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文档简介
§ ,2u(x,
a22u(x,t) 0x 0 utt(x,t)a2uxx(x,FT/其中a FT/u(x,u(x,
0 u(x,
初始条件u(x
0x u(x,t)X(x)T Xd
2d2 T或者写为 aX XT XT X(x)X(x)
(t)a2T(t) X(0)T(t) X(0) X(l)T(t) 即X(l) X(x)T(0) X(x)T(0) 由方 X(x)X(x) X(0)X(l) 构成的问题称为本征值问题使本征值问题有非平庸解(非恒零解)的值称为方程(4)在边界条件(4a)下如果0,方程(4)X(x)A由(4a)得A
B0,X(x)0.即0如果0,方程(4)X(x)A xB l0.因此ln,n1,n 本征值n ,本征函数Xn(x) 将nT(t)a2T(t)nTn(t)Cn natDn nCcosnatDsinn un(x,t)Xn(x)TnsinnxCcosnatDsinn
t,
u(x, un(x, xCn tDn u(x,应用初始条件u(x
0x (x)Cn
nasinnx 系数 2l()sinl l0
na 0u(x,t)CcosnatDsinn l
A
n
t
sinnx n x CnAncosn DnAnsinnAC2D21/2, arccotC/D 每个un(xt)对应于一种驻波§ u(x, u(x,定解问题
a22u(x,u(x,u(x,
0x 00,0u(x,t)
0x
l
tu(x,t)X(x)T T X"(x) X X"(x)X(x)0,T'(t)a2T(t) X'(0)X'(L) X"(x)X(x) X'(0)X'(l)0时,方程的通解X(x)A满足边界条件的解X0x0时,方程的通解X(x)A xB X(x)Acosn
n T'(t)a2T(t)00时 T0(t)
,
ana2 Cne an u(x,t)C0 Cne
(x)u(x,t) C
Ccosn 利用系数
nnC0
1l()dl
Cn
lll
nd. an u(x,ll
C0Cne
C0
1l()dl
Cn
()cosnll ll当t u(x,t)C0.u(x, 定解问题u(x
a22u(x,u(x,u(x,
0x 00,0u(x,
(x), 0
u(x,t)X(x)T T X"(x) X X"(x)X(x)0,T'(t)a2T(t) X(0) X'(l) X"(x)X(x) X(0)0,X'(l)0X(x)ABx,满足边界条件X0x)0,00时,方程的通解X(x)A xB
l本征值ln1 n1
l 对应的本征函数X(x)n
n1 T'(t)a2T(t)
n1n1,2,...时,T(t)Ce
2lt2 2 l
u(x,t)Cen2
sinn1
2 (x)u(x,t)
C
n1 2 利用系数 ()sinn2
l 2l()sinn1
22 2
l
u(x,t)
n
tsinn122(
2 C
l 2u(xu(x,当tu(xt0.
§ f lxf(x)f(x2ml) n f(x)C0Cncos n
sin
n1 1 2l1
lCn lll1Dn 1
l lndl f 0x
(x)f lxff
(xf(x2ml) 1
f(x)
l2 lDnl
l
dl
f() l0lf(x)满足第一类边界条件f(0)f(l) f 0x
(x)f lx(xf(x2ml)
偶函数展开f(x)C0ll
l
12ll
1l 1l0
lCnl
l
2l 2l0
f(x)满足第二类边界条件f
f
f 0
x延拓,令函数 f(x)f(2l lxf (x)f 2lxff(xf(x4ml)内其它区域式中,m12,.... f(x)
2
2lf() 01 0l f()sin2ldf()sin2ldl 变量代换2l或2l,利用f(f(2l f()
d
f(2l)
d(2l f()sin 其中m2n(n1,2,...)时取号,m2n1时取号.1 l因此Dm f()sin2ldf()sin2ldl 2 l l ll2lDm2l0
令m2n1Dm和f(x)ll2lDn2l0
f(x)
f(x)满足第三类边界条件f(0)0,f
u 0x 0 |x0T
ux
xl
0,0u (x),0x t v(x,t)u(x,t)v 0x 0 |x0
vx
xl
0v (x)T,0x t结 u(x,t)v(x,t)u 0x 0 u|xlT2,0u u
0x v(x,t)u(x,t)并使(0T1,(l)v 0x 0 v (x) 0x t u(x,t)v(x,t)例如可设(x)T2T1u a/(c 0x 0 |x0T0
ux
xl
Q/,0u T 0x t
v(x,t)u(x,t)
0 v 0x 0 v|x0 v|t0
vx|xl0, 0t 0xl v(x,t)Cen2lt
n1 2 Cnl()sinn2l 0由于(Q
Cn
2 1n2
u(x,t)
x
sinn12n0n1 2 定解问题,例
0xa,0yu|x0T0 u|xaT0,0yu
u
T,0x令v(x,y)u(x,y) 或u(x,y)v(x,y)vxxvyy 0xa,0yv|x00,v
0,0y v
T
,0xv(xyX(x)Yy)XX Y X(0)X(a)n
a
Xn
(x)sinnaY(y)CchnyDshn a v(xy)yDnsh a v(x,y)Cnch yDnsh ysina
y00
再由v|ybT
T0TT0Dn
bsin Dnsh
ba
a(TT0) a04(TT
0 u(x,y)T0v(x,T4(TT0
nysinn0n1,3,...n
nb T04(TT0)
(2k (2k (2k k1(2k1)sh
0xa,0y u| f(y), u| f(y),0ybu g u| g( 令u(x,y)uIx,yuIIx,使uIx,y)uI 0xa,0y uI f( uI f(y),0y uI
uI
0,0xuIIx,y)uII 0xa,0y uII|x0 uII|xa0,0yuII g uII g(x),0x uIx,y)和uIIx,y)可分别用分离变量法求解§9.5按本征函数系展开方非方程的解可用对应方程的本征函数展开.例1求定解问题 f(x, 0x 0v|xv|x0 v|xl 0v v 0,0x t t对应 方程为
(x)sinnx,l
按本征函数展开f(x
f(x,t)
fn(t) 2 fn(t)f(,t) 按本征函数展开v(x
lv(x,t)Tn(t)l将f(xt)和v(xt) Tn(t)fn(t) n1
2
(t)
(t) 从v|t00vt|t0
(t)|t0 n设T(p) T(t)e 即T(t)0Tn(t)pTn(p)Tn(0)pTn(
(T(t)p2T(p)pT(0)T(0)p2T( fn(t)fn(
(t)
(t) 得 (p)
na2T(p)f(p) T(p) fn( p2
2 sinnp2
T(p) f(
f( sinna(t
T0 p2na0
lv(x,t)Tn(t)l na(t
n1
na
fn()
t2 na(t
nalf(,) n1 0 例2 a2w f(x, 0x 0 w w w w (x),0x t t w(x,t)u(x,t)v(x,其中u(xt)满足弦振动方程的第一类边值问题(9.1 0x 0 u|x0 u|xl0,0u u
|t
(x),0xv(x,t)满足非方程的定解问题(本节例 f(x, 0x 0 v v v 0,0x t t§9.6正交曲线坐标系中的度规系数和算符PDF"pdfFactoryPro"试用版本创建ÿ 算符2
x
y
z2u
u
算符2
x
rsin
yrsinsinz rz2u
2u 2
u
1
r r
§9.7亥姆方程的分 vtta22v T
k u(r
T(t)a2k2T(t) vta22v T
k u(r T(t)a2k2T(t) 方程的一个特例(kx y
z 1
u
k2u
u(,,z)R()()Z(z),2 d
dR
RZd2
RdZ d
d
k d dR d 1d Rdd
2d Z d dR
d 1d 令Rdd
2d Z Z2Z ddR d2
k22Rd d
2d Rd
dRd
2)2
dd
m2 得 m2 d dR
m2 d
d
d dR
m2)R d
d
(k22 d dRm2Rdd 2d
d
mR称型方程.其m0 R0()C0D0lnm0 Rm()m,m0,1,2, , 一般解:u(,)CDlnC AcosmBsinm 渐近条件:u(,)E0cos
ln边界条件:u(a,由渐近条件得 Const,D ,CE, 0, 0由边界条件得:Aa2E, 0, 0,Const 000 u(,) ln
Ecos1a2 a
2Eu
a2 a2 E0cos12ˆE0sin12
2
d dR
m2)R d
d
22 2d2RdR
(k22)2
R d k2 x,R(k2
y(x)dR()dy(x)dxdy(x)xd d 2Rx2yx2yxy(x2m2)y
xyzz
rsinrsinr
sin
2u 2
u
1
2u2k2u
u(r,,)R(r)()(),dr2dR
d d
d r
sind
r2sin2d2kR1d2dR d d
1d或Rdr
drk sindsin
sin2d 1令R
2dRk2r2 sin d d sin sind d
1dsin2d
dR r得R(r)程 1rR
k2r2
dr2dRk
2Rr2 dr r2 d d 1d dsindsind d d 1d 令dsindsind 得 d
m2d 2
sin sin2d d 令xcosy(x)(dxsin
d
dydxdx
sind dy
1x2y 上式称为连带勒让德方程(AssociatedLegenderEquationm0时,上式称为勒让德方程.§9.8姆-本征PDF"pdfFactoryPro"试用版本创建ÿdkdx
dyq(x)yw(x)ydx
ax上式称为姆型方程k(x)1,q(x)0,w(x)
ym2k(x)x,q(x)
,w(x)xdxdx
dym2dx
yxy为m阶贝赛耳方程(k22k(x)1x2,q(x)0,w(x)d ddx
dydx
y为勒让德方程(222k(x)1x,q(x) 22
,w(x)d 1(1x2)dy yydx dx 1为连带勒让德方程(2k(x)x2,q(x)l(l
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