1.10 二十四道自编检查题与完整解析|数学物理方法

数学物理方法 · 1.10 二十四道自编检查题与完整解析
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数学物理方程篇·第一章 / 1.10

二十四道自编检查题与完整解析

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1.10 · 全章复习 · 自编检查题

练习1 判阶数与线性

判断和的阶数、线性;第一式是否齐次?

展开解析:系数依赖x不影响线性

第一式二阶线性,整理成,非齐次。第二式一阶非线性,因为乘着。不能因第二式右端为0就套线性齐次叠加原理。

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练习2 积分后保留什么自由度

求的通解,并求的通解。

展开解析:任意函数不只常数

第一式为。第二式为。对积分时,积分“常数”可任意依赖。

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练习3 验证一个调和函数

验证满足二维拉普拉斯方程,说明它是否也满足。

展开解析:逐项求导

,相加为0。把它看作与无关的三维函数,有,也满足三维拉普拉斯方程。

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练习4 行波的方向

沿哪个方向运动?波速是多少?满足什么波动方程?

展开解析:追踪波峰

波峰,即,向右,速度3。因,有。

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练习5 张力与线密度

弦张力变为原来的4倍,线密度变为原来的2倍,波速变为多少倍?

展开解析:先写根号比

,所以新旧比为。不能直接按算。

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练习6 阻力项写在哪一侧

单位长度阻力为,外力密度为。写出弦振动方程并说明每项单位。

展开解析:从净力等于质量乘加速度

,等价于。每项都是单位长度上的力;除以后每项为加速度。正阻力系数在左边是正的一阶时间导数项。

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练习7 热源应除以什么

均匀材料的热源密度为,比热、体密度、导热系数。写热方程和有源稳态方程。

展开解析:储热系数与传热系数分开

,所以。稳态为,不是。

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练习8 热流方向

一维温度,。求热流向量在方向的分量,判断方向。

展开解析:梯度负,热流正

,沿正方向流。它从左侧高温流向右侧低温。这里是通量分量,不是温度的时间导数。

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练习9 两端向内输入热量

杆,两端分别以正通量向杆内输入热量。写条件,并判断总热量增加还是减少。

展开解析:先写向外法向

左端,右端。若侧面绝热且无体源,总储热变化为,符合两端都流入。

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练习10 左端热交换

杆左端与温度的环境换热,右端绝热。写两个边界条件;若左端比环境热,左端应是什么符号?

展开解析:Robin与Neumann

左端,右端。若左端,由得;温度沿进入杆内的正向升高,热从左端向外流。

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练习11 初始条件数量

解释为什么热方程通常给一个初值,波动方程给两个。若热方程已有初温,再给初始能否任意选?

展开解析:看时间阶数

热方程对一阶,波动方程对二阶。热方程的高光滑解满足,所以不能再任意指定独立初始导数;它必须与PDE相容。

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练习12 完整写出热杆问题

侧表面绝热、无内源的均匀杆,初温,左端保持0,右端保持,写定解问题。

展开解析:方程区域与条件缺一不可

,;;。若要求初始角点处连续,还应。边界非齐次,因为右端一般不为0。

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练习13 拨弦初位移

长度的弦两端固定,在处拉高后从静止放开。写初位移与全部定解条件。

展开解析:两段直线连接端点

初位移为在;在。方程,初速度0,边界。两段在均等于,折角按分段或广义解理解。

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练习14 达朗贝尔公式的多项式计算

解全直线,。

展开解析:分开计算两项

位移项为,速度积分项为。故。,初值正确。

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练习15 正弦位移与线性初速度

全直线波速,。求解,并说明能否也满足半直线固定端。

展开解析:先用三角和差

位移项为;速度项为。所以,在为0,故限制到也满足固定端。它不自动满足任意有限位置的另一固定端。

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练习16 依赖区间

波速,求处依赖的初始数据区间。若只在附近改动初值,能否影响此点?

展开解析:用两条特征线回到初始线

区间为。若改动支集完全在这个区间之外,例如10附近很小的邻域,则不能影响该时空点;以后更长时间可能影响。

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练习17 叠加是否仍是原问题的解

若,且两者满足同一非齐次边界,求、;一般满足什么?

展开解析:右端也线性组合

差满足齐次方程和齐次边界:。和满足,一般不再是原来的非齐次问题。

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练习18 找特解并改变边界

求的一个多项式特解。若原边界,减去该特解后边界是否仍为0?

展开解析:方程与边界分别处理

可取,因为。令,有,但边界,通常非零。除非特解本身在边界为0,否则不能自动把所有数据齐次化。

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练习19 杜阿梅尔积分检验

全直线零初值问题,常数,求解。

展开解析:积分区间长度就是关键

内积分为,所以。它与无关,故,两条初值为0。

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练习20 波动与热的辅助初值

同样有源项,波动方程和热方程的齐次化辅助问题,应该把它放在哪个初值上?

展开解析:求几次时间导数,源就在第几次出现

波动辅助问题给,第二次求导数时出现源。热辅助问题给,第一次求导就出现源。两者都用累加。

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练习21 输运方程

解,,区域为全直线。

展开解析:沿特征线累积源

。初值为;直接求导,。源函数要沿特征位置取值,不能直接写成。

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练习22 径向调和函数

求二维的径向调和函数,并说明在整个平面原点有界时能留下什么。

展开解析:先化成一阶守恒式

等价于,积分得。要求原点有界则,只剩常数。三维对应的是,不能把维数混用。

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练习23 由球外点源识别边值解

单位球内求调和函数,球面边界为。写出一个满足条件的解,并说明奇点在哪里。

展开解析:把边界凑成距离平方

取球外点,则球面上。故在球内调和且边界匹配。奇点在,不在闭单位球内。

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练习24 高斯解的验证与极限

设、。验证,并说明为什么时在趋于0却不意味着总量趋于0。

展开解析:用对数导数减少计算

记。有,,两者满足关系。固定时指数衰减快于增长,所以趋于0;但全直线积分恒为。峰越来越窄且越来越高,不能交换点态极限与积分。归一化后就是总量1的基本热核。

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42 这一章学到什么程度,再进入分离变量法

先把检查题1—13完成,确保会读方程、会建模、会写初值与边界。再做14—20,掌握行波、达朗贝尔公式与叠加齐次化;21—24用于把特征线、径向结构与热核联系起来。

回原书时先做7、8这类“只要求写出定解问题”的题,不要额外给自己增加求完整解的任务;再做1—6与9—10,最后处理带星号的特征线、奇偶性和半直线延拓。

下一章分离变量法会反复使用本章的齐次边界、叠加与初值数据。进入下一章前,至少应该能看到一题就先写对“区域、PDE、初值、左右端条件”四项;这些写错,后面的级数计算再熟也解决不了原问题。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本数学物理方程篇·第一章整理;正文印刷页205—234上部,章末习题234—236。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。数学物理方程篇·第一章含24道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月22日。