数学物理方法 / 数学物理方程篇
数学物理方程篇·第二章学习讲义
分离变量法
边界筛选空间谱 → 初值投影 → 圆域调和 → 带权展开 → 非齐次模态与提升。按教材顺序展开概念、例题、证明主线与解题条件;每章附原书习题路线和自编检查题。
严镇军教材配套讲读教材237—271页28道自编检查题离线SVG公式与图解
这一章的核心只有一条主线:让边界挑出允许的空间形状,再用初始数据或外力决定每种形状占多少。 你最后需要能自己写出完整解题过程,而不只是认得一条无穷级数。
对应严镇军教材印刷页237—271,扫描PDF第243—277页。按原书2.1有限弦、2.2圆域拉普拉斯、2.3施图姆—刘维尔理论及应用、2.4非齐次问题的顺序讲解;为便于学习拆成十二节。正文237—268页上部,习题268—271页。讲义重新组织语言与推导,不逐字复制教材。
第一轮必须做到:能从齐次边界求特征值;知道正弦、余弦、半整数频率分别从哪里来;把初位移和初速度投影到同一组特征函数;分清波动的振荡与热传导的衰减;圆内解会删掉奇异径向项;非齐次边界先提升,非齐次方程按模态求受迫常微分方程。带权正交、零特征值、共振和收敛条件,是防止套错公式的保障。
推荐三轮:先学2.1—2.3的基本题;再学2.4—2.6理解为什么能这样展开;最后学2.7—2.9处理有源和非齐次边界。2.10给出原书全部12题各小题的路线,2.12另有28道自编检查题及完整解析。两套题分开编号。
学习顺序:先跟着例题写关键步骤,再独立完成检查题,最后按习题路线回到原书。证明段落均说明用途,不要求第一轮逐行背诵。
数学物理方程篇·第二章 / 2.1
从边界条件开始分离变量
教材237—239页
2.1 · 教材237—239页
01 把长推导拆成五个必须完成的任务
面对或,别先背最后答案。按下面五步写:①检查并齐次化边界;②设乘积解;③解空间特征值问题;④叠加允许的模态;⑤代入初始条件求系数。最后把方程、边界、初值逐项检查。
“分离”只产生特殊解;“叠加+展开”才让它适应一般初始数据。绝大多数初始形状不是一条正弦,所以一个通常不够。
图 P2-1 先处理边界,再由初值确定各个模态的系数读图顺序:上排从左向右,下排从右向左;不要越过空间特征值问题直接抄级数。
必须掌握的程度: 看到一道题,先圈出方程、区间、两端边界、初始数据。能判断它属于波动、热传导还是稳态问题,才进入计算。
2.1 · 教材237—239页
02 固定端弦:为什么要先假设乘积
原书2.1研究
设非零特殊解,代入得到。在能除的地方,
左边只依赖,右边只依赖,在乘积区域内恒等,只能都是同一个常数。得到
负号是方便的约定,不是证明。 换另一种符号也能做,只要后面一致。某些点为零并不意味着乘积法失效;推导后验证所得函数满足原方程,不能把“除以零”当成额外解。
2.1 · 教材237—239页
03 边界只限制空间因子:必须保留非零解
由,若不是恒零函数,就有。因此先解
这叫特征值问题,教材也称固有值问题。允许非零解的叫特征值,相应叫特征函数。对任何都成立,但它给出的恒零,无法筛选参数,所以必须排除。
“边界条件决定特征值”意味着方程和边界一起决定;只看,任何都有解,还谈不上离散频谱。
2.1 · 教材237—239页
04 把λ的三种符号算一遍,后面才有资格省略
时,,两端为零迫使。
时,。左端得,右端得,仍只剩零解。
时,。左端得;为使,右端要求。于是
在这组正弦里只是零函数,不能当作一个模态。负整数给同一特征函数的倍数,不必重复列出。
图 P2-2 固定端只允许区间内恰好容纳整数个半波正弦波数不是任意选取;要求右端同时为零,把连续参数筛成nπ/l。
2.1 · 教材237—239页
05 四种常见端点组合,别把所有题都写成正弦
下面均指,;D表示,N表示。
| 左右端点 |
特征函数 |
特征值及编号 |
| D—D |
|
, |
| N—N |
, |
及, |
| D—N |
|
, |
| N—D |
|
同上, |
表不是凭记忆选的:把代入两个端点,一两行就可重建。N—N的常数模态对绝热杆平均温度、自由端弦整体平移都很重要,不能丢掉。
图 P2-3 端点类型改变空间形状与允许频率图示最低固定端模态;n=0不是非零特征函数。
数学物理方程篇·第二章 / 2.2
用初始数据确定有限弦的运动
教材239—242页
2.2 · 教材239—242页
06 时间方程给频率,初值给振幅
对固定端第个模态,令、。时间方程为,因此
代入:。求一次时间导数再令:。所以
初速度系数必须除以。 你也可以记,把时间因子写成,这样更不容易漏。
2.2 · 教材239—242页
07 系数公式就是正交投影,把积分算出来看
正弦在上满足
例如,两边乘再积分,其余项消失,只剩,于是得到系数。正交性让无穷多个未知系数彼此分开。
这和向量在互相垂直的坐标轴上投影是同一思路。后面有权时,积分改成;如果特征函数没归一化,分母要保留模平方。不能把每一道题的系数都写成。
2.2 · 教材239—242页
08 完整小例题:初位移和初速度各激发什么
设、。根本不必做积分:它们已经是特征函数展开。初位移只激发第一模态,初速度只激发第二模态,
检查:第一项初速度为零;第二项在位移为零,时间导数系数是;两项在端点都为零。这样查一遍,比盯着整条级数看更有效。
图 P2-4 模态的节点固定,高阶模态有更多内部节点空间形状sin(1πx/l),角频率为1πa/l;端点节点不计入内部节点数。
2.2 · 教材239—242页
09 抛物线初形状:把教材习题3完整走通
弦端固定,初速度零,初形状顶点为,故。分部积分两次可得
因此
中点对称使偶数模态系数为零。衰减意味着少数低频就能较好近似形状,但精确初值仍由无穷级数表达。
图 P2-5 抛物线初形状由奇数正弦模态逐步拼成当前保留n=1。偶数模态因对称性没有被激发。
2.2 · 教材239—242页
10 驻波与行波怎样联系,哪些物理量要会算
单个固定端模态是驻波:的节点位置固定,时间因子只改变幅度与符号。内部有个节点,允许波长为,角频率,普通频率为
时,基频。别把角频率和赫兹频率混用。恒等式说明驻波也可看成两个反向行波的叠加。
图 P2-6 驻波只改变幅度和符号,节点不移动当前cos(ωt)=1.00;节点始终固定。
相位表达中,相位需兼顾象限,可用。第一轮会算频率、节点、两个初始系数即可,不必把相位公式当主线背诵。
2.2 · 教材239—242页
11 形式级数何时真是解,端点不相容怎么办
每一项满足方程,不自动保证无穷和可以逐项求两次导数。教材给出足够光滑、并与固定端相容的一组条件来保证经典解;实际做题应区分:先构造级数,再根据数据光滑性说明收敛及求导是否合法。
本章大部分练习,写出特征展开并验证条件是主要训练。对于分段光滑初值,初始级数在内部连续点恢复函数,在跳跃处一般恢复左右极限平均;不能声称处处一致收敛、每处都满足经典导数。
如果而右端要求固定,则光滑解在角点不能同时满足和该初速度。仍可在适当较弱意义下讨论内部级数解,但要指出角点问题。讲这里是为了防止“公式算出了,所以一定处处光滑”的误判;第一轮不要求证明泛函分析结论。
数学物理方程篇·第二章 / 2.3
圆域中的拉普拉斯方程
教材242—245页
2.3 · 教材242—245页
12 极坐标把圆周边界变成r等于常数
在二维极坐标,
设,乘得
完整圆周要求及导数周期匹配。允许,。给常数,给。角向同一个特征值有两个独立函数,这是周期边界下可能出现重特征值的具体例子。
图 P2-7 角向周期条件只允许整数圈频率图左用极径起伏表示角函数,不是温度等值线;图右为角函数值随θ的变化。
2.3 · 教材242—245页
13 径向欧拉方程:圆内、圆环、圆外保留项不同
时试,得到,所以。时由得。
因而环域中的展开应写成
余弦与正弦的径向系数要独立;不能误用同一组去限制一般解。
| 区域与附加要求 |
处理原则 |
| 圆内且原点有界 |
删与全部 |
| 圆环 |
原点不在区域,正负幂与对数通常都留 |
| 圆外且无穷远有界 |
删、,常数可留 |
| 圆外且无穷远趋零 |
常数也删;边界平均值还要相容 |
图 P2-8 圆内要排除原点奇异项,圆环保留正负幂不要把圆内的删项规则套到圆环;也不要把圆外有界与圆外趋零混为一谈。
2.3 · 教材242—245页
14 圆内狄利克雷问题:角傅里叶系数乘径向因子
要求、、且原点有界。先展开
其中也用上式余弦公式取。那么
例如边界,解为。越靠中心,高角频率衰减越快;中心值是边界平均值。
2.3 · 教材242—245页
15 泊松公式是同一串级数的紧凑写法
令。利用几何级数可以求和:
把傅里叶系数代回上节解式,合并余弦差角,得到
核在时为正,总积分为。所以圆内温度是边界温度的加权平均;时权重均匀,靠近边界时集中到附近角度。本章的泊松积分公式解拉普拉斯方程,不要和非齐次的泊松方程混为一谈。
图 P2-9 越接近边界,泊松核的权重越集中于附近角度中心的权重均匀;此时u(0)就是边界平均值。
做题时边界只有几个三角项就直接写有限和;边界复杂、要研究平均和极限时才用积分式。第一轮理解核从级数求和而来即可,复杂积分不必强行算闭式。
2.3 · 教材242—245页
16 圆环和扇形:同一方法怎样改
圆环常数边界、只含角向零模态,所以
圆环非恒定边界,则每个分别解正负幂系数的二元方程。不要套圆内公式删掉负幂。
扇形、两直边时,角向问题改成,得到及径向幂。圆弧给,则
这一节直接服务原书习题4、5(6)(7)、8。直边的条件替代整圆周期条件,所以角频率不必是整数。
数学物理方程篇·第二章 / 2.4
施图姆—刘维尔理论怎样用于计算
教材245—249页
2.4 · 教材245—249页
17 为什么需要一般理论:空间方程未必是正弦方程
变系数、径向坐标、换热边界会给出其他空间方程。原书把时间和空间算子分开,写作。代入,同样能得到两个常微分方程;但空间方程可能是
理论的作用是告诉我们:在适当条件下,仍可用特征函数展开,且能用正交投影求系数。不需要每个特征值都能用初等公式表示,数值求根也能继续解题。
本节记号表示展开的权函数,不必是物理密度。看清定义,别因前章用过密度符号就混用单位。
2.4 · 教材245—249页
18 化成自伴形式:把一阶导数装进一个乘积导数
希望写成
对上节方程,取
在的设定下,乘原式以就得到。检查,才能确认没有乘错。
若原式为,则权应为,不是一律。允许选择公共正常数倍,不改变系数投影的结果。
原书用表示这里的,用表示权;这里只换以免与波数混淆。 正则问题通常要求在闭区间为正、系数足够连续,加自伴边界。奇异端点需要额外判断,不能把正则结论原封不动推广。
2.4 · 教材245—249页
19 两个变系数例子:权不是装饰
例一:,。取,则,于是
两特征函数相乘后再乘权,指数恰好消掉,恢复正弦的正交性。若漏权,通常不正交。
例二(原书例2):,,两端零。乘,得到,所以、、。再令,方程成为,。因此
2.4 · 教材245—249页
20 自伴边界与奇异端点:需要会判断到什么程度
常见分离边界可写为、,,以及D或N端点。符号来自外法向:左负右正。周期边界需要函数及通量匹配;若,可写成、。
径向方程如在是奇异的。圆内的有界性排除或,相当于从物理区域选择允许分支;不是在原点随手再加一个任意的。角向零模态的圆内常数解明明可以非零。
正则理论的离散谱、展开性质很实用;奇异问题要结合具体方程、端点行为和选定函数空间。原书的自然边界介绍在这里先理解成“保留物理允许的分支”,一般奇异谱论可暂缓。本章会给径向例子,下一章再系统学习特殊函数。
数学物理方程篇·第二章 / 2.5
正交性零模态与展开条件
教材249—253页
2.5 · 教材249—253页
21 正交性的证明只抓住一个消去动作
设满足。把第式乘,第式乘,相减并积分,得到
自伴边界使右边为零。若,便有。同一特征值下多个独立函数不由这一步自动正交;例如圆周的需要另外选正交基。
为什么讲证明: 它直接告诉你权从哪里来、为什么边界需要相同、为什么不同特征值的项能在积分中消失。掌握“交叉相乘、相减、分部积分、边界项为零”即可,不要求背每行下标。
图 P2-10 乘权以后才得到互不干扰的正交投影只有特征函数模平方恰好等于l/2时,通用系数公式才化成2/l乘积分。
2.5 · 教材249—253页
22 非负性有条件,零特征值要单独处理
方程乘后积分:
若、,边界是D、N或具有上述非负换热系数的Robin条件,则右边非负。Robin边界贡献为。所以。
若,所有非负项均为零。故为常数;要有非零常数,须,并且没有迫使常数为零的D端点或正Robin系数。N—N或合适周期边界常有零模态。
“一切施图姆—刘维尔特征值都非负”是错误的。 若为负或边界系数改变符号,可能有负特征值。本章物理题的非负性来自这些具体假设。
2.5 · 教材249—253页
23 通用系数公式与两类时间演化
定义带权内积、模平方。展开系数为
若空间算子满足,则的正特征值模态为;的模态为。
时,波动时间方程是,解为;热方程是,解为常数。含的公式不能直接代零;必须回到时间方程。
2.5 · 教材249—253页
24 原书Neumann例题:在负l到l上不要漏一半频率
对、、,最简写法是平移到:
其中给常数。若只写,会漏掉在对称区间上的奇函数模态。教材用行列式算出相同结果,提醒我们区间长度是,不能看到字母就套长度的频率。
2.5 · 教材249—253页
25 完备性与收敛:知道用途即可,别在这里卡死
正交只说明不同模态互不干扰,完备才保证它们足够表示所需数据。正则自伴问题有离散实特征值,特征函数可组成适合的完备系统。通常至少可在带权平方可积意义下理解展开;要逐点、一致或逐项求导,则需额外光滑性与边界相容条件。
原书给出较光滑且满足边界条件的函数展开情形;你做题应明确正在使用哪一级结论。不能把一般函数的展开都说成一致收敛,也不能从“展开成立”立刻推出任意次数逐项求导合法。
第一轮的掌握线: 会识别权、算模平方、求系数、处理零模态,并对明显的端点不相容作说明。谱定理的完整证明暂缓,因为它不是本章基本计算题的必要步骤。
数学物理方程篇·第二章 / 2.6
换热杆与长方体中的应用
教材254—258页
2.6 · 教材254—258页
26 一端绝热一端换热:根由超越方程决定
原书例3:,、,,。这里已经包含导热系数的归一化,单位是长度的倒数。
空间解,绝热端给,右端给
对,无零模态;第个正根,。用连续行列式检查,比随意除以更稳妥。此例确实不允许,才可用正切形式。
图 P2-11 换热边界的频率由z·tan z与hl的交点确定当前hl=0.3,首根在(0,π/2),下一根在(π,3π/2)。每一根都在正切的极点左侧。
2.6 · 教材254—258页
27 Robin系数的模平方要算,长期由最小根控制
令,特征函数。模平方
最后一步用了。解为
对足够好的初值,所有温度模态衰减,长期趋零;最小根决定最慢衰减。时出现接近零的根,恢复两端绝热的平均温度模态;时根趋向,趋近右端固定零温度的混合边界谱。不能把有限的特征函数直接换成整数余弦。
图 P2-12 热方程高频衰减更快,绝热平均值保持当前高频系数=0.6000,低频系数=1.0000,总热量保持为2π。
2.6 · 教材254—258页
28 绝热杆:热量不丢失,常数模态不会衰减
对,,初温,解为
积分方程也可直接看出。长期趋于初温平均值,不是零。若只背而忘记,就会得到与守恒矛盾的结论。
2.6 · 教材254—258页
29 三维长方体电势:分离后出现双重级数
原书例4:于,除顶面外五面零电势,顶面。设,横向两组固定零边界给
,底面,用归一化因子最省事。因此
这里是空间,不是时间,故双曲正弦没有热衰减的含义。顶面边缘若和其余面数据不相容,需注意棱边处的连续性。
图 P2-13 两个横向正弦相乘,第三方向用双曲正弦匹配顶面顶面网格只表示双变量边界数据;每个横向模态各有一个归一化的竖向因子。
2.6 · 教材254—258页
30 矩形膜和二维热方程:只更换时间方程
矩形四边固定零,空间函数同样是正弦乘积,特征值。
波动问题每项时间因子为;热问题每项为。系数投影都用的双积分。
一个空间谱可以服务不同物理方程,时间行为由原来的时间导数决定。 这一步直接覆盖原书习题12(2)(3),无需从头背两套互不相关的公式。
数学物理方程篇·第二章 / 2.7
齐次边界下的非齐次方程
教材259—263页
2.7 · 教材259—263页
31 有源项也要展开到同一组空间函数
固定端受迫波动,令
代入并利用投影,得到独立的受迫振子
空间部分不变;非齐次项改变的是时间方程。把直接当成一个常数塞进最终级数,会忽略其空间分布如何激发不同模态。
图 P2-14 外力先按空间投影,每个模态各解一个受迫振子此图针对线性、齐次边界问题;非零边界应先提升,再把新的源投影。
2.7 · 教材259—263页
32 每个模态用卷积解决,和前面拉普拉斯变换接上
对,由常微分方程或拉普拉斯变换得
最后一项就是零初值受迫响应。第七章的反演成,卷积定理在这里直接派上用场;不必每个模态都重新做部分分式。
热方程、齐次D边界对应
若空间零模态存在,波动核改成,热核改成,仍从相应常微分方程推出。
2.7 · 教材259—263页
33 原书热源例题:两个指数相等时必须取极限
原书例2:,两端零,初温零。因为
有。记,则
最后乘求和。教材为书写方便排除了相等情形;相等不是无解,而是积分给。遇到分母为零,先回到卷积或取极限,别直接宣布公式失效就无解。
2.7 · 教材259—263页
34 外力频率碰到固有频率:共振怎样进入答案
若一个零初值模态满足,则
时,应改为,振幅随时间线性增大。它依然是线性方程的解,不代表可以把小振幅物理假设无限期使用。
图 P2-15 驱动频率等于固有频率时,振幅出现随时间增长的包络分母ω²-Ω²为零时,回到时间方程求共振响应;无阻尼模型中振幅可持续增长。
本节是对教材非齐次模态法的必要补充:教材有时预先声明频率不相等,实际做题要自己检查这个限制。第一轮至少会识别共振并回到时间方程,不能保留零分母。
2.7 · 教材259—263页
35 时间无关的源:先求稳态特解往往更快
对或,且两端齐次,可以先求满足相同边界的静态解:热问题,波动问题。令后,的方程和边界齐次,初位移或初温改为原数据减。
例如,两端零,热稳态。初温为零时;不是零。长期。
齐次边界很关键:如果只是方程特解,却不满足边界,则还要同步改边界。选择特解是为简化整体定解问题,不能只盯着方程一项。
数学物理方程篇·第二章 / 2.8
非齐次边界怎样化成齐次边界
教材263—265页
2.8 · 教材263—265页
36 提升函数不唯一,但新方程和新初值必须一起改
对,、,选
则两端为零,但
线性提升有。热问题相应为、。
不是把边界的非零函数删掉,而是用已知把它承担起来。 若是非零导数或Robin条件,也应选能满足这些边界算子的,不能机械套上面的线性插值。
图 P2-16 已知提升承担非零边界,余项改为齐次边界绿色函数右端非零;橙色直线承担相同端点值;蓝色差函数在两端都为零。
2.8 · 教材263—265页
37 右端正弦驱动:最通用的提升始终能用
原书例3:固定左端,右端,弦初始静止,内部无外力。取,于是
之后用上节受迫模态公式即可。这个提升对共振频率也能构造;难点在后续时间方程,不在提升本身。
原题的右端驱动导数为,却给弦初速度零,所以角点不满足一阶相容条件。教材仍作内部级数构造;讲义据此明确:不能宣称在闭时空区域处处光滑满足所有导数条件。
2.8 · 教材263—265页
38 特别选一个满足方程的提升,可以少算一层受迫项
若,可取
它同时满足波动方程和两端给定位移。于是满足齐次波动方程、齐次边界,初位移零、初速度。直接投影后
总解为。当是整数倍时,这种“纯周期提升”不存在,不能继续使用;回到上一种线性提升及受迫模态法,便能处理共振。某个便捷特解不存在,不等于原初边值问题无解。
2.8 · 教材263—265页
39 非零热边界的完整例子:长期值来自稳态
设,、,初温。取,满足稳态和边界;故
若初温处处零,且,则,所以。趋于线性温度,不是零;初时边界角点有突变,需按内部初值理解。
数学物理方程篇·第二章 / 2.9
泊松方程与圆环完整例题
教材266—268页
2.9 · 教材266—268页
40 先消去源,再解拉普拉斯边值问题
设、边界算子。先找任意特解使,再令,则
多项式源常可待定系数:在二维可取;可取,因为。
特解不唯一,差一个调和函数仍可;只要新边界正确,总解相同。对于非零法向导数,是导数,不能误写成本身。
2.9 · 教材266—268页
41 原书圆环例题:边界变换的每一步都写出来
原题为,
外圆外法向是,所以此处。取、,得
边界只含常数和二阶余弦,因此无需写所有角频率。设
零阶给、,所以。二阶给
图 P2-17 圆环:内圆给函数值,外圆给径向导数圆环内原点被挖去,余项可含r²与r⁻²;边界只含常数和cos2θ,无需保留全部角频率。
2.9 · 教材266—268页
42 解出两个系数,并用边界反查
解上一组方程,记,有
故
验算三件事:①调和,源只来自;②括号在为零;③径向导数在为零。三个检查比重新读整段推导更能发现符号错误。
本题把原书2.2的圆环通解与2.4的齐次化接到一起。第一轮必须理解“特解改了边界”;两个系数的繁琐代数可按联立方程现场算,不必背最终分式。
数学物理方程篇·第二章 / 2.10
原书全部习题的路线与关键结果
教材268—271页
2.10 · 教材268—271页
43 习题1—2:空间特征值问题
题1(1) :余弦半整数谱,、。题1(2) :用求正根。题1(3) 左、右,:
这条方程只在使用;需单独代回,不能把消分母后出现的零当特征根。
题2(1) 就是2.4节的漂移例题:、、权。题2(2) 三维径向:令,有,有界性对应,给,,原点取极限;权。题2(3) 、两端:分部积分两次得,所以、。这里的负号尤其容易被“特征值总非负”的错误记忆覆盖。
2.10 · 教材268—271页
44 习题3—4:弦初形与圆内有限角频率
题3 抛物线初形、零初速,已在2.2完整求解。检查偶数系数为零,奇数系数。
题4 圆狄利克雷问题,边界各小题对应:
| 原书小题 |
圆内解 |
| (1) 常数 |
|
| (2) |
|
| (3) |
,因为调和 |
| (4) |
|
| (5) |
|
先做三角恒等变形,把边界拆为角频率;不要把直接替换成后任意猜一个非调和函数。
2.10 · 教材268—271页
45 习题5:七种边界与方程变化分别动哪一步
(1) 左D右N波动,。取、。初速系数,答案为,。
(2) 两端零热传导,初温:系数,时间因子。
(3) 阻尼弦,原书保证全部欠阻尼。空间仍为整数正弦;,
初速度里会多出,不能仅给无阻尼答案乘。
(4) 一端N、一端正Robin的波动:空间谱用2.6的根,时间改为;系数分母仍是。
(5) 圆内,原书。若,则
题设确保分母不零。特别时,。
(6) 圆环常数边界:。(7) 扇形:用2.3节角正弦和公式。
2.10 · 教材268—271页
46 习题6—9:守恒奇异端点与高阶方程
题6 长绝热杆初温为中心宽、高的矩形,总积分为1。解为
这里用了原来长度的偶数余弦模态,奇数模态系数零。长期趋。时每项系数趋;对形成集中初热量的平滑解,不能说初温函数一致趋于一个有限普通函数。
题7(1) 球内径向热传导:令,则,,初值,最后除以并在原点取极限。题7(2) 梁振动、两端:空间,角频率,并非;初位移的系数同题5(2)。
题8 半圆板,直径零温、圆弧:角向正弦,只有奇数模态,系数,乘。
题9 ,要求时解趋零。分离后可取,。此题没有给完整定解条件,只求满足衰减条件的乘积解;不应虚构一组有限区间离散谱。
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47 习题10:非齐次问题先画出提升后的数据
(1) 左端恒温、右端绝热:稳态,余项左D右N,初温,用半整数正弦。
(2) 左端零温、右端,初温常数:稳态,余项左D右N,初温。长期趋;正负来自题设导数,不能临时把解释成另一个方向。
(3) 题中方程为,即。可取两端为零的稳态
余项初温为,按整数正弦衰减。注意源的因子,不能漏。
(4) 外力的固定端弦:
(5) ,左位移零、右斜率,初形、初速零:取满足稳态和边界;余项左D右N、初形。
(6) 圆内、圆周常数(将原书两个常数改记以免与半径混淆):
因为,而调和。
2.10 · 教材268—271页
48 习题11—12:圆环零模态与矩形双重展开
题11 、、边界常数数据,先取,余项只需。所以通解。两端给温度时联立两个值;外圆给时,用,再由内圆温度定。
题12(1) 矩形泊松问题四边非零:先取关于线性的提升,先消去左右边界;余项源变为,上下边界也减。可以再提升上下边界(需角点相容),或将余项分成有源零边界和两条单边非零的调和问题,分别展开。原书提示的“”中可以依赖,不能误当两常数来拟合任意。
题12(2) 矩形膜,初形、初速零。双正弦系数
时间因子。题12(3) 矩形热传导初温任意:同一空间基,用;投影系数见2.6。
数学物理方程篇·第二章 / 2.11
做题顺序公式速查与掌握标准
全章237—271页
2.11 · 全章237—271页
49 先选空间基,再选时间方程
| 题目特征 |
先做什么 |
最容易错在哪里 |
| 有限区间两端零值 |
整数正弦谱 |
初速度忘除频率 |
| 两端零导数 |
常数+整数余弦谱 |
丢掉平均值零模态 |
| 一端值一端导数 |
半整数谱 |
抄成整数频率 |
| 正Robin边界 |
列连续特征方程、求根 |
用错模平方或除出假根 |
| 变系数空间方程 |
先转自伴,确定权 |
不带权投影 |
| 圆内调和 |
角傅里叶、正径向幂 |
保留原点奇异项 |
| 圆环调和 |
正负径向幂及对数 |
删掉区域内合法的负幂 |
| 非零边界 |
构造提升 |
漏改源、初值、导数初值 |
| 齐次边界有外力 |
展开外力、解模态ODE |
漏共振或零模态 |
图 P2-18 先看区域和边界选空间基,再按时间方程选演化表中的每一格都对应正文的一套可执行步骤;先辨认题型,再算系数。
2.11 · 全章237—271页
50 交卷前用四个问题验答案
①每个空间函数是否满足同一组齐次边界?②每个时间因子是否满足由原方程得到的ODE?③的位移和时间导数是否分别还原给定数据?④非齐次时,补回提升后是否恢复原方程和原边界?
再查三种特殊情况:零特征值、分母为零、角点不相容。长期极限可额外用守恒或稳态校验;例如两端绝热不能把总热量凭空衰减没了。
学到什么程度才可以往下走: 独立完成后面练习1—12,说明你掌握主干;能完成13—22,说明会处理权、Robin和非齐次;23—28用于连接原书综合题。完整谱定理证明、一般奇异端点分类可以暂缓,但不要跳过其适用条件。
数学物理方程篇·第二章 / 2.12
二十八道自编检查题与完整解析
独立编号不对应原书题号
2.12 · 独立编号不对应原书题号 · 自编检查题
练习1 分离时为什么是常数
设满足,写出分离后的两条ODE,并说明常数符号的作用。
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代入,得,故、。左右分别只依赖时间和空间,在乘积区域恒等因而为常数。选负号使常见边界的正特征值对应三角空间函数及热衰减,符号约定本身不代替谱的求解。
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练习2 固定端谱要排除零解
求、的全部特征值和特征函数。
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时线性函数两端零,只得零解;时双曲函数也只剩零解;时,要求且。故。的正弦是零函数,不能列入。
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练习3 混合端点改变频率
求、的谱。
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负值和零值均只给零解。正值时,,所以、。特征值,特征函数。区间右端不是零位移,不能用。
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练习4 初位移和初速度分别代入
解,,两端固定,、。
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。位移给;速度给。因此。对最后一项求导数并令零,得到,检查通过。
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练习5 抛物线的正弦系数
求在的正弦系数,并写出它作为零初速度固定端弦初形时的解,波速。
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,偶数为零、奇数为。故。它的中点高度是,不能把顶点高度的系数误抄过来。
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练习6 两个模态的节点与普通频率
长度、波速的固定端弦,第3模态内部节点在哪,角频率和普通频率分别多少?
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,节点,内部两个节点。,普通频率。若长度和速度分别以米、米每秒计,普通频率单位为Hz。
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练习7 热方程不是余弦时间因子
解,,两端零温,初温。
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,因为特征值分别为1、16,衰减率为。若写,就误用了二阶时间波动方程。长期趋零。
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练习8 绝热杆的长期平均值
解,,,初温。
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练习9 零模态的波动行为
解,两端零斜率,初位移恒为3,初速度恒为2。
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只激发空间常数模态。其时间方程,由初值得。不能把零频率强代进而留下未定义的分式;也可用其极限,但应说明。
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练习10 圆内调和的有限和
半径圆内有界调和函数,边界为,求解及中心值。
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。在恢复边界,各项调和;中心值1,是边界平均值。不能把直接乘4而不除半径平方。
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练习11 圆环为什么需要对数
求、,、的径向解。
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径向方程,所以。由得,由得,故。原点不在区域内,不能因对数在原点发散而删掉它。
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练习12 扇形角频率
四分之一圆,两直边零值,圆弧值,求原点有界调和解。
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角向允许,故给定边界是和两个模态。对应径向正幂,所以。原点有界、两条直边零、外弧恢复数据。
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练习13 指数权必须放进系数公式
求、、两端零的谱和权;展开。
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令,得到。所以,权。,投影。这已经是一项展开,漏权将破坏正交筛选。
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练习14 对数坐标与带权模平方
求于、两端零的谱,及,取权。
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令,区间长度为2,方程。故、。。别把原书的频率直接照搬。
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练习15 Robin根与模平方
求、、的根方程、首根所在区间及模平方表达。
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,。首根位于,约。。。零值时,左端给、右端给,所以零不是特征值。
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练习16 周期边界可以有重特征值
求、的实谱,并说明正交性证明的限制。
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对应常数;、对应两个独立函数。不同特征值由自伴恒等式保证正交;同一特征值的正交不能仅从那一步推出。这一对可直接积分验证正交,也可在重特征空间内选正交基。
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练习17 稳定受迫热模态
解,,两端零、初温零。
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练习18 两个指数相等
把上一题的源改为,求解,解释为何不能保留零分母。
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方程,积分因子给,故,。一般指数差商在参数相等时的极限正是这个式子,原问题并无奇异。
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练习19 波动共振
解,,两端固定且零初值。
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,,共振频率。零初值解,因此。检查;若写成除以的分式,就是未处理共振。
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练习20 常热源的稳态与余项
解,,两端零、初温零,给出稳态和级数解。
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稳态满足。令,则、两端零、。故
长期趋。稳态虽不满足初值,余项正是用来补齐初值的。
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练习21 时间边界提升要改哪些数据
设、左端零、右端,原初值。取,完整写出的问题。
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边界、源、两条初值都要处理。若,新源为,初速减,符号与正文一致。
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练习22 非零恒温边界
解、,,初温。
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取稳态,余项初温,所以。长期趋。原初温已经在两端匹配,角点没有值的冲突。
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练习23 泊松圆内问题
求单位圆内、边界的有界解。
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取,有。余项边界为,故,总解。边界为,其中二阶角模态调和。
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练习24 圆环常源加混合边界
求、、的径向解。
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练习25 长方体只给一个横向模态
单位立方体内调和,除顶面外五面为零,顶面为,求解。
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横向,。因此
横向拉普拉斯给,二阶导给,合为零。和四侧为零,顶面恢复给定值。
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练习26 矩形膜的频率不是两个频率相加
解于,四边固定,初形、初速零。
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特征值,角频率,故。两个方向的波数先平方相加再开方,不是。
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练习27 阻尼模态的初速度
解,,指出直接给无阻尼解乘为何不对。
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特征根,所以。,,得。答案。多出的衰减因子求导会贡献,因此初速度对应的正弦系数必须修正。
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练习28 球内径向特征函数在原点不必为零
求、、、在原点有界的谱及权。
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令,方程化为。有界性给,外边界。所以、,原点以极限定义,而非零。自伴形式的权为,模平方。奇异的是表达式的表面形式,允许分支在原点的极限有限。