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第二章分离变量.pptVIP

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直角坐标系中的分离变量法 2.1 分离变量法介绍 定解问题的泛定方程变为 本征值 不能任意取,只能根据边界条件(2.7)取某些特定值。 本征函数 不同 (2.5)所对应的解 本征值问题 求齐次方程带有齐次边界条件的本征值和本征函数问题。 (2.5)的解为 解出 只剩下一种可能性: 第三步:先求特解,再叠加求出通解 这就是满足(2.1)和条件(2.2)的通解 至此,定解问题(2.1)-(2.3)的解已经求出 2.2. 解的物理意义 点数为2,3,4的驻波形状 (成倍增长)、位相不同、振幅不同的驻波叠加而成的. 所以分离变量法又称驻波法.各驻波振幅的大小和位相 中最小的一个 称为基频, 代入条件(2.6)′得 由于B≠0,故cosβl=0,即 从而求得了一系列特征值与特征函数。 与这些特征值相对应的方程(2.4)的通解为 于是,所求定解问题的解可表示为 利用初始条件确定其中的任意常数Cn,Dn,得 故所求解为 2.2 有限长杆上的热传导 首先求出满足边界条件而且是变量被分离形式的特解,设 代入方程(2.13)得 (2.16) 得到两个线性常微分方程 (2.16)′ (2.16)″ 解方程(2.16)″得 由边界条件(2.14)可知 (2.17) (2.17)′ 为了求出β,方程(2.17)′可改写成 其中 于是得到特征值问题(2.16)″,(2.17)的无穷多个特征值 及相应的特征函数 (2.19) 再由(2.16)′解得 (2.20) 由(2.19),(2.20)两式,我们得到方程(2.13)满足边界条件 (2.14)的一组特解 (2.21) 其中 由于方程(2.13)与边界条件(2.14)都是齐次的,所以 (2.22) 仍满足方程与边界条件。最后考虑u(x,t)能否满足初始条件(2.15), 从(2.22)式得 当然,这样求出的函数u(x,t)仍是形式解,要想它确实是(2.23~ 2.15)的解,还必须对φ(x)加上一定的光滑性和相容性条件。 通过上面两节的讨论,我们对分离变量法已经有了一个初步的了 解,它的主要步骤大体为: 一、首先将偏微分方程的定解问题通过分离变量转化为常微分 方程的定解问题,这对线性齐次偏微分方程来说是可以做到的。 二、确定特征值与特征函数。由于特征函数是要经过叠加的, 所以确定特征函数的方程与条件,当函数经过叠加之后仍旧要 满足。当边界条件是齐次时,求特征函数就是求一个常微分方 程满足零边界条件的非零解。 三、定出特征值、特征函数后,再解其他的常微分方程,把得 到的解与特征函数相乘成为un(x,t),这时un(x,t)中还包含着任意 常数。 四、最后为了使解满足其余的定解条件,需要把所有的un(x,t)叠 加起来成为级数形式,这时级数中的一系列任意常数就由其余的 条件确定。在这最后一步的工作中,需要把已知函数展开为特征 函数项的级数,这种展开的合理性,将在§2.6中讨论。 由本节的例子还可以看出,用分离变量法求解第三类边界条件 的定解问题时,只要边界条件都是齐次的,其过程与解第一类 边界条件的定解问题是相同的,但在确定特征值时,一般来说 是比较复杂的。 * * 第二章 分离变量法 本章重点: (2)用分离变量法求解各种有界问题; (3)用分离变量法求解各种有界问题的思路、步骤及其核心问题—特征值(本征值或固有值)问题; (1)用分离变量法又称特征函数展开法,是求解偏 微分方程最常用的重要方法; (5)分析解的物理意义; (4)理解叠加原理的应用 其基本思想是把偏微分方程分解为几个常微分方程, 其中有的常微分方程带有附加条件从而构成本征值问题. 二阶常系数微分方程: 特征方程: 根的三种情况: 得常系数微分方程的通解: 例1:具体考虑长为l两端固定的均匀弦的自由振动 泛定方程  (2.1) (2.2) 初始条件 (2.3) 边界条件     【解】 第一步:分离变量 用分离变量法求解定解问题,具体分如下四个步骤: 变量分离形式的试探解 代入(2.1)和(2.2) 偏微分方程分离成两个常微分方程: (2.4) (2.5) 也不依赖于x的常数,不妨设常数为 要使等式恒成立,只能是它们等于一个既不依赖于t, (2.6) 否则得零解,对于齐次微分方程是无意义. 我们所谓的求解是指的求出非零解 由齐次边界条件有 (2.7) 故得 边界条件是齐次的,才得出(2.7)这样简单的结论,而非齐次边界条件需要转化为齐次边界条件. 第二步:求解本征值(或称为固有值)问题 上面推导的方程 (2.5) (2.7) 注意: 定义: (1) 和 由(2.7)确定,即有 三种可能逐一加以分析

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