数学 偏微分方程

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。

本页目录10 节

1 #

试证明圆锥形杆的微小纵振动方程是

ρ(1xh)22ut2=Ex[(1xh)2ux], \rho \left( 1 - \tfrac{x}{h} \right)^{2} \frac{\partial^{2} u}{\partial t^{2}} = E \, \frac{\partial}{\partial x} \left[ \left( 1 - \dfrac{x}{h} \right)^{2} \frac{\partial u}{\partial x} \right],

其中 hh 是圆锥的高, ρ,E\rho, E 分别是它的密度与杨氏模量, 且 ρ,E\rho, E 为常数.

2 #

f,gC(Ω)f,g\in C(\Omega), DΩ\forall D \subset \Omega, Df=Dg\int_D f=\int_D g. 证明: fgf\equiv g.

3 #

fC(Ω)f\in C(\overline{\Omega}), Ωfg=0, gC0k(Ω)\int_\Omega fg=0,\ \forall g\in C_0^k(\overline{\Omega}) (C0kC_0^k 表示在边界上为 0, k 阶连续可导). 证明: f0f\equiv 0.

4 #

求解变分问题: 求 uM={y(x)yC1[0,1],y(1)=0}u \in M = \{ y(x) \mid y \in C^1[0,1], \, y(1) = 0 \}, 使得

J(u)=minyMJ(y), J(u) = \min_{y \in M} J(y),

其中

J(y)=1201(y(x))2dx201y(x)dxy(0). J(y) = \dfrac{1}{2} \int_0^1 (y'(x))^2 \, \text{d} x - 2 \int_0^1 y(x) \, \text{d} x - y(0).

5 #

uM=C1[0,1]u \in M = C^1[0,1], 使得

J(u)=minyMJ(y), J(u) = \min_{y \in M} J(y),

其中

J(y)=1201((y)2+y2)dx+12[y2(0)+y2(1)]2y(0). J(y) = \dfrac{1}{2} \int_0^1 \bigl( (y')^2 + y^2 \bigr) \text{d} x + \dfrac{1}{2} \bigl[ y^2(0) + y^2(1) \bigr] - 2y(0).

6 #

J(v)=12Ω(v2+v2)dx+12Ωα(x)v2dsΩfvdxΩgvds, J(v) = \frac{1}{2} \int_\Omega \bigl( |\nabla v|^2 + v^2 \bigr) \text{d} x + \frac{1}{2} \int_{\partial \Omega} \alpha(x) v^2 \, \text{d} s - \int_\Omega f v \, \text{d} x - \int_{\partial \Omega} g v \, \text{d} s,

其中 α(x)0\alpha(x) \geqslant 0. 考虑以下三个问题:

问题 I(变分问题) #

uM=C1(Ω)u \in M = C^1(\overline{\Omega}), 使得

J(u)=minvMJ(v). J(u) = \min_{v \in M} J(v).

问题 II #

uM=C1(Ω)u \in M = C^1(\overline{\Omega}), 使得它对于任意 vMv \in M 都满足

Ω(uv+uvfv)dx+Ω(α(x)uvgv)ds=0. \int_\Omega \bigl( \nabla u \cdot \nabla v + u v - f v \bigr) \text{d} x + \int_{\partial \Omega} \bigl( \alpha(x) u v - g v \bigr) \text{d} s = 0.

问题 III(第三边值问题) #

uC2(Ω)C1(Ω)u \in C^2(\Omega) \cap C^1(\overline{\Omega}), 满足以下边值问题

{Δu+u=f,xΩ,un+α(x)u=g,xΩ. \begin{cases} -\Delta u + u = f, & x \in \Omega, \\[6pt] \dfrac{\partial u}{\partial n} + \alpha(x) u = g, & x \in \partial \Omega. \end{cases}

(1) 证明问题 I 与问题 II 等价.

(2) 当 uC2(Ω)C1(Ω)u \in C^2(\Omega) \cap C^1(\overline{\Omega}) 时, 证明问题 I, II, III 等价.

7 #

用特征线性法求解下述 Cauchy 问题:

  • (1) {ut+2ux=0,t>0,<x<ut=0=x2,<x<;\begin{cases} u_t+2u_x=0, & t>0,-\infty<x<\infty \\ u|_{t=0}=x^2, & -\infty<x<\infty; \end{cases}
  • (3) {2ut=uxxu,t>0,<x<ut=0=2xex2/2,<x<;\begin{cases} 2u_t=u_x-xu, & t>0,-\infty<x<\infty \\ u|_{t=0}=2xe^{x^2/2}, & -\infty<x<\infty; \end{cases}

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