数学 / 偏微分方程 热方程 混合问题 与波动方程的区别在于此时 对应的 ODE 是一阶的, 故解是指数函数而不是三角函数。 约 2 分钟阅读 偏微分方程热方程 本页目录 2 节混合问题题目 混合问题 # 与波动方程的区别在于此时 TTT 对应的 ODE 是一阶的, 故解是指数函数而不是三角函数. 练习 题目 # 用分离变量法求解下列混合问题. (2){ut=a2uxx,0<x<π, t>0,u∣t=0=sinx,0⩽x⩽π,ux∣x=0=ux∣x=π=0,t>0. \text{(2)}\quad \begin{cases} u_t = a^2 u_{xx}, & 0 < x < \pi,\ t > 0, \\ u\big|_{t=0} = \sin x, & 0 \leqslant x \leqslant \pi, \\ u_x\big|_{x=0} = u_x\big|_{x=\pi} = 0, & t > 0. \end{cases} (2)⎩⎨⎧ut=a2uxx,ut=0=sinx,uxx=0=uxx=π=0,0<x<π, t>0,0⩽x⩽π,t>0. 答案 u(x,t)=2π+4π∑m=1∞11−4m2e−a2(2m)2tcos(2mx)u(x,t)=\frac{2}{\pi}+\frac{4}{\pi}\sum\limits_{m=1}^\infty \frac{1}{1-4m^2}e^{-a^2(2m)^2t}\cos(2mx)u(x,t)=π2+π4m=1∑∞1−4m21e−a2(2m)2tcos(2mx) 注意此时是以 {cosnx}\{\cos nx\}{cosnx} 作为正交基, 所以会有 n=0n=0n=0 的项. (3){ut=a2uxx,0<x<l, t>0,u∣t=0=x2(l−x),0⩽x⩽l,ux∣x=0=u∣x=l=0,t>0. \text{(3)}\quad \begin{cases} u_t = a^2 u_{xx}, & 0 < x < l,\ t > 0, \\ u\big|_{t=0} = x^2 (l - x), & 0 \leqslant x \leqslant l, \\ u_x\big|_{x=0} = u\big|_{x=l} = 0, & t > 0. \end{cases} (3)⎩⎨⎧ut=a2uxx,ut=0=x2(l−x),uxx=0=ux=l=0,0<x<l, t>0,0⩽x⩽l,t>0. 答案 该边值条件算出以 {cosμnx}\{\cos\mu_n x\}{cosμnx} 为基, 其中 μn=(2n+1)π2\mu_n=\frac{(2n+1)\pi}{2}μn=2(2n+1)π, 也有 (cosμnx,cosμnx)=l2(\cos\mu_n x,\cos\mu_n x)=\frac{l}{2}(cosμnx,cosμnx)=2l, 故展开的系数还是 2l\frac 2ll2. 且没有 n=0n=0n=0 的项. un(x,t)=∑n=1∞φne−(a(2n+1)π/(2l))2tcos(2n+1)π2lx,φn=(−1)n64(2n+1)πl3−192l3(2n+1)4π4u_n(x,t)=\sum\limits_{n=1}^\infty\varphi_n e^{-\left(a(2n+1)\pi/(2l)\right)^2t}\cos\frac{(2n+1)\pi}{2l}x,\quad \varphi_n=\frac{(-1)^n 64(2n+1)\pi l^3-192l^3}{(2n+1)^4\pi^4}un(x,t)=n=1∑∞φne−(a(2n+1)π/(2l))2tcos2l(2n+1)πx,φn=(2n+1)4π4(−1)n64(2n+1)πl3−192l3 (3)’{ut=a2uxx,0<x<l, t>0,u∣t=0=x2(l−x),0⩽x⩽l,u∣x=0=u∣x=l=0,t>0. \text{(3)'}\quad \begin{cases} u_t = a^2 u_{xx}, & 0 < x < l,\ t > 0, \\ u\big|_{t=0} = x^2 (l - x), & 0 \leqslant x \leqslant l, \\ u\big|_{x=0} = u\big|_{x=l} = 0, & t > 0. \end{cases} (3)’⎩⎨⎧ut=a2uxx,ut=0=x2(l−x),ux=0=ux=l=0,0<x<l, t>0,0⩽x⩽l,t>0. 答案 An={4l3n3π3,n∈odd−12l3n3π3,n∈evenA_n=\begin{cases} \dfrac{4l^3}{n^3\pi^3}, &n\in odd\\ -\dfrac{12l^3}{n^3\pi^3}, & n\in even \end{cases}An=⎩⎨⎧n3π34l3,−n3π312l3,n∈oddn∈even u(x,t)=∑n=1∞Ane−(anπl)2tsinnπlxu(x,t)=\sum\limits_{n=1}^\infty A_ne^{-\left(\frac{an\pi}{l}\right)^2t}\sin\frac{n\pi}{l}xu(x,t)=n=1∑∞Ane−(lanπ)2tsinlnπx (4){ut=a2uxx,0<x<l, t>0,u∣t=0=0,0⩽x⩽l,u∣x=0=0,u∣x=l=At,t>0. \text{(4)}\quad \begin{cases} u_t = a^2 u_{xx}, & 0 < x < l,\ t > 0, \\ u\big|_{t=0} = 0, & 0 \leqslant x \leqslant l, \\ u\big|_{x=0} = 0,\quad u\big|_{x=l} = At, & t > 0. \end{cases} (4)⎩⎨⎧ut=a2uxx,ut=0=0,ux=0=0,ux=l=At,0<x<l, t>0,0⩽x⩽l,t>0. 答案 设 u(x,t)=v(x,t)+φ(x,t)u(x,t)=v(x,t)+\varphi(x,t)u(x,t)=v(x,t)+φ(x,t), 其中 φ(x,t)=Atxl\varphi(x,t)=\frac{Atx}{l}φ(x,t)=lAtx, 从而 v(x,t)v(x,t)v(x,t) 在 x=lx=lx=l 边界上为 0. 解得 v(x,t)=∑n=1∞2Al2(−1)na2π3n3(1−e−(anπ/l)2t)sinnπlxv(x,t)=\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{2Al^2(-1)^n}{a^2\pi^3n^3}\left(1-e^{-\left(an\pi/l\right)^2 t}\right)\sin\frac{n\pi}{l}xv(x,t)=n=1∑∞a2π3n32Al2(−1)n(1−e−(anπ/l)2t)sinlnπx 故 u(x,t)=Atxl+v(x,t)u(x,t)=\frac{Atx}{l}+v(x,t)u(x,t)=lAtx+v(x,t) (6){ut−a2uxx=0,0<x<l, t>0,u∣t=0=0,0⩽x⩽l,ux∣x=0=0,ux∣x=l=q,t>0. \text{(6)}\quad \begin{cases} u_t - a^2 u_{xx} = 0, & 0 < x < l,\ t > 0, \\ u\big|_{t=0} = 0, & 0 \leqslant x \leqslant l, \\ u_x\big|_{x=0} = 0,\quad u_x\big|_{x=l} = q, & t > 0. \end{cases} (6)⎩⎨⎧ut−a2uxx=0,ut=0=0,uxx=0=0,uxx=l=q,0<x<l, t>0,0⩽x⩽l,t>0. 答案 设 u(x,t)=v(x,t)+φ(x,t)u(x,t)=v(x,t)+\varphi(x,t)u(x,t)=v(x,t)+φ(x,t), 其中 φ(x,t)=x2q2l\varphi(x,t)=\frac{x^2q}{2l}φ(x,t)=2lx2q, 从而 v(x,t)v(x,t)v(x,t) 在 x=lx=lx=l 边界上为 0. 解得 v(x,t)=a2qlt−ql6+∑n=1∞−2ql(−1)nn2π2e−(anπ/l)2tcosnπlxv(x,t)=\frac{a^2q}{l}t-\frac{ql}{6}+\sum\limits_{n=1}^\infty -\frac{2ql(-1)^n}{n^2\pi^2}e^{-\left(an\pi/l\right)^2t}\cos\frac{n\pi}{l}xv(x,t)=la2qt−6ql+n=1∑∞−n2π22ql(−1)ne−(anπ/l)2tcoslnπx 故 u(x,t)=v(x,t)+x2q2lu(x,t)=v(x,t)+\frac{x^2q}{2l}u(x,t)=v(x,t)+2lx2q. 上一节 · 偏微分方程极值原理下一节 · 偏微分方程基本解 讨论 评论 正在加载评论… 邮箱 获取验证码 验证码 验证 评论 提交评论 退出登录
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