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第三章 分离变量法
3。2 基础训练
3.2.1 例题分析
例1 解下列定解问题:
(1)
解:分离变量,即令
(2)
代入方程((1)中第一式),得
(3)
(4)
其中为分离常数。(2)式代入边界条件((1)中第二式),得
(5)
相应的本证值问题为求
(6)
的非零解.下面针对的取值情况进行讨论:
(1)当时,(6)式中方程的通解是
(7)
其中A,B为积分常数,(7)代入(6)中边界条件,得
(8)
由(8)得A=B=0,得X(x)=0,为平凡解,故不可能有。
(2) 当时,(6)式中方程的通解是
由边界条件得A=B=0,得X(x)=0,为平凡解,故也不可能有。
(3)当 时,上述固有值问题有非零解.此时式(6)的通解为
代入条件(6)中边界条件,得
由于 ,故 ,即
从而得到一系列固有值与固有函数
与这些固有值相对应的方程(3)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,得
故所求的解为
例2 演奏琵琶是把弦的某一点向旁边拨开一小段距离,然后放手任其自由振动。设弦
长为,被拨开的点在弦长的(为正整数)处,拨开距离为,试求解弦的振动,即求解定解问题
解:将代入原方程及边界条件得
(1)
(2)
解(2)第一式可得
由(2)的第二式得
,
将代入(1)并解得
由初始条件得
所以
从而
例3 求解细杆的导热问题,杆长,两端保持零度,初始温度分布.
解:该问题的定解问题为
(1)
令, 代入(1)第一式可得,
(2)
(3)
由(2)得
(4)
由(1)第三式可得
,
由得,
由,得, 于是有
,,
因此
,
将作Fourier展开得
其中
于是
因此
例4 在矩形域 内求Laplace方程
(1)
的解,使其满足边界条件
解:令 ,代入式(1),有
(4) (5)
又由边界条件(3)得
(6)
当时,式(5)的通解为
由式(6)有
由此得 ,即式(5)、(6)无非零解.
当时,式(5)的通解为
由 ,得 .
当时,式(5)的通解为
由 得,由 得,得,
即 .
由此可见,本征值为
本征函数为
将的值代入式(4),解得
故问题的一般解为
(7)
由边界条件 得到
一个无穷级数等于零,说明各项系数均为零,故
(8)
又由得
将Ay展开成Fourier余弦级数,并比较系数有
故
(9)
从式(8)和(9)中解得
代入
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