数学物理方程篇·第二章 / 2.1
从边界条件开始分离变量
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。