Решение волнового уравнения
Вопросами, связанными с анализом и решениями уравнений в частных производных занимается специальный раздел математики "Уравнения математической физики". Уравнения такого класса занимают, пожалуй, первое место в прикладной математике, поскольку подавляющее большинство физических явлений описываются с их помощью. Отмеченный раздел математики, несмотря на его актуальность, является достаточно сложным для его полного изложения, поэтому ограничимся решением и анализом одного из его типов – волнового уравнения от двух переменных - пространственной и временной. Это уравнение является основным при анализе распространения электромагнитных колебаний.
Волновое уравнение относится к дифференциальным уравнениям в частных уравнениям гиперболического типа и в общем случае имеет вид
|
(*) |
где
-
оператор Лапласа,
-
искомая скалярная или векторная функция
(в последнем случае это уравнение
представляет систему трех уравнений
для каждой компоненты
),
-
некая постоянная.
В рассматриваемом случае вид уравнения упрощается
|
(*) |
Это
уравнение сравнительно несложно решается
методом замены переменных. Введем
переменные
и
соотношениями
|
(*) |
Сделаем замену переменных
|
(*) |
так
как
и
.
По
аналогии найдем
|
(*) |
так
как
,
и
.
Подставляя полученные выражения в исходное уравнение, получим
|
(*) |
Интегрируя обе части этого выражения
по
,
получим
,
где
-
произвольная функция, зависящая от
.
Повторяя интегрирование по
,
получим
|
(*) |
т
Рис.*
.
Постоянная интегрирования
при
интегрировании по
может быть произвольной функцией от
,
т.е.
.
Возвращаясь к первоначальным переменным,
запишем решение волнового уравнения
.
(*)
Смысл
этого решения можно понять из рис (*). В
начале рассмотрим первое слагаемое,
смысл второго получится по аналогии.
Очевидно, что если
,
то и
,
т.е. если временная и пространственная
координаты
и
изменяются так, что
, (*)
то
вид функции не меняется. Но выражение
(*) является уравнением равномерного
движения со скоростью
.
Таким образом, каждая точка функции
,
движется со скоростью
(рис*А) и за время
весь график функции
,
представляющей собой некое физическое
возмущение, без деформаций переместится
на расстояние
(рис *Б). В свою очередь решение
представляет движение некоторого, в
общем случае отличного от предыдущего
возмущения, с той же постоянной скоростью
,
но в другую сторону.
Комплексные числа. Функции комплексной переменной
Рис.*
и
благодаря этому становится возможном
решать уравнения типа
,
или квадратных уравнений, у которых
дискриминант меньше нуля. С ее помощью
определяется комплексное число
,
как
(*)
где
и
-
действительные числа. При этом первое
слагаемое, называют действительной
частью, а второе слагаемое, которое
обязательно с множителем
-
мнимой частью. Для действительной и
мнимой части существуют обозначения
и
:
(*)
Доказано, что множества комплексных чисел достаточно, чтобы через них выразить решения любых уравнений, т.е. для таких, у которых решение выходит за пределы области допустимых значений функций на множестве действительных чисел.
Комплексные числа являются естественным обобщением действительных чисел и их можно изображать точками на комплексной плоскости в отличие от действительных чисел, изображаемых точками на прямой – числовой оси. По оси абсцисс откладывают - действительную часть, а по оси ординат - мнимую. Помимо записи комплексного числа в форме (*) - которое представляет собой его запись в декартовых координатах, также используется полярная система координат
|
(*) |
где
-
т.н. модуль комплексного числа, для
которого существует специальное
обозначение
,
- фаза. Параметр
-
номер четверти (квадранта) плоскости
комплексных чисел, где находится число
.
Для
комплексных чисел вводится понятие
сопряженного числа. Таким числом является
такое комплексное число, у которого
знак мнимой части противоположен. Такое
число обозначается как
.
Т.е. если
,
то
.
Арифметические
действия над комплексными числами такие
же, как алгебраические действия над
двучленами. Если
и
то
|
(*) |
|
(*) |
|
(*) |
где учтено, что .
На
основании полученных формул можно
доказать, что сумма и произведение
комплексно сопряженных чисел есть число
действительное, а произведение их равно
модулю комплексного числа
(*),
который иначе обозначается (по аналогии
с действительными числами) как
,
т.е.
.
Действительно
|
(*) |
|
(*) |
С помощью этих соотношений можно теперь написать выражение для частного от деления двух комплексных чисел
|
(*) |
Здесь был использован прием умножения числителя и знаменателя дроби на комплексно сопряженное знаменателю число.
Из определения понятия функции (числовой) как правила соответствия числа из одного множества числу из другого множества можно определить функцию комплексного переменного, где аргументом и значением функции являются комплексные числа. Эти функции, вообще говоря, имеют свои особенности, отличающие их от функций действительного переменного. Однако в настоящем изложении мы будем считать, что все действия с функциями, имеющих комплексные параметры, не отличаются действий с обычными действительными функциями.
Функция комплексной переменной обладает очень важным свойством – значение комплексно сопряженной функции некоторого комплексного аргумента равна значению этой функции, но от комплексно сопряженного аргумента. Фактически это означает, что в записи выражения для функции, там, где встречается мнимая единица , у нее надо изменить знак на противоположный
|
(*) |
Основной такой функцией, которая будет встречаться в настоящем курсе - это экспонента с комплексным показателем степени. Алгебраические преобразования, а так же формулы дифференцирования и интегрирования не отличаются от экспоненты с действительным показателем.
Основным соотношением для такой экспоненты является формулой Эйлера
|
(*) |
Ее использование существенно сокращает объем выкладок, поскольку преобразование выражений с экспонентами намного компактнее, чем тригонометрических функций. Из этой формулы легко получить выражения для косинуса и синуса через экспоненту. Действительно можно написать
|
(*) |
Почленно складывая и вычитая эти равенства, можно получить
|
(*) |
С
помощью этих выражений можно найти
функцию, описывающую распределение
освещенности
в картине интерференции двух пучков с
комплексными амплитудами
и
|
(*) |
Также
на основе полученных формул можно
получить выражение для распределения
освещенности в картине дифракции в
приближении Фраунгофера от щели
|
(*) |
где
-
волновое число,
-
координата в фокальной плоскости
объектива, где наблюдается дифракция,
-
фокусное расстояние объектива,
-
ширина щели.

,