数学物理方程篇·第一章 / 1.8
叠加原理特解与齐次化
教材228—234页
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31 有限叠加:方程和条件都要一起叠加
若,,都为线性算子,则
所以齐次问题的解可以任意线性组合;同一个非齐次问题的两个解相加,右端会加倍,通常不再是原问题的解。两个非齐次解之差满足齐次方程和齐次条件。
这条原理不只管PDE,还管初值、边界:固定初位移为时,把两个解相加初位移会变成。做题时应写明每个子问题分担哪一份数据。
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32 无穷叠加与积分叠加:为什么不能想加就加
后面的分离变量法会出现。若要把移到求和号内,必须保证相应偏导级数具有合适的收敛性;只有函数级数收敛,不自动保证可以逐项求二阶导。
连续参数的叠加同理:若只作用在变量上,且交换微分与参数积分合法,
这就是把离散的“很多个小响应相加”变成积分。第一轮要理解交换运算需要条件,实际计算先用教材允许的光滑、收敛情形;不必为每道入门题重证分析定理。
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33 原书泊松例题:先找一个特解
求。右端是二次多项式,二阶求导会降低次数,所以试四次多项式
代入得,比较系数可取
令,便有。因此一般写成“这个特解+任意调和函数”。在合适的单连通二维区域,实调和函数可写成某个解析函数的实部;局部也可用解析、反解析部分表达。
这里不要把任意复变量函数都当作解析函数,直接断言一定调和;需满足相应解析性要求。第一轮用“任意调和”最清楚。
如果原问题还给了边界,新边界是,不一定为0。把方程齐次化,不等于把全部条件都齐次化。
图 P1-13 减去特解使方程齐次,边界数据也必须随之改变减特解是一种数据分担;它改变边界和初值,不能自动使所有条件变成零。
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34 波动方程的齐次化:把连续外力分成每一刻的冲量
考虑零初值问题
其中只作用在空间变量上。固定一个过去时刻,令在满足
每一刻的外力作为一次初速度输入,再把全部过去时刻的响应相加:
这叫齐次化原理,也常称杜阿梅尔原理或冲量原理。这里的是过去时间参数,才是当前时间,求导数时不要混成对求导。
图 P1-14 每一刻的源都产生一个辅助响应,再对过去时间累加波动源放在初速度,热源放在初温;每份辅助响应都从自己的τ时刻开始演化。
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35 证明的关键:上限项为何第一次为零、第二次给源
含变上限积分的求导法则给出
由于每个辅助问题的初位移为0,。再求一次:
同时时两个积分长度为0,初值都为0。这两条端点性质就是证明核心。
若把辅助问题的初速度也设为0,第二次求导就不能产生源项,构造会失败。为什么必须记这个证明?它能避免把波动与热方程的齐次化初值放错位置。
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36 原书受迫弦例题与总公式
对全直线,用达朗贝尔公式解辅助问题:
所以零初值受迫解为
若还有初位移、初速度,再加齐次初值解:
源点也只能从过去的依赖三角形内影响当前点。最简单检验是常数源:内积分长度,得到,与无空间变化时一致。
图 P1-15 受迫波只累加过去特征三角形内的源橙线是一个固定过去时刻τ的源积分区间;三角形之外的源来不及影响当前点。
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37 热方程的齐次化:源放在辅助问题的初温
零初温问题,固定后解
再令,求一次导数就得到
对照波动:波动是二阶时间方程,把源放初速度;热方程是一阶,把源放初温。两者的积分结构相似,但辅助初值不同。
本章定理在全空间、空间算子不随时间变化的框架下陈述;在合适有界区域也可配相同齐次边界使用。若边界本身非齐次,还要先分担或消去边界数据,不能只消源就宣布全部问题已齐次。