数学物理方程第二版_第一章教案+

§1方程的导出、定解条件§1.1弦振动方程的导出§1.2定解条件§1.3定解问题适定性概念物理背景：波的传播和弹性体振动§1.1弦振动方程的导出首先，考察弦横振动这个物理问题：给定一根两端固定的拉紧的均匀柔软的弦线，设其长度为l，它在外力作用下在平衡位置附近作微小的横振动，求弦上各点的运动规律。把实际问题提炼为数学模型时必须做一定的理想化假设，以便抓住问题的最本质特征。基本假设：1.弦的质量是均匀的，弦的截面直径与长度相比可以忽略。弦可以视为一条曲线，线密度为常数。（细弦）2.弦在某一个平面内作微小横振动。弦的位置始终在一直线段附近，弦上各点在同一平面内垂直于该直线的方向上作微小振动。（微幅）3.弦是柔软的，它在形变时不抵抗弯曲。弦上各质点的张力方向与弦的切线方向一致，而弦的伸长变形与张力的关系服从虎克(Hooke)定律。（横振动）基本规律：牛顿第二定律:F=ma作用在物体上的力=该物体的质量×该物体的加速度冲量定律:作用在物体上的冲量=该物体的动量的变化研究对象：(,)uxtgds'MMdsxTyxdxx''T弦线上任意一点在t时刻沿y轴上的位移在右图所示的坐标系，用u(x,t)表示弦上各点在时刻t沿垂直于x方向的位移。在这条弦上任意取一弦段(x,x+Δx)，它的弧长为：由假设3，弦线张力T(x)总是沿着弦在x处的切线方向．由于弦只在垂直x轴的方向进行横振动，因此可以把弦线的张力T(x)在x轴的方向的分量看成常数Ｔ。对于图中选取的弦段而言，张力在x轴的垂直方向上的合力为：]),(),([)()(1212xtxuxtxxuTtgtgTsinsinT假设2和假设3在时间段(t,t+Δt)内该合力产生的冲量为：dtxtxuxtxxuTttt]),(),([另一方面，在时间段(t,t+Δt)内弦段(x,x+Δx)的动量变化为：dxttxutttxuxxx]),(),([于是由冲量定理：dxttxutttxudtxtxuxtxxuTxxxttt]),(),([]),(),([从而有：0]),(),([2222dtdxxtxuTttxutttxxx进一步由Δt，Δx的任意性，有/,0),(),(222222Taxtxuattxu假定有垂直于x轴方向的外力存在，并设其线密度为F(x,t)，则弦段(x,x+Δx)上的外力为：dxtxFxxx),(它在时间段(t,t+Δt)内的冲量为：dtdxtxFtttxxx),(/),(),(,/),,(),(),(222222txFtxfTatxfxtxuattxu),,,()(222222222tzyxfzuyuxuatu类似地，三维波动方程可以表示为：0)],(),(),([2222dtdxtxFxtxuTttxutttxxx于是有：简化假设：(2)振幅极小，张力与水平方向的夹角很小。(1)弦是柔软的，弦上的任意一点的张力沿弦的切线方向。cos1cos'1gds'MMdsxTyxdxx''T牛顿运动定律：sin'sin'TTgdsma横向：cos'cos'TT纵向：(,)sintan(d,)sin'tan'uxtxuxxtx其中：'TT(d,)(,)uxxtuxtTgdsmaxx22(d,)(,)(,)dduxxtuxtuxtTgxxxxt其中：ddsx22(,)mdsuxtat22(d,)(,)(,)(,)dduxxtuxtuxtuxtxxxxxxx2222(,)(,)dduxtuxtTgxxxt其中：2222(,)(,)dduxtuxtTgxxxt2222(,)(,)Tuxtuxtgxt22222uuagtx………一维波动方程2Ta令：------非齐次方程自由项22222uuatx------齐次方程忽略重力作用：的函数，为和如果弦非均匀，则xT),()())((txuxFuxTxttx非均匀弦的强迫横振动方程一维波动方程不仅可以描述弦的振动，还可以描述：弹性杆的纵向振动管道中气体小扰动的传播………等等因此，一个方程反应的不止是一个物理现象，而是一类问题。§1.1弦振动方程的导出列出微分方程的目的是要从微分方程中求得具体问题的解或者研究解的性质。前面我们看到，弦振动方程描述的是弦作微小横振动时的位移函数u(x,t)所应满足的一般性规律。仅仅利用它并不能完全确定一条弦的具体运动状况。这是因为弦的运动还与其初始状态以及边界所处的状况有关系，因此对于具体的弦振动问题而言，还需要结合实际问题附加某些特定条件。例如:在前面的推导中，弦的两端被固定在x=0和x=l两点，即u(0,t)=0，u(l,t)=0，这两个等式称为边界条件。此外，设弦在初始时刻t=0时的位置和速度为)0()()0,(),()0,(lxxtxuxxu这两个等式称为初始条件。边界条件和初始条件总称为定解条件。把微分方程和定解条件结合起来，就得到了与实际问题相对应的定解问题。对于弦振动方程而言，与上述定解条件结合后，其定解问题可以描述为：§1.2定解条件4.20:3.20:02.2),(),(:01.2),,(),(),(22222ulxuxxtuxuttxfxtxuattxu要在区域)0,0(tlx上（见右上图）求上述定解问题的解，就是要求这样的连续函数u(x,t)，它在区域0xl,t0中满足波动方程(2.1)；在x轴上的区间[0,l]上满足初始条件(2.2)；并在边界x=0和x=l上满足边界条件(2.3)和(2.4)。一般称形如(2.3)和(2.4)的边界条件为第一类边界条件，也叫狄利克雷（Dirichlet）边界条件。§1.2定解条件波动方程的初始条件00|()()ttuxuxt1、初始条件——描述系统的初始状态系统各点的初位移系统各点的初速度§1.2定解条件(2)自由端：x=a端既不固定，又不受位移方向力的作用。2、边界条件——描述系统在边界上的状况波动方程的三类边界条件(1)固定端：对于两端固定的弦的横振动，其为：0|0,xu(,)0uat或：0xauTx0xaux(,)0xuat(3)弹性支承端：在x=a端受到弹性系数为k的弹簧的支承。xaxauTkux或0xauux诺依曼（Neumann）边界条件狄利克雷（Dirichlet）边界条件同一类物理现象中，各个具体问题又各有其特殊性。边界条件和初始条件反映了具体问题的特殊环境和历史，即个性。初始条件：够用来说明某一具体物理现象初始状态的条件。边界条件：能够用来说明某一具体物理现象边界上的约束情况的条件。其他条件：能够用来说明某一具体物理现象情况的条件。§1.2定解条件定解问题§1.3定解问题适定性概念(1)初始问题：只有初始条件，没有边界条件的定解问题；(2)边值问题：没有初始条件，只有边界条件的定解问题；(3)混合问题：既有初始条件，也有边界条件的定解问题。把某种物理现象满足的偏微分方程和其相应的定解条件结合在一起，就构成了一个定解问题。定解问题的检验•解的存在性：定解问题是否有解；•解的唯一性：是否只有一解；•解的稳定性：定解条件有微小变动时，解是否有相应的微小变动。定解问题的存在性、唯一性和稳定性统称为定解问题的适定性。如果一个定解问题的解是存在的，唯一的，而且是稳定的，我们就称这个问题是适定的，即认为这样的定解问题的提法是合适的。对定解问题的适定性进行一定的分析，可以帮助我们初步判定所归结的定解问题是否合理、所附加的定解条件是否合适以及对一个偏微分方程应该如何指定定解条件等问题，同时也可以对求解定解问题起到一定的指导作用。除了研究定解问题的适定性外，数理方程中还经常研究的问题包括：解的正则性（光滑性）、解的渐近性（包括衰减性）和定解问题的求解方法（精确解、渐近解、数值解）等。§1.3定解问题适定性概念0214422444yuyxuxu)(次？阶数？、非线性的？齐次非齐回答下列方程是线性的四阶线性齐次02xuxyxuu)(一阶非线性，拟线性的03222yuxxu)(二阶线性齐次的xyuyxuxusin)(2222224二阶线性非齐次的0252322uyxuxuln)(三阶非线性