数学物理方程篇·第四章 / 4.11
二十八道自编检查题与完整解析
独立编号不对应原书题号
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练习1 从定义决定一阶导数的符号
本书。在端点项消失时推导和。
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分部积分给。再用一次,。一阶是负号,来自正向指数的正号;不能混用另一种约定。
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练习2 指数调制怎样移动频率
若,求和。
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第一式,因为指数合并为。第二式令,得到。不要把频率移动方向与空间移动因子的符号混记。
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练习3 热像函数的初值
对、全直线初温,写出空间傅里叶像问题与解。
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,,因此。未乘初温变换的只是核的像,不是任意初温的解。
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练习4 热核归一化
写出的全直线热核并求其空间积分。
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。令,积分为。因此卷积不会凭空改变可积初温的总积分。
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练习5 高斯初温的完整解
解、全直线初温。
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代得到。恢复初温;峰值下降、宽度增加,总积分保持。
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练习6 高频衰减有多快
热方程中频率与的初始幅度相同,扩散率1,时刻的幅度因子分别是多少?
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分别为与,高频与低频的幅度比为。不是频率大三倍就只衰减快三倍,指数系数按频率平方增长。
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练习7 有源热方程不能漏时间积分
零初温的全直线,写解公式,说明内外两层积分的对象。
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。内层对源位置,外层对过去时间。核使用剩余演化时间,不能写成固定的再乘当前源。
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练习8 梁的时间频率
解,初形、初速度零。
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练习9 两个核的性质能否通用
为什么不能把梁振动核当作热核那样的正权平均?
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含,会变号,且作为普通函数并非绝对可积的概率密度。热核则非负、积分1。两者时间乘子分别是和,物理行为不同。
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练习10 半轴二阶导数的两条公式
在无穷远端点项消失时,写出、。
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,。前者需要已知端点值,后者需要端点导数;两次分部积分即可重建,不要一律丢边界项。
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练习11 选正弦还是余弦
零初温半无限热杆,分别给和。写最方便的空间变换及像ODE。
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给值选正弦,;给导数选余弦,。两者初值均为零。非零边界直接进入ODE右侧,不一定要先作提升。
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练习12 正温度梯度对应什么符号
,半轴零初温,。写解并检查端点导数。
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。求导得,端点导数为2,温度相对初值为负。这与沿杆内正向热流为负相符。
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练习13 拉普拉斯导数保留初值
波动,初位移、初速度。写时间拉普拉斯后的空间ODE。
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,所以。这里可依赖。初速度不能与初位移一样再乘一个。
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练习14 两种指数不能都叫时间延迟
比较与的反演。
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第一式为;第二式为,。前者在严格零,后者任意都为正。一个是有限延迟,一个是扩散响应。
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练习15 半无限弦边界影响到达时间
波速、均匀外力、初始静止、左端固定。在处求。
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到达时间,。因此时;时。前段外力已经在作用,尚未到达的是固定端的修正影响。
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练习16 常初速度的半无限弦
波速,初位移零、初速度、左端固定,求解并说明波前。
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,即时,时。波前位移连续,一阶导数分段;在两个区域分别满足波动方程,前沿按适当较弱意义理解。
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练习17 恒温端点的erfc响应
,半轴初温零,端点恒温5,写解与特征扩散长度。
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,所以。扩散长度按增长。端点极限5,固定内部点初时趋零,远处趋零。
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练习18 端温脉冲撤掉后会怎样
,零初温,端温在等于1、之后为0。求的解。
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令。解。端点在的极限为,内部仍有尚未消散的温升。不能在撤去端温时直接把全杆解置零。
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练习19 为什么不能先把边界核的x置零
。说明时点值趋零与边界卷积恢复非零端温为何不矛盾。
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对固定确实趋零,但,权重不断集中到。点值极限不能在这里直接移入积分;边界应取整个卷积的极限。它是集中核的典型行为。
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练习20 上半平面泊松核
求内调和函数,边界,远处衰减。
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本约定下。向上延拓乘,像为,反演得。恢复边界,可直接验。
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练习21 不把全域常数初温的特解删掉
半轴,初温、端点零温,远处要求。写解及其远处极限。
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,所以时趋,导数趋零。它满足题设,不能因解不趋零而删掉常数特解。若题目改要求温度趋零,就必须重新检查数据和条件是否相容。
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练习22 有限混合边界热杆
、,,初温恒为1。写级数及长期极限。
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减稳态2,余项初温。、,系数。所以,长期趋2。初时右端数据不匹配,按内部初值理解。
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练习23 写出原书有限弦的像函数
、零初值、。求。
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练习24 可去点还是极点
对上一题的,判断,并给出产生的极点位置。
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,故可去,极限为()。给,即混合边界的固有频率;此外驱动项有。
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练习25 共振会怎样改变反演
有限弦右端驱动频率等于某一固有频率时,为什么不能继续用简单极点级数?给一个可用的提升。
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驱动极点与固有极点重合,通常成为二阶极点,反演产生乘振荡项。可取满足两端原边界,齐次化后用模态ODE求解。不能在非共振结果中留下的分母。
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练习26 混合偏导的拉普拉斯题
求,、。
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对拉普拉斯,,,所以。反演,直接求混合偏导为2,两个边界都满足。
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练习27 三维径向波在原点取极限
对,求极限,并检查初速度。
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分子在为零,对求导得,除以,极限。对求导再令,时得,原点为1,与初速度连续匹配。
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练习28 分辨遗漏了什么
有人对半轴热方程直接写;另有人对非零初位移波动直接写。各漏了什么?
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前者漏端点项,只有该导数为零时才可省。后者漏,只有两条初值都为零才可省。变换后ODE看起来再熟悉,也不能替代对原数据的逐项带入。