数理方程突击复习_3、分离变量法_数理方程总复习总结3

1.基础概念

继续总结——数理方程第二章之分离变量法

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1.1 三类典型方程

弦振动方程
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热传导方程
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拉普拉斯方程
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1.2 基本概念

线性偏微分方程: 方程关于未知数及其各阶偏导数均是一次的。
古典解: 具有偏微分方程中各阶连续偏导数,且代入方程后能使方程成为恒等式的函数。
定解问题:泛定方程和定解条件

  • 初值/柯西问题:泛定方程和初始条件
  • 边值问题:泛定方程和边界条件
  • 混合问题:泛定方程和初始条件、边界条件
    两类边值问题
  • 第一类边值问题/狄利克雷问题/狄氏问题:函数本身在边界上满足某条件。
  • 第一类边值问题/诺伊曼问题:函数方向导数在边界上满足某条件。

叠加原理: 解的叠加还是解。
两个自变量二阶微分方程的分类
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对三类典型方程的理解

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2. 分离变量法

分离变量法的思路是把未知的多元函数分解成若干个一元函数的乘积,这样就可以把偏微分方程转化成若干个常微分方程的问题。
而一个多元函数是否能分解成若干一元函数的乘积,需要考虑其物理模型:

  • 弦振动中,由振动而发出的声音可以分解成不同频率的单音,每种单音振动时形成正弦曲线,振幅依赖于时间t。

2.1 有界弦的自由振动

齐次
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此时得到两个常微分方程:
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此时结合边界条件,可以得到一个常微分方程的边值问题,即:
固有值(特征值)、固有函数(特征函数)、施图姆-刘维尔问题
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至此得到关于变量 x x x xx x xxxλ的常微分方程的边值问题被称为固有值问题,在前面求解弦振动方程和热传导方程时我们已经见识过了。在此做一些更详细的讨论。
施图姆-刘维尔方程
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施图姆-刘维尔问题
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关于固有值与固有函数的结论
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2.7 小结

  1. 对于一维波动方程和热传导方程的定解问题,基本上是以下三种情况:
    a. 当方程与边值条件均为齐次时,直接用分离变量法求解
    b.边界条件为齐次方程和初值条件为非齐次时,原定解问题可以分解成两个,一是方程非齐次,定解条件齐次,用固有函数法求解;二是方程齐次,定解条件非齐次,用分离变量法求解。
    c.边界条件为非齐次的时候,则需要引入辅助函数来把边界条件化成齐次的,然后应用上述方法。
  2. 对于二维拉普拉斯方程的边值问题,应根据求解区域的形状适当地选择坐标系,以便于求解。应当注意的是,只有当求解区域很规则时,才可以应用分离变量法求解拉普拉斯的边值问题。



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