偏微分方程:第 1 次作业
圆锥杆纵振动、变分问题及其边值形式,以及一阶方程的特征线法练习。
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试证明圆锥形杆的微小纵振动方程是
ρ(1−hx)2∂t2∂2u=E∂x∂[(1−hx)2∂x∂u],
其中 h 是圆锥的高, ρ,E 分别是它的密度与杨氏模量, 且 ρ,E 为常数.
f,g∈C(Ω), ∀D⊂Ω, ∫Df=∫Dg. 证明: f≡g.
若 f∈C(Ω), ∫Ωfg=0, ∀g∈C0k(Ω) (C0k 表示在边界上为 0, k 阶连续可导). 证明: f≡0.
求解变分问题: 求 u∈M={y(x)∣y∈C1[0,1],y(1)=0}, 使得
J(u)=y∈MminJ(y),
其中
J(y)=21∫01(y′(x))2dx−2∫01y(x)dx−y(0).
求 u∈M=C1[0,1], 使得
J(u)=y∈MminJ(y),
其中
J(y)=21∫01((y′)2+y2)dx+21[y2(0)+y2(1)]−2y(0).
设
J(v)=21∫Ω(∣∇v∣2+v2)dx+21∫∂Ωα(x)v2ds−∫Ωfvdx−∫∂Ωgvds,
其中 α(x)⩾0. 考虑以下三个问题:
问题 I(变分问题) #
求 u∈M=C1(Ω), 使得
J(u)=v∈MminJ(v).
问题 II #
求 u∈M=C1(Ω), 使得它对于任意 v∈M 都满足
∫Ω(∇u⋅∇v+uv−fv)dx+∫∂Ω(α(x)uv−gv)ds=0.
问题 III(第三边值问题) #
求 u∈C2(Ω)∩C1(Ω), 满足以下边值问题
⎩⎨⎧−Δu+u=f,∂n∂u+α(x)u=g,x∈Ω,x∈∂Ω.
(1) 证明问题 I 与问题 II 等价.
(2) 当 u∈C2(Ω)∩C1(Ω) 时, 证明问题 I, II, III 等价.
用特征线性法求解下述 Cauchy 问题:
- (1) {ut+2ux=0,u∣t=0=x2,t>0,−∞<x<∞−∞<x<∞;
- (3) {2ut=ux−xu,u∣t=0=2xex2/2,t>0,−∞<x<∞−∞<x<∞;
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