5.15 原书章末12个大题逐项解题|数学物理方法

数学物理方法 · 5.15 原书章末12个大题逐项解题
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数学物理方程篇·第五章 / 5.15

原书章末12个大题逐项解题

教材习题,第372—374页

5.15 · 教材习题,第372—374页

52 原书题1:五个δ恒等式都用测试函数证明

以下默认测试函数光滑且有紧支集,所有恒等式均在分布意义下成立。

(1) :与 配对得 。

(2) :两边与 配对都等于 。

(3) ,:换元 ,两边对 的作用都为 。负的 会反向积分区间,结果仍含绝对值。

(4) :由 ,而 。

(5) :左边对 的作用是 。

评分点: 不能只写“由δ在0以外为0可知”,那不足以证明分布恒等式。写出任意测试函数的积分才是完整的一步。

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53 原书题2:坐标变换中的δ

设 在对应点附近光滑可逆,雅可比 。待证

证明时将右边乘 ,对 积分,δ把它取在 ,得到 。这正是左边与 的配对,所以成立。教材写 时,δ会自动将其取在源点。

极坐标 ,故 时为 。角变量按周期或单一坐标图处理,避免 与 重复。源在极点时用径向分布处理,不能除以 。

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54 原书题3:有限杆点初值与有限弦点初速度

(1) 热方程,零值边界。 取 ,范数平方 ,初值δ的系数为 ,所以

每项在两端为0, 的级数初值按分布意义恢复δ。对 指数衰减使它成为平滑温度。

(2) 波动方程,零导数边界。 空间应为余弦,且包含常数模态。令 ,得到

在 为0;时间导数的初值是余弦δ展开。对 求导后每项带 ,两端均为0。空间积分等于 ,也与单位总初速度一致。

原书答案勘误说明: 扫描本印刷第398页对应答案的非零模态含 ,与第373页题面 不匹配。这里按题面给出余弦解;不能同时保留 又把空间基写成正弦。端点求导检验比机械对答案可靠。

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55 原书题4:各向异性与双调和基本解

本题统一取 ,不是 。

(1) ,。令 ,算子变成二维拉普拉斯,而 ,故可取

它与 只差常数。必须出现 ,因为δ也随坐标缩放。

(2) 二维 。对 ,,再用 ,可取

第一步没有隐藏的点δ: 的小圆通量趋于0。第二步才由 产生点源。

(3) 三维 。因 (分布意义下此步无点δ),而 ,所以

检查符号:再施加一次拉普拉斯,。

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56 原书题5:亥姆霍兹基本解还需说明选择

对 ,取 。空间傅里叶变换形式上给 。分母在球面 为0,需要指定分布解释或无穷远条件,不能声称其普通逆积分绝对收敛。

不另加辐射条件时,可取实基本解

验证: 时径向方程 ; 的主奇异项为 ,通量为1,零阶项的小球积分趋于0,所以源为 。

若采用时间因子 并要求向外辐射,可选 。它与实核的差是齐次解。本题必会: 频域分母、近源归一化、为何基本解不是不加条件就唯一。辐射条件的完整谱论推导可暂缓。

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57 原书题6:三种三维区域的镜像格林函数

本题取 、零值边界。

(1) 四分之一空间 。 源 ,另设 、、。则

反射一次换号,反射两次恢复正号。在任一坐标平面上成对等距抵消,三个镜像均在区域外。

(2) 上半球 。 先用球内格林函数 处理球面,再令 处理平面:

在球面上两项各自为0,在 上两项相等。展开后有真实源、反演源、平面反射源、反演后反射源四项;只有真实源在上半球内部。球面反演权重仍为 ,不能漏掉。

(3) 层状空间 。 真实源 ,。平移像点 与 ,则

按每个括号成对求和。 处通过 等距抵消, 处通过 抵消。一次反射无法同时满足两面,故需要无限像列。无穷远方向取符合衰减要求的解。

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58 原书题7:二维象限与半圆盘

本题仍取 。二维点源势改用 ,而不是三维的 。

(1) 第一象限。 真实源为 ,镜像为 、、,相应距离为 。反射符号与三维相同:

在 上 ,在 上 ;两处均为0。

(2) 单位上半圆盘。 用单位圆盘格林函数 ,源 、、,平面反射为 。取

若 、,写开为

两个圆盘核的常数修正相消。圆弧上各自为0,直径上相等相减。解法思想: 先满足曲边,再用反射补平边;不必重新猜四个源的权重。

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59 原书题8:带反应的热方程

方程 ,基本解的初值为δ。令 ,则 ,。因此

检验总积分为 ,并满足 、。不要以热方程的守恒性否定这里的增长或衰减;多出的 本来就在产生或消耗总量。

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60 原书题9:输运与阻尼波的基本解

(1) ,初值 。 沿特征线 ,全导数为 。因此

相应初值核为 。必须核对漂移方向:当 ,形状 向右移。

(2) ,初位移0、初速度 。令 ,逐项求导后得到

频域速度核为 。其逆变换为

所以

教材提示中的一般参数式需要成套处理缩放:逆变换 对应 。在本题 ,于是得到上式。第一轮无需证明整张贝塞尔积分变换表,但必须会指数替换、参数对应与初值检查。

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61 原书题10:二维非齐次波动的积分式

初位移、初速度都为0,所以只保留源项。令 ,则

得分要件: 正确的 、正确的历史时间 、随 缩小的圆盘、正确的根号。用常数源 检验:空间积分为 ,时间积分为 。

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62 原书题11:再降一维得到达朗贝尔

把二维数据取为与 无关。对二维核中的横向变量积分,固定 ,有

当 成立,外部为0。这正是一维平台核。再对初位移核卷积求时间导数,就得到

这里降维做了真正的横向积分;只删变量会丢掉几何权重,得不到正确的一维系数。

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63 原书题12:四道直接使用公式的题

(1) 高斯初温。 对 、,第33单元的 给出

(2) 二维波,初位移 ,初速度0。 因 、,时间展开在二次项终止:

检验 ,两个初值也正确。虽然多项式不在 ,核在有限圆盘上的积分仍有意义,且可直接验证所得经典解。

(3) 二维波,源 ,初位移0、初速度 。 因 ,设 ,得到 ,故

(4) 三维波,源 ,初位移和初速度都为 。 同样 ,所以 ,得到

这组题真正考什么: 公式的三份数据是否放对位置,以及能否看出拉普拉斯使多项式降次。能用有限模态或多项式直接求解时,不要强迫自己做复杂积分。

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·第五章整理;正文印刷页325—372上部,章末习题372—374。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,采用原创讲解,不逐字复述原文。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;第五章另按原书12个大题逐项给出解法、结果与适用条件;自编检查题另列。

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·第五章含36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。