山东大学工科研究生数学物理方法class(达朗贝尔公式定解问题)

1、 在常微分方程中，先不考虑任何的在常微分方程中，先不考虑任何的 附加条件，从方程求出附加条件，从方程求出通解，通解一般含有任意常数，然后利用附加条件确定这些常通解，通解一般含有任意常数，然后利用附加条件确定这些常数，偏微方程能否也如此呢？数，偏微方程能否也如此呢？（一）达朗贝尔公式（一）达朗贝尔公式均匀弦的横振动，均匀秆的纵振动，理想传输线方程都有均匀弦的横振动，均匀秆的纵振动，理想传输线方程都有以下形式：以下形式：0)(22222 uxat即：即：0)( uxatxat（1）通解）通解（1）对方程（对方程（1）我们作代换：）我们作代换： tax),(（2）在这个代换下：在这个代换下：)(xa

2、txxttxatxxtt 则方程（则方程（1）变为：）变为：0)(2 u 我们把代换（我们把代换（2）写成：）写成： )(21)(21 atx即即 atxatx 在这代换下原方程化为：在这代换下原方程化为：02 u对于这个方程，就很容易求解了！对于这个方程，就很容易求解了！先对先对 积分：积分：)( fu 其中其中f是任意函数！是任意函数！再对再对 积分得到通解：积分得到通解： )()()()()(21212atxfatxffffdfu 其中其中21, ff是任意函数是任意函数.(3)(4)(5)方程（方程（5）就是偏微分方程的通解，与常微分方程不同的是）就是偏微分方程的通解，与常微分方程不同

3、的是通解中出现通解中出现任意函数任意函数，而不是任意常数！，而不是任意常数！（5）具有明显的物理意义，对于函数）具有明显的物理意义，对于函数f2来说，改用以速度来说，改用以速度a沿沿x轴正向移动的动坐标轴轴正向移动的动坐标轴X,则新旧坐标和时间之间的关系则新旧坐标和时间之间的关系 tTatxX此时有：此时有：)()(22Xfatxf 与时间无关，即函数图像在动坐标系中保持不变，是随着动坐与时间无关，即函数图像在动坐标系中保持不变，是随着动坐标系以速度标系以速度a沿沿x正方向移动的行波！正方向移动的行波！同理，同理，f1(x+at)是以速度是以速度a沿负方向移动的行波。沿负方向移动的行波。（2）

4、函数的确定）函数的确定上述通解中的函数可以用定解条件确定。上述通解中的函数可以用定解条件确定。假定弦，杆，传输线都是无限长的的，不存在边界条件。假定弦，杆，传输线都是无限长的的，不存在边界条件。初始条件是：初始条件是：)(|),(|00 xxuxuttt 把一般解代入初始条件得到：把一般解代入初始条件得到： )()()( )()()(2121xxafxafxxfxf )()()(1)()()()()(020121210 xfxfdaxfxfxxfxfxx 即即解方程得解方程得 )()(21)(21)(21)()()(21)(21)(21)(020120201100 xfxfdaxxfxfxfd

5、axxfxxxx 代入通解方程即得满足初始条件的特解：代入通解方程即得满足初始条件的特解： atxatxdaatxatxtxu )(21)()(21),(（6）公式公式作为例子：设初速度为零，即作为例子：设初速度为零，即0)( x 初始位移初始位移)(x 只在区间（只在区间（x1,x2）不为零，在）不为零，在x=(x1+x2)/2达到最大值达到最大值u0)(x x221xx 0u2x1x如图所示：如图所示： 022)(12201210 xxxxuxxxxux 21221211,22xxxxxxxxxxxx 达朗贝尔公式给出达朗贝尔公式给出)(21)(21),(atxatxtxu 初始位移初始位

6、移分为两半，分别向左右两方，以速度分为两半，分别向左右两方，以速度a移动（虚线），这两移动（虚线），这两个行波的和所给出各个时刻的波形（实线）。个行波的和所给出各个时刻的波形（实线）。如下图所示：如下图所示：xt=0 xt1xt2xt3xt4xt5设初始位移为零设初始位移为零,即即0)( x 且初速度且初速度)(x 只在区间只在区间（x1,x2）上不为零）上不为零 0)(0 x),(),(2121xxxxxx 此时达朗贝尔公式给出：此时达朗贝尔公式给出：)()()(21)(21),(atxatxdadatxuatxatx 这里这里 指的是指的是 01201)(21210)(21 xxaxxad

7、aatxatx2210 xxxxxxx 作出作出)(),(xx 两个图形，让他们以速度两个图形，让他们以速度a分别向左右两方分别向左右两方移动，虚线所描述，他们的和就描出各个时刻波形：移动，虚线所描述，他们的和就描出各个时刻波形：x2x1x)(x t0 xt1xt2xt3xt4xt5xt6xt7xt8xx1x2再上图中，波通过的地方，虽然振动消失，但偏离了再上图中，波通过的地方，虽然振动消失，但偏离了平衡位置！平衡位置！行波法（特征线方法）求达朗贝尔公式。行波法（特征线方法）求达朗贝尔公式。见特征线习题见特征线习题1，2，3 Method of Characteristics（二）端点的反射（

8、二）端点的反射(延拓法延拓法)半无限长的弦具有一个端点，先考察端点固定的情况，即：半无限长的弦具有一个端点，先考察端点固定的情况，即： xuauxxtt0, 02)0()(|)(|00 xxuxuttt 初始条件里必须初始条件里必须0 x才有意义，因为才有意义，因为xx/a）达朗贝尔公式里）达朗贝尔公式里 datxatxatx )(),(失去意义，不能应用！失去意义，不能应用！我们可以把半无限长弦当作某根无限长弦的一部分，而此无我们可以把半无限长弦当作某根无限长弦的一部分，而此无限长弦的振动过程中，限长弦的振动过程中，x=0必须保持不动！即无限长弦的位移必须保持不动！即无限长弦的位移U(x,t

9、)应当是奇函数，而无限长弦的初始位移应当是奇函数，而无限长弦的初始位移)(x 和初始速度和初始速度)(x 都应该是奇函数：都应该是奇函数： )()()(xxx 00 xx )()()(xxx 00 xx这样我们就把这样我们就把)(x )(x 从半无界区域奇延拓到整个无界区间从半无界区域奇延拓到整个无界区间现在则可以利用达朗贝尔公式来求解无限长弦的自由振动，且现在则可以利用达朗贝尔公式来求解无限长弦的自由振动，且0 x的部分就是我们所考察的半无限长弦！的部分就是我们所考察的半无限长弦！ atxatxdaatxatxtxu )(21)()(21),(初始条件代入上面的式子可以得到方程的解初始条件代

10、入上面的式子可以得到方程的解: atxxatatxatxdaxatatxdaatxatxtxu )(21)()(21)(21)()(21),(axt axt 为了只管观察上式的物理意义，描画了只有初始位移而为了只管观察上式的物理意义，描画了只有初始位移而没有初始速度的情况，最下一图右半边实线描出分别向左右没有初始速度的情况，最下一图右半边实线描出分别向左右两方移动的波，左半边用细线描出奇延拓，奇延拓的波也分两方移动的波，左半边用细线描出奇延拓，奇延拓的波也分别向左右两方运动。此时，端点没有影响，各图按时间顺序别向左右两方运动。此时，端点没有影响，各图按时间顺序描述了波的传播情况，描述了波的传播

11、情况，x=0保持不动，端点的影响反映为保持不动，端点的影响反映为反射波反射波，而且此时反射波的相位根入射波，而且此时反射波的相位根入射波相反，此所谓相反，此所谓半波损失半波损失uxOt=0 xt1xt2xt3xt4xt5xt6xt7xt8x开始反射开始反射半无限长的弦具有一个端点，先考察端点固定的情况，即：半无限长的弦具有一个端点，先考察端点固定的情况，即：2,0,0,(0, )0,( ,0)( ),( ,0)( ).ttxxtua uxtutu xx u xx 2,0,( ,0)( ),( ,0)( ),ttxxtua uxtu xx u xx (),0,( )0,0,( ),0,x xxx

12、xx(),0,( )0,0,( ),0.x xxxxx1. Odd continuation ()()1( , )( )d22x atx atxatxatu x ta ()()1( )d ,22()()1( )d ,.22x atx atx atat xxatxatxtaaxatatxxtaa 00( )d( )d( )dx atx atx atx at 00()d( )dx atx at ( )d .x atat x 00()d()( )dx atx at 00( )d( )( )dx atat x 下面考察半无限长杆的自由振动，端点自由，描述如下：下面考察半无限长杆的自由振动，端点自由，描

13、述如下：)0( , 02 xuauxxtt )(|)(|00 xuxuttt )0( x0|0 xxu同样可以把根半无限长杆当做某无限长杆的同样可以把根半无限长杆当做某无限长杆的0 x的部分的部分此无限长杆在振动过程中，此无限长杆在振动过程中，x0的相对伸长的相对伸长ux=0,即无限长即无限长杆的位移杆的位移u（x，t）应当是偶函数，则无限长杆的初始位移）应当是偶函数，则无限长杆的初始位移和初始速度都是偶函数：和初始速度都是偶函数：)()()(xxx00 xx)()()(xxx00 xx把两个函数偶延拓到整个无限区间，可以应用公式！把两个函数偶延拓到整个无限区间，可以应用公式！应用达朗贝尔公式

14、可得：应用达朗贝尔公式可得： atxatxdaatxatxtxu )(21)()(21),(把初始条件代入上式可得：把初始条件代入上式可得：xatatxatxatxdadaxatatxdaatxatxtxu00)(21)(21)()(21)(21)()(21),(axt axt 这也是一种这也是一种反射波反射波，不同的是反射波的相位跟入射波相同，不同的是反射波的相位跟入射波相同，没有半波损失！没有半波损失！下面考察半无限长杆的自由振动，端点自由，描述如下：下面考察半无限长杆的自由振动，端点自由，描述如下：2. Even continuation2,0,0,(0, )0,( ,0)( ),( ,

15、0)( ).ttxxxtua uxtutu xx u xx 2,0,( ,0)( ),( ,0)( ),ttxxtua uxtu xx u xx ( ),0,( )(),0,xxxxx( ),0,( )(),0.xxxxx()()1( , )( )d22x atx atxatxatu x ta 00( )d( )d( )dx atx atx atx at 00()d( )dx atx at 00()d()( )dx atx at 00( )d( )( )dx atat x 00()()1( )d ,22()()1( )d221( )d ,.2x atx atx atat xxatxatxtaa

16、xatatxaxtaa （三）定解问题是一个整体（三）定解问题是一个整体从偏微分方程求出达朗贝尔公式的过程，与常微分方程的求解从偏微分方程求出达朗贝尔公式的过程，与常微分方程的求解过程是类似的，但绝大多数的偏微分方程很难求出通解，用定过程是类似的，但绝大多数的偏微分方程很难求出通解，用定解条件确定待定函数更加困难！解条件确定待定函数更加困难！从物理角度来说，问题的完整提法是在给定的定解条件下求解从物理角度来说，问题的完整提法是在给定的定解条件下求解数学物理方程。但除了达朗贝尔公式等极少的例子，从数学的数学物理方程。但除了达朗贝尔公式等极少的例子，从数学的角度来讲，不可能先求偏微分方程的通解后在

17、考虑定解条件，角度来讲，不可能先求偏微分方程的通解后在考虑定解条件，必须同时考虑必须同时考虑来求解！来求解！（和常微分方程不同（和常微分方程不同!）不管是从物理的角度，还是数学的角度，定解问题都是不管是从物理的角度，还是数学的角度，定解问题都是一个一个！而不能割裂开。！而不能割裂开。（四）定解问题的适定性（四）定解问题的适定性定解问题是从实际中来的，结果也要回到实际中去，则必须：定解问题是从实际中来的，结果也要回到实际中去，则必须：(1)定解问题有解定解问题有解(2)解是唯一的解是唯一的(3)解是稳定的解是稳定的对于稳定来说，就是如果定解条件的数值有很小的改变，解的对于稳定来说，就是如果定解条

18、件的数值有很小的改变，解的数值也只有很小的改变，处在数值也只有很小的改变，处在的范围。的范围。因为实际测量中，不可能绝对精确，来自实际问题的定解条件因为实际测量中，不可能绝对精确，来自实际问题的定解条件也也不可避免不可避免的有误差，如果解不稳定，则可能理论分析与实际的有误差，如果解不稳定，则可能理论分析与实际情况相差很远，没有实用价值！情况相差很远，没有实用价值！定解问题满足这三个条件，称为定解问题满足这三个条件，称为的！的！以达朗贝尔公式的推导过程为例，如果以达朗贝尔公式的推导过程为例，如果2)(Cx （具有连续二阶导数的函数类）（具有连续二阶导数的函数类）1)(Cx 可以验证公式可以验证公式本身确实满足方程，即解本身确实满足方程，即解存在存在！而在公式推导过程中，没有任何限定，则满足偏微分方程的而在公式推导过程中，没有任何限定，则满足偏微分方程的解最后都可写成达朗贝尔公式，即解解最后都可写成达朗贝尔公式，即解唯一唯一！下面来看稳定性：下面来看稳定性：设有两组初始条