第七章-一维波动方程的解题方法及习题答案

第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案1第二篇数学物理方程——物理问题中的二阶线性偏微分方程及其解法Abstracts:1、根据物理问题导出数理方程—偏微分方程；2、给定数理方程的附加条件：初始条件、边界条件、物理条件(自然条件，连接条件)，从而与数理方程一起构成定解问题；3、方程齐次化；４、数理方程的线性导致解的叠加。一、数理方程的来源和分类（状态描述、变化规律）1、来源I．质点力学：牛顿第二定律Fmr连续体力学2222()(,)(,)0(()0;v1()0(Eulereq.).urtaurttvtvvpft弹性定律弦弹性体力学杆振动：波动方程);膜流体力学：质量守恒律：热力学物态方程：II.麦克斯韦方程;;00;().,,,DDElBsEBBBHljDsHjDEuBAuAddddddd满足波动方程。Lorenz力公式力学方程；Maxwelleqs.+电导定律电报方程。III.热力学统计物理220;0.TkTtDt热传导方程：扩散方程：特别:稳态（0t）:20(Laplaceequation).IV.量子力学的薛定谔方程：22.2uiuVutm2.分类物理过程方程数学分类振动与波波动方程222210uuat双曲线输运方程20ukut能量：热传导质量：扩散抛物线第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案2稳态方程Laplaceequation20u椭圆型二、数理方程的导出推导泛定方程的原则性步骤：（1）定变量：找出表征物理过程的物理量作为未知数（特征量），并确定影响未知函数的自变量。（2）立假设：抓主要因素，舍弃次要因素，将问题“理想化”---“无理取闹”（物理趣乐）。（3）取局部：从对象中找出微小的局部（微元），相对于此局部一切高阶无穷小均可忽略---线性化。（4）找作用：根据已知物理规律或定律，找出局部和邻近部分的作用关系。（5）列方程：根据物理规律在局部上的表现，联系局部作用列出微分方程。Chapter7一维波动方程的傅里叶解第一节一维波动方程-弦振动方程的建立7.1.1弦横振动方程的建立（一根张紧的柔软弦的微小振动问题）（1）定变量：取弦的平衡位置为x轴。表征振动的物理量为各点的横向位移),(txu，从而速度为tu，加速度为ttu.（2）立假设：①弦振动是微小的，1，因此，sintan，1cos，又tanux，1xu；②弦是柔软的，即在它的横截面内不产生应力，则在拉紧的情况下弦上相互间的拉力即张力),(txT始终是沿弦的切向第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案3(等价于弦上相互间有小的弹簧相连)；③所有外力都垂直于x轴，外力线密度为),(txF；④设弦的线密度（细长）为),(tx，重力不计。（3）取局部：在点x处取弦段dx,dx是如此之小,以至可以把它看成质点(微元)。质量微元：xtxd),(；微弧长：xxxuuxsdd1ddd222（即这一小段的长度在振动过程中可以认为是不变的，因此它的密度tx,不随时间变化，另外根据Hooke定律Fkx可知，张力),(txT也不随时间变化，我们把它们分别记为x和)(xT.（4）找作用：找出弦段所受的力。外力：xtxFd),(，垂直于x轴方向；张力变化：dcos|cos|(d)()xxxTTTxxTx,x方向紧绷，ddsin|sin|||dxxxxxxxxxxTTTuTuTux,垂直于x轴方向。（5）列方程：根据牛顿第二定律0)()d(xTxxT，因x方向无位移，故TxTxxT)()d(.xTuxtxFxTuxtxFxuxxxxxttdd),(dd),(d)(即，),(txfuTuxxtt，其中),(),(txFtxf是单位质量所受外力。如果弦是均匀的，即为常数，则可写Ta为弦振动的传播速度，则),(2txfuauxxtt.自由振动(0f):20ttxxuau(齐次方程)。小结1：对于弦的横振动、杆的纵振动方程（一根弹性均匀细杆的微小振动问题）、薄膜的横振动方程（张紧的柔软膜的微小振动问题），在不受外力情况下，其振动的微分方程为：22ttuau（齐次方程）其中a为振动的传播的速度。当单位质量所受外力为f时，其振动微分方程为：22ttuauf（非齐次方程）7.1.2定解问题第一节从物理问题和相应的物理定律导出了其所满足的偏微分方程，但总是选择物体内第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案4部，不含端点或边界，对一小部分来讨论其运动状况，仅反映了物体内部各部分之间的相互联系，且在区域内部相邻之间、相继时刻之间的这种联系（规律）通常与周围环境（边界上）和初始时刻对象（体系）所处的状态无关。仅有方程还不足以确定物体的运动，因为外界的作用通常是通过物体边界“传”到内部的；一个方程可能有多个解，通解中含若干任意常数（函数），初始条件和边界条件就是确定它们的条件。求一个微分方程的解满足一定初始条件和边界条件的问题称为定解问题：泛定方程&初始条件边界条件定解条件衔接条件自然条件。1.初始条件00(,)()(,)().tttuxtxuxtx，即已知初位移)(x和初速度)(x2.边界条件i.第一类边界条件-狄利克雷条件（Dirichlet边界条件）：直接给出了未知函数在边界上的值。ii.第二类边界条件-诺依曼条件（Neumann边界条件）：给出未知函数在边界上法向导数的值。自由端点边界（端点不受外力，自由振动，意味着弦张力在振动方向无分量）属于此类，边界条件为(0,)0(,)0或xxutultiii.第三类边界条件-罗宾条件：给出未知函数和其边界法向导数在边界上的线性关系。弹性支撑边界（端点受到弹簧的约束而无外力）属于此类，边界条件为：(,)(,)000xuthutNote：初始条件和边界条件是场运动规律的极限。例1．对弦的横振动问题导出下列情况的定解条件：弦的两端点0x和lx固定，用手将弦上的点(0)xccl拉开使之与平衡位置的偏离为h（lh），然后放手。解：两端固定，所以边界条件为：(0,)0,(,)0utult第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案5由点cx的初始位移求出其他点的初始位移，它们是两段直线方程，容易求得：(0)(,0)()()()hxxccuxxhlxcxllc，，显然，初速度为零：(,0)0tux第二节齐次方程混合问题的傅里叶解——分离变量法本征值问题Abstract：求解数理方程定解问题的方法有分离变量法、行波法、积分变换法、变分法、复变函数论等，这些方法各有千秋。分离变量法普遍适用，在其使用条件下，自然导致了问题的核心—本征值问题。求解常微分方程：一般先求通解，再用初始/边界条件定其参数；求解偏微分方程，即使求得通解，亦难于由定解条件来定解（含任意函数）—本征值问题可解决此类问题。7.2.1利用分离变量法求解齐次弦振动方程的混合问题分离变量法：把二元函数(,)uxt表示为两个一元函数相乘(,)()()uxtXxTt；然后带入函数的二阶偏微分齐次方程20ttxxuau，把偏微分方程化为两个常微分方程；把偏微分方程的边界条件转化为常微分方程的边界条件。题型I：方程和边界条件都是齐次的，而初始条件是非齐次的。例题1：下面以两端固定弦的自由振动为例(第一类齐次边界条件):200000,0;0,();().ttxxxxltttuauxluuuxux注意这里的边界条件。第一步,分离变量，将二阶偏微分方程转化为两个常微分方程。设)()(),(tTxXtxu[取此特解形式，可得驻波解：()Tt是振荡函数，而与x无关，()Xx是幅度函数，与t无关],将此)()(),(tTxXtxu代入泛定方程，即得2()()()().XxTtaXxTt第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案6等式两端除以)()(2tTxXa，就有)()()()(2xXxXtTatT.注意在这个等式中，左端只是t的函数，与x无关，而右端只是x的函数，与t无关。因此，左端和右端相等，就必须共同等于一个既与x无关、又与t无关的常数。令这个常数为(参数)，即，)()()()(2xXxXtTatT.由此得到两个常微分方程：0)()(2tTatT（7.1）0)()(xXxX（7.2）第二步，将(,)uxt原来的边界条件转化为()Xx的边界条件。将此(,)()()uxtXxTt代入边界条件，得0)()0(tTX，0)()(tTlX，转化为()Xx的边界条件：0)0(X，0)(lX[因为)(tT不可能恒为0，否则),(txu恒为0]（7.3）这样就完成了分离变量法求解偏微分方程定解（亦定界）问题的前两步：分离变量。在这两步中，假设所要求的是变量分离形式的非零解)()(),(tTxXtxu，导出了函数)(xX应该满足的常微分方程和边界条件，以及)(tT所满足的常微分方程。分离变量之所以能够实现，是因为原来的偏微分方程和边界条件都是齐次的（可分离变量）。第三步,求解本征值问题上面得到的函数)(xX的常微分方程定解问题，称为本征值问题。其特点是：常微分方程0)()(xXxX中含有一个待定常数，而定解条件0)0(X，0)(lX是一对齐次边界条件。这样的定解问题不同于我们过去熟悉的常微分方程的初值问题。下面将看到，并非对于任何值，都有既满足齐次常微分方程，又满足齐次边界条件的非零解。只有当取某些特定值时，才有既满足齐次常微分方程，又满足齐次边界条件的非零解)(xX.的这些特定值称为本征值(eigenvalue)，相应的非零解称为本征函数(eigenfunction).通过讨论分析得出只有0时，方程（7.2）的解才有意义。因此，0时解（7.2）式得，第七章一维波动方程的傅里叶解小结及习题答案7()cossinXxAxBx.将这个通解代入边界条件（7.3），就有0;cossin0.AAlBl即0;sin0.ABlA和B不能同时为0，否则)(xX恒为零，),(txu恒为0（平凡解，虽然零解无物理意义，但至少说明数学上可能行得通），因此只能是，0sinl，即nl,3,2,1n.于是，只能取如下的一系列值：2lnn,3,2,1n；相应的本征函数就是：xlnxXnsin)(这里取1B，因为我们所要求的必然只是线性无关解。不同的B值给出的是线性相关的。由于同样的原因，我们也不必考虑n为负整数的情形。这样求得的本征值有无穷多个，他们可以用正整数n标记，因此，我们把本征值和本征函数分别记为n和)(xXn.第四步,求特解，并进一步叠加出一般解：对于每一个本征值n，由0)()(2tTatT（7.1）解出相应的)(tTn:()cossinnnnnnTtCatDatll.因此，也就得到了满足偏微分方程和边界条件的特解:(,)cossinsinnnnnnnuxtCatDatxlll,3,2,1n.这样的特解有无穷多个,3,2,1n。每一个特解都同时满足齐次偏微分方程和齐次边界条件。它们是一系列的驻波。但是，一般来说，单独任何一个特解都不能满足定解问题中的初始条件。然而，由于偏微分方程和边界条件都是齐次的，把它们的特解线性叠加起来