数学物理方程篇·第一章 / 1.7
达朗贝尔公式与广义解
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26 从两个任意函数,解出给定初值
全直线齐次波动初值问题为、、。先写
在代入:
第二式积分后与第一式联立,可解出;两个积分常数在它们相加时抵消。最终
这就是达朗贝尔公式。第一项来自初位移,第二项来自初速度;不必每题重做求,但应能从这两条初值方程推回公式。
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27 公式怎么用:先分位移和速度两项
例:,。位移项是
速度项为,所以。检查,且。
若初速度为0,初位移的形状等分为两个幅度为一半、向相反方向传播的波;若初位移为0,不能只说“分成两个原图”,还要按积分计算速度产生的位移。
图 P1-11 初速度为零:初位移分成两份半幅波灰线为原初位移,两条彩色分量各为半幅;重叠时要相加,不能把两条线当成两个解的备选。
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28 依赖区间与有限传播速度
从公式可看出处的解只需要初始区间上的数据。该区间之外修改初值,在这一时刻还不能影响该点。
这就是有限传播速度。沿、的两族直线是特征线,时空图中的三角形就是依赖域。
适用范围必须记: 公式直接针对全直线初值问题。有限弦有端点,波到达端点后发生反射;若不先作正确延拓或处理边界,不能把同一个公式无条件用于所有时间。
图 P1-12 当前点只依赖初始线上有限的一段数据两条特征线分别为x-at和x+at常数;初始数据只在底部有限区间内起作用。
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29 验证公式:不只要有结果,还要确实满足条件
当时,对公式求导。积分端点依赖,因此
再求一次时间导数,与比较,恰好相等。时积分区间缩为一点,直接得到、。
原书把求解分为分析、验证、解释三步:先构造候选函数,再说明可微且满足方程条件,最后解释左右行波。第一轮不必每题写满所有导数,但遇到不光滑数据就必须知道经典验证在哪一步失效。
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30 星号广义解:折角还在,波仍然有意义
三角形初位移在顶点有折角,可能没有连续二阶导数,达朗贝尔表达式却仍能算出连续的传播图。
原书的做法是把连续初值用更光滑的一致逼近,得到经典解。利用1.6的稳定估计,在有限的相关时空区域,一致趋于同一个由公式给出的,把这个极限叫本章连续函数类中的广义解。
这不表示极限函数突然有了处处二阶偏导数。它说明可通过平滑近似得到稳定的物理波形;也可进一步用分布或弱积分公式刻画,但本章不要求建立整套理论。
为什么要讲?因为原书拨弦题的三角初位移正好不处处光滑。第一轮需要知道“分段或折角数据仍可用适当广义解释”,不必背逼近定理的完整证明。