4.2 全直线热传导与热核|数学物理方法

数学物理方法 · 4.2 全直线热传导与热核
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数学物理方程篇·第四章 / 4.2

全直线热传导与热核

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06 原书例1:把初始条件也变换,才有唯一像函数

考虑,、,,。定义。在足够衰减的初始推导中,

所以。如果只写一般解而没用初值,就还没有完成这道定解题。

时间衰减率和上一章热模态一样是“扩散率乘空间特征值”;只是这里连续,不是整数编号。

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07 高斯反演的常数:漏掉一个根号就不守恒

利用高斯积分,

教材,前因子就是。热核满足、、。最后一个积分是最快的常数检查。

图 P4-4 热核展宽降峰,空间积分始终为1
κ=1:G(t,x)=exp[-x²/(4t)]/√(4πt)-4-2024t=0.2;峰值=0.6308;空间积分=1。灰线示三个参考时刻;时间增大时降峰、展宽。

曲线处处非负;这是单位总热量的温度分布,不是任意初温的完整解。

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08 卷积解、初值恢复与一个高斯完整例子

由乘积反演为卷积,

时核集中到附近,在连续点恢复;不能直接把代入含的核再积分。对可积初温总积分保持,对有界初温温度是初值的正权平均。

例如,,完成平方得

峰降低、宽度增大,总积分不变。若初温恒为,由核积分为1立刻得。

图 P4-5 高斯初温的峰降低、宽度增大,总量保持
初温φ(x)=exp(-x²),κ=10当前t=0.2;橙色为演化后温度,灰色为初温。峰降低而宽度增大,积分始终为√π。

精确解u=(1+4t)^(-1/2)exp[-x²/(1+4t)];当前中心温度=0.7454。

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09 频率视角:高频衰减快,空间形状会变平滑

每个空间频率都乘。同一时刻,频率大两倍,衰减指数里的系数大四倍;细小起伏先消失。这正是热传导平滑形状的原因。

图 P4-6 热频率乘子按频率平方衰减
每个频率乘 e^(-λ²t),κ=1101234λt=0.1;λ=1时0.905,λ=3时0.407。细小空间起伏对应高频,热传导更快削弱这些起伏。

纵轴是频率幅度乘子,不是空间温度;λ=0的乘子为1。

热核还满足。先演化再演化,等价于直接演化。这个性质由频域指数相乘立刻得到,讲它是为了检查卷积和时间因子是否一致,不要求另背长积分证明。

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10 有源热方程:在空间卷积之外再积一次时间

对、,变换后是。积分因子给

反演:

空间积分累加不同位置的源,时间积分累加过去各时刻的源;只写一个一般不对。此式直接解决原书习题1(2),也是上一章齐次化原理在连续频率中的版本。

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·第四章整理;正文印刷页310—323上部,章末习题323—324。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·第四章含28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。