数学物理方程篇·第三章 / 3.12
原书二十九题的路线与关键结果
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43 习题1—5:识别方程母函数与半整数阶
题1 柱坐标拉普拉斯分离:,,;分离常数的符号可以另选,但三式必须互相一致。
题2 链式法则:;。
题3 将级数逐项积分,配合,得到,取极限1。
题4 令,由上一节换元方程得到;也可用直接验算。
题5 三条求和恒等式分别在正文3.2的母函数三角展开中取或。
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44 习题6—11:递推导数与积分的六组练习
题6(1) 由和,结合方程得。(2) 用相邻阶递推将改写为,再用,即得。
题7(1) 时,用得。(2) 乘积求导得。
题8 对整数,两次分部积分得
特别;再分部积分得。写下限为零时应检查乘积在零处的极限,别把所有幂次都不加限制套用。
题9 ,对右侧求导验证最直接。题10(1) 用、得到题中积分关系;(2) 分部积分得。
题11 直接求导检查两个原函数:;。不是所有都能用初等函数表示,保留积分本身也可能是合理结果。
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45 习题12—15:展开系数与Parseval
题12 区间,,阶跃于、于。D模平方,分子,所以。跳跃点取。
题13 区间、,展开于。分子,分母,故。注意这里是阶数1的D问题,不是阶数0的N问题,虽然两者用到同一串正根。
题14 带权Parseval:若、,则,从正交投影及适当收敛得到。
题15 将常数展开代入Parseval:左侧,右侧,故。常数在外端不满足D边界,但可在带权平方积分及内部逐点意义使用;不能声称在也等于1。
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46 习题16—19:圆柱圆膜及阻尼的应用
题16 无限长圆柱侧面恒温、初温零:利用对称性归为径向热传导,答案见正文3.6的公式。
题17 半圆膜直径和圆弧均固定:角向,径向,角频率,;不含。
题18(1) 侧面零温、底零、顶恒温:用正文3.5的正根和双曲正弦公式。
题18(2) 径向阻尼波、外圆零导数。包括常数零模态;初速度零时该模态保持初位移的径向平均。正模态用、。若,时间因子,;相等取,小于则用双曲函数。题中“很小”不能代替逐个检查与最低正频率的比较。
题19 侧面散热、底零、顶:根,按Robin模平方投影,轴向。原题外换热系数可另记,避免与圆柱高度同字母混淆。
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47 习题20—23:勒让德在零点的值与积分
题20 对,
由显式多项式的常数项、一次项读取,或用递推生成。
题21 反复使用,望远镜相消,得到。
题22(1) 对非负整数,若或为奇数,积分为零;否则
约定。(2) 用后正交投影:仅可能非零;对应值和。
题23 勒让德方程乘再分部积分,端点使边界项为零,得到。
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48 习题24—29:展开球内外与半球综合题
题24(1)(2) 的有限展开见正文3.9;(3) 用偶阶投影,可保留系数积分,前几项也见正文。
题25 球面,球内。题26 单位球边界,故。
题27 单位球外边界,若要求无穷远趋零,。原题若没有写远处条件,外域问题还需补足这一条件才唯一;这里只给通常的衰减解。
题28(1) 半球底面零温:只取奇阶,球面常数的半区间展开见正文3.10。(2) 底面绝热:是解,结合唯一性即可。
题29 半空心球内外面给、底面:正文3.10已完整求得只含常数和的闭式解。这里球壳内半径是,不要把“厚度”误读成内半径为零。