数学 偏微分方程

偏微分方程:第 3 次作业

2pt] u{t=0}=(x), & -<x< {cases}。

本页目录14 节

2025-11-12 #

1.1 #

求函数 f(x)={0(∣x∣>a)∣x∣(∣x∣≤a)f(x) = \begin{cases} 0 & (|x| > a) \\ |x| & (|x| \le a) \end{cases} 的傅里叶变换.

证明

本题函数偶对称, 故

f^(k)=2∫0axcos⁡(kx) dx=2[xsin⁡(kx)k]0a−2∫0asin⁡(kx)k dx=2asin⁡(ka)k+2(cos⁡ka−1)k2. \widehat f(k)=2\int_0^a x\cos(kx)\,dx =2\Big[\frac{x\sin(kx)}{k}\Big]_0^a-2\int_0^a\frac{\sin(kx)}{k}\,dx =\frac{2a\sin(ka)}{k}+\frac{2(\cos ka-1)}{k^2}.

1.3 #

求函数 f(x)={sin⁡λ0x(∣x∣≤a)0(∣x∣>a)f(x) = \begin{cases} \sin\lambda_0x & (|x| \le a) \\ 0 & (|x|>a) \end{cases} 的傅里叶变换.

证明

直接积分:

f^(k)=∫−aasin⁡(λ0x)e−ikx dx=sin⁡((λ0−k)a)λ0−k+sin⁡((λ0+k)a)λ0+k. \widehat f(k)=\int_{-a}^{a}\sin(\lambda_0x)e^{-ikx}\,dx =\frac{\sin((\lambda_0-k)a)}{\lambda_0-k} +\frac{\sin((\lambda_0+k)a)}{\lambda_0+k}.

1.5 #

求 f(x)=cos⁡x e−a∣x∣f(x)=\cos x\,e^{-a|x|} (a>0a>0) 的傅里叶变换.

证明
F{e−a∣x∣}(k)=2aa2+k2. \mathcal F\{e^{-a|x|}\}(k)=\frac{2a}{a^2+k^2}.

写 cos⁡x=12(eix+e−ix)\cos x=\frac12(e^{ix}+e^{-ix}) 得

f^(k)=12[e−a∣x∣^(k−1)+e−a∣x∣^(k+1)]=a[1a2+(k−1)2+1a2+(k+1)2]. \widehat f(k)=\frac12\big[\widehat{e^{-a|x|}}(k-1)+\widehat{e^{-a|x|}}(k+1)\big] =a\Big[\frac{1}{a^2+(k-1)^2}+\frac{1}{a^2+(k+1)^2}\Big].

2.2 #

利用性质求 f(x)=xe−a∣x∣f(x)=x e^{-a|x|} (a>0a>0) 的傅里叶变换.

证明

已知

F{e−a∣x∣}(k)=2aa2+k2. \mathcal F\{e^{-a|x|}\}(k)=\frac{2a}{a^2+k^2}.

乘 xx 对应频域 i∂ki\partial_k,故

f^(k)=iddk(2aa2+k2)=−4iak(a2+k2)2. \widehat f(k)=i\frac{d}{dk}\Big(\frac{2a}{a^2+k^2}\Big) =-\frac{4iak}{(a^2+k^2)^2}.

2.3 #

求 f(x)=eiμxf(x)=e^{i\mu x} 在 ∣x∣<a|x|<a 时等于该指数,在外为 0 的傅里叶变换.

证明
χ(−a,a)(x)=rect(x/2a),F{rect(x/2a)}(k)=2a sinc(ak). \chi_{(-a,a)}(x)=\mathrm{rect}(x/2a), \qquad \mathcal F\{\mathrm{rect}(x/2a)\}(k)=2a\,\mathrm{sinc}(ak).

调制 eiμxe^{i\mu x} 只造成频移

f^(k)=2a sinc(a(k−μ))=2sin⁡(a(k−μ))k−μ. \widehat f(k)=2a\,\mathrm{sinc}(a(k-\mu)) =\frac{2\sin(a(k-\mu))}{k-\mu}.

2.5 #

求 f(x)=eiλ0xf(x)=e^{i\lambda_0 x} 在 ∣x∣<L|x|<L 时为该指数,在外为 0.

证明

直接积分

f^(k)=∫−LLei(λ0−k)x dx=2sin⁡((λ0−k)L)λ0−k. \widehat f(k)=\int_{-L}^{L}e^{i(\lambda_0-k)x}\,dx =\frac{2\sin((\lambda_0-k)L)}{\lambda_0-k}.

2.7 #

求 1a2+x2\dfrac{1}{a^2+x^2} (a>0a>0) 的傅里叶变换.

证明

已知对偶对

F{e−a∣x∣}(k)=2aa2+k2,F{2aa2+x2}(k)=2πe−a∣k∣. \mathcal F\{e^{-a|x|}\}(k)=\frac{2a}{a^2+k^2}, \qquad \mathcal F\Big\{\frac{2a}{a^2+x^2}\Big\}(k)=2\pi e^{-a|k|}.

故

F{1a2+x2}(k)=πae−a∣k∣. \mathcal F\Big\{\frac{1}{a^2+x^2}\Big\}(k)=\frac{\pi}{a}e^{-a|k|}.

4.1 #

使用傅里叶变换求解初值问题:

{ut−a2uxx−b ux−c u=f(x,t),−∞<x<∞, t>0,u∣t=0=φ(x),−∞<x<∞. \begin{cases} u_t-a^2u_{xx}-b\,u_x-c\,u=f(x,t), & -\infty<x<\infty,\ t>0,\\[2pt] u|_{t=0}=\varphi(x), & -\infty<x<\infty. \end{cases}
证明

取 xx 的傅里叶变换,记 u^(k,t)=F{u(⋅,t)}(k)\widehat u(k,t)=\mathcal F\{u(\cdot,t)\}(k)。由

F{ux}=ik u^,F{uxx}=−k2 u^ \mathcal F\{u_x\}=ik\,\widehat u,\qquad \mathcal F\{u_{xx}\}=-k^2\,\widehat u

得常微分方程

∂tu^+(a2k2−ibk−c)u^=f^(k,t),u^(k,0)=φ^(k). \partial_t\widehat u+\big(a^2k^2-ibk-c\big)\widehat u=\widehat f(k,t), \qquad \widehat u(k,0)=\widehat\varphi(k).

积分因子 e(a2k2−ibk−c)te^{(a^2k^2-ibk-c)t},解为

u^(k,t)=e−(a2k2−ibk−c)t φ^(k)+∫0te−(a2k2−ibk−c)(t−s) f^(k,s) ds. \widehat u(k,t)=e^{-(a^2k^2-ibk-c)t}\,\widehat\varphi(k) +\int_0^t e^{-(a^2k^2-ibk-c)(t-s)}\,\widehat f(k,s)\,ds.

逆变换即得

u(x,t)=F−1 ⁣{e−(a2k2−ibk−c)tφ^(k)}+∫0tF−1 ⁣{e−(a2k2−ibk−c)(t−s)f^(k,s)}ds. u(x,t)=\mathcal F^{-1}\!\left\{e^{-(a^2k^2-ibk-c)t}\widehat\varphi(k)\right\} +\int_0^t \mathcal F^{-1}\!\left\{e^{-(a^2k^2-ibk-c)(t-s)}\widehat f(k,s)\right\}ds.

5.2 #

在 D′(−∞,∞)\mathcal D'(-\infty,\infty) 中证明

φ(x)δ′(x)=−φ′(0)δ(x)+φ(0)δ′(x),φ∈C∞(R). \varphi(x)\delta'(x)=-\varphi'(0)\delta(x)+\varphi(0)\delta'(x),\qquad \varphi\in C^\infty(\mathbb R).
证明

对任意检验函数 ψ\psi,

⟨φδ′,ψ⟩=⟨δ′,φψ⟩=−(φψ)′(0)=−φ′(0)ψ(0)−φ(0)ψ′(0)=⟨−φ′(0)δ+φ(0)δ′,ψ⟩. \langle \varphi\delta',\psi\rangle=\langle \delta',\varphi\psi\rangle =-(\varphi\psi)'(0)=-\varphi'(0)\psi(0)-\varphi(0)\psi'(0) =\langle -\varphi'(0)\delta+\varphi(0)\delta',\psi\rangle.

故结论成立。

6.1 #

计算 (∣x∣)(m)(|x|)^{(m)},其中 m≥1m\ge1.

证明

经典上 (∣x∣)′=sgn⁡x(|x|)'=\operatorname{sgn}x,而分布意义下

(∣x∣)′′=2δ,(∣x∣)(m)=2 δ(m−2) (m≥2). (|x|)''=2\delta,\qquad (|x|)^{(m)}=2\,\delta^{(m-2)}\ (m\ge2).

综上

(∣x∣)(m)={sgn⁡x,m=1,2 δ(m−2)(x),m≥2. (|x|)^{(m)}= \begin{cases} \operatorname{sgn}x,& m=1,\\[2pt] 2\,\delta^{(m-2)}(x),& m\ge2. \end{cases}

6.3 #

计算 (H(x)eax)′′(H(x)e^{ax})''.

证明

利用 H′=δH'=\delta,

(Heax)′=δ+aHeax,(Heax)′′=δ′+aδ+a2Heax. (H e^{ax})'=\delta+aH e^{ax},\qquad (H e^{ax})''=\delta'+a\delta+a^2 H e^{ax}.

7.1 #

求

f(x)={sin⁡x,x≥0,0,x<0 f(x)=\begin{cases}\sin x,& x\ge0,\\ 0,& x<0\end{cases}

的广义导数 f∙′f'_\bullet.

证明

写作 f=H(x)sin⁡xf=H(x)\sin x,则

f∙′=δsin⁡0+H(x)cos⁡x=H(x)cos⁡x. f'_\bullet=\delta\sin0+H(x)\cos x=H(x)\cos x.

7.3 #

求

f(x)={x2,∣x∣≤1,0,∣x∣>1 f(x)=\begin{cases}x^2,& |x|\le1,\\ 0,& |x|>1\end{cases}

的广义导数 f∙′f'_\bullet.

证明

区间内经典导数为 2x2x。端点跳跃

[f]x=−1=1,[f]x=1=−1. [f]_{x=-1}=1,\qquad [f]_{x=1}=-1.

故

f∙′(x)=2x χ(−1,1)(x)+δ(x+1)−δ(x−1)=2x [H(x+1)−H(x−1)]+δ(x+1)−δ(x−1). f'_\bullet(x)=2x\,\chi_{(-1,1)}(x)+\delta(x+1)-\delta(x-1) =2x\,[H(x+1)-H(x-1)]+\delta(x+1)-\delta(x-1).

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