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CH1 典型方程和定解条件的推导 1)概念:定解问题、初始条件、边界条件; 2)三类典型方程对初始条件、边界条件的要求: 波动方程,热传导方程,拉普拉斯方程; 3)根据问题的描述,要会写出定解问题。 弦的横振动方程: 波 方 程 热 方 程 二维齐次热传导方程 三维非齐次热传导方程 二维齐次热传导方程 Laplace方程, 泊松方程 第一类边界条件 第二类边界条件 第三类边界条件 热传导问题: 泊松方程和拉普拉斯方程:描述稳恒状态的,与时间无关,所以不提初始条件。 弦振动问题: 初始条件 初始条件给出的应是整个系统的初始状态, 而非系统中个别点的初始状态。 注意: 解: 方程 初始条件 傅立叶传热定律: 已知单位时间内通过区域边界上单位面积从物体内部向外流出的热量,热流密度为q(x,y,z,t),则有 例1 o x l q q 在 x=l 端 在 x=0 端 例1 例2. 设弦的两端固定于x=0 和x=l,弦的初始位移如 下图,初速度为零,写出弦 的定解问题。 解: 方程: 边界条件: 初始条件: 初速度 在[0,c]上 过(0,0), 故 在[c,l]上 过(l,0), 故 初位移 例2. 设弦的两端固定于x=0 和x=l,弦的初始位移如下图,初速度为零,写出弦的定解问题。 例3. 设弦的两端固定于x=0 和x=l,弦中张力为T,在x=l/2点以横向拉力F拉弦,达到平衡后任其自由振动,写出定解问题 F T1 T2 假设弦在 x=0 端按照规律 运动,在 x=l 端自由,初始位移、初始速度为 ,弦振动满足的定解问题为: 例4 CH2 分离变量法 掌握有界弦振动和有限长杆上热传导问题的分离变量解法; 掌握矩形域和圆域内拉普拉斯方程的分离变量法解法; 会使用特征函数法解非齐次方程的定解问题 会用辅助函数和叠加原理处理非齐次边界条件的定解问题。 要求: 解:令 引入参数 得 例1. 分离变量: 由边值条件 得C1 =C 2=0 从而 , 无意义 由边值条件 由边值条件 从而 T 的方程 其解为 故 代入初始条件: 展开为傅立叶余弦级数,比较系数 一、一 一、二 二、一 二、二 对波动方程和热传导方程,以下四种边界条件 要求掌握: 第三类边界条件不要求 注:对于波动方程和热传导方程而言, 边界条件唯一确定了其特征值和特征函数。 特征值 特征函数 取值范围 一 一 一 二 二 二 二 一 分离变量法的基本要点和解题步骤 一维波动方程和热传导方程: (i)方程、边界条件齐次 分离变量法( 任意初始条件) (ii) 边界条件齐次,方程非齐次 分为2个问题 原初始条件+齐次方程--分离变量法 齐次定解条件+非齐次方程--特征函数法 (注意初始条件的变化) (iii) 边界条件非齐次 引进辅助函数--齐次化边界条件,再用上述方法 (2) 二维拉普拉斯方程的边值问题 根据求解区域的形状适当的选取坐标系, 使得在 此坐标系下边界条件的表达方式最简单. 例如, 对于圆域、圆环、扇形等区域可以采用极坐标。应当指出,只有当求解区域非常规范时,才可以用分离变量法解拉普拉斯方程的定解问题。 提示:将第三式看作边界条件。 非齐次方程的解法 利用叠加原理 分离变量法 特征函数法 叠加原理 (1) (2) * 稳定的浓度分布,静电场的电位, 流体的势.

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