求解Dirichlet问题 （2.30）解 令并将其代入到（2.29）中齐次方程得, （2.31） （2.32）（2.31）便是（2.30）的特征值问题，其解为 ， ， .将代入到（2.32）中得 ， （2.33）该方程有两个线性无关

19、解，. 由于，也是（2.33）的解且线性无关，故（2.33）通解为.令 (2.34)则满足（2.30）中方程和关于的齐次边界条件. 利用关于的边界条件可如下确定，, . （2.35） , . （2.36）故（2.30）解为 （2.37）其中，由（2.36）和（2.35）确定. 对于圆域，扇形域和圆环域上的Poisson方程边值问题，求解方法和矩形域上的定解问题无本质区别，只是在此时要利用极坐标. 同学们自己可验证：令，作自变量变换，则有.令，将其代入到极坐标下的Laplace方程中得,故有 , （2.38） . （2.39）方程（2.38）结合一定的边界条件便得相应定解问题的特征值问题,而 （

20、2.39）是欧拉（Euler）方程. 对（2.39）作自变量变换可得 ， ,.将以上各式代入到（2.39）得 . （2.40） 例2.5 求下面扇形域上Dirichlet问题 （2.41）的有界解. 解 令，作自变量变换，（2.41）转化为 （2.42）令代入到（2.42）中的方程，并结合边界条件可得 （2.43） . （2.44）（2.43）便是（2.42）的特征值问题. 求解特征值问题（2.43）可得 ， ， .将代入到（2.44）中，并令作自变量变换可得,.由于是求（2.42）的有界解，故有，即. 从而有. 上面求出的对每个都满足（2.42）中的方程和齐次边界条件，由叠加原理得 , （2

21、.45）也满足（2.42）中的方程和齐次边界条件.为使（2.42）中的非齐次边界条件得以满足，在（2.45）中令得 ， （2.46）比较上式两边特征函数的系数得 ， .将，代入到（2.45）中便得（2.42）的解为 . 例2.6 求解圆域上Dirichlet问题 （2.47）解 圆域上的函数相当于关于变量具有周期. 令并代入到（2.46）中的方程可得 （2.48） . （2.49） （2.48）是定解问题（2.47）的特征值问题. 由定理1.3知（2.48）的解为 .将代入到（2.49）中可得(要利用自然边界条件),，利用叠加原理可得（2.47）的如下形式解 . （2.50）根据边界条件得,其

22、中,.将以上各式代入到（2.50）中便得（2.47）的解为 . （2.51）注4 利用等式可将（2.51）化为如下形式 （2.52）式（2.52）称为圆域上调和函数的Poisson公式. 在后面学习中还将用其它方法导出它. 注5 在例2.5和例2.6中，如果方程中自由项不为零，若特殊，可用函数代换将自由项化为零而转化齐次方程. 对于一般的，要利用特征函数方法求解. 注6 上面例2.3例2.6几个定解问题的求解思想和主要过程，是伟大的数学家和物理学家Fourier给出的，详细内容见参考文献. 在这部著名论著中，Fourier首次利用偏微分方程来研究热问题，并系统地介绍了分离变量法的基本思想和主要步骤. 结合本节所举例子，请同学们小结一下在本章所学过的特征值问题，二阶常系数非齐次常微分方程和欧拉方程的求解方法. 习 题 二1. 设有如下定解问题 利用分离变量法导出该定解问题的特征值问题并求解.2.求解下列特征值问题