- •Введение
- •Раздел I. МЕТОДЫ ПРИБЛИЖЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
- •1. Приближенное решение уравнения
- •2. Метод последовательных приближений решения уравнения
- •3. Метод Ньютона (метод касательных) решения уравнения
- •4. Метод секущих (метод хорд) решения уравнения
- •8. Приближенные вычисления значений функций с помощью рядов
- •9. Приближенные вычисления пределов с помощью рядов
- •10. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел II. ПРИБЛИЖЕННОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ИНТЕГРАЛОВ
- •1. Квадратурные формулы
- •3. Формула трапеций
- •4. Метод парабол (метод Симпсона)
- •5. Вычисление определенных интегралов с помощью рядов
- •6. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел III. ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
- •1. Метод Пикара последовательных приближений
- •2. Метод Эйлера
- •3. Улучшенный метод Эйлера
- •4. Метод Эйлера–Коши
- •5. Метод Рунге–Кутта
- •6. Метод Адамса
- •8. Метод конечных разностей решения краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений
- •10. Метод наименьших квадратов
- •11. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел IV. УРАВНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО ТИПА
- •1. Виды уравнений математической физики
- •2. Вывод уравнения колебания струны
- •7. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел V. УРАВНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ТИПА
- •4. Распространение тепла в неограниченном стержне
- •6. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел VI. УРАВНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ТИПА
- •1. Уравнения эллиптического типа и краевые задачи для них
- •3. Уравнение Лапласа в цилиндрических координатах
- •5. Примеры решения задач
- •6. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел VII. ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ УРАВНЕНИЙ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
- •1. Метод сеток численного решения дифференциальных уравнений с частными производными
- •3. Метод сеток для уравнения гиперболического типа
- •5. Метод прогонки для уравнения теплопроводности
- •6. Решение уравнения движения грунта
- •7. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел VIII. ВАРИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
- •1. Некоторые сведения из функционального анализа
- •2. Теоретические основы метода Ритца
- •5. Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел IX. КОРРЕЛЯЦИЯ
- •1. Понятие корреляции
- •4. Корреляция
- •5. Задачи для самостоятельного решения
- •Библиографический список
4. Распространение тепла в неограниченном стержне
Пусть в начальный момент задана температура в различных сечениях неограниченного стержня. Требуется определить распределение температуры в стержне в последующие моменты времени. К задаче распространения тепла в неограниченном стержне сводятся физические задачи в том случае, когда стержень столь длинный, что температура во внутренних точках стержня в рассматриваемые моменты времени мало зависит от условий на концах стержня.
Если стержень совпадает с осью OX, то математическая задача |
||||
формул руется следующим образом. Найти решение уравнения |
||||
С |
|
|
|
|
(76) |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
U t |
а U xx |
|
|
вобластиx , t 0, удовлетворяющее начальному усло- |
||||
вию (77) U (x, 0) f (x) . |
|
|
|
|
Решая уравнение (76) методом разделения переменных, полу- |
||||
чим решение в виде выражения (87). Перепишем его иначе: |
|
|||
б |
|
|||
U (x, t) е a2 2t A( ) cos x B( ) sin x |
(102) |
|||
[постоянная C |
включена в ( ), В( )]. |
|
||
1 |
А |
|
||
|
|
Д |
Постоянные А и В изменяются при изменении . Поэтому А и В можно считать функциями от . В силу линейности уравнения (76) решением является также сумма решений вида (102)
е a2 2t A( ) cos x B( ) sin x .
Интегрируя выражение (102) по параметру в пределах от 0 |
||
до + , также получим решение |
И |
|
|
|
|
U (x, t) е a2 2t A( ) cos x B( ) sin x d , |
(103) |
|
0 |
|
|
причем А( ) и В( ) таковы, что этот интеграл, его производная по t и вторая производная по x существуют и получаются путем диффе-
137
ренцирования интеграла по t и x.
Подберем А( ), В( ) так, чтобы решение U (x, t) удовлетворя-
ло условию (77). Полагая в равенстве (103) t 0 , на основании условия (77) получаем
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
U (x, 0) f (x) A( ) cos x B( ) sin x d . |
(104) |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предполож м, что функция f (x) |
|
такова, что она представле- |
|||||||||||||||||||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
на интегралом Фурье |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f ( ) cos ( x)d d |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
|
|
|
f ( ) cos d |
|
cos x |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
б0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(105) |
|||
|
|
|
|
|
f ( ) sin d sin x d . |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Сравнивая правые части выражений (104) и (105), получаем |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||
А( ) |
1 |
|
f ( ) cos d |
; В( ) |
|
1 |
f ( ) sin |
d . |
(106) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставив найденные выражения А( ), В( ) в формулу (103), |
|||||||||||||||||||||||||||
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
U (x, t) |
|
|
|
|
|
е |
a t |
|
|
f ( ) cos d |
|
cos x |
f ( ) sin d |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
sin x d |
|
е a |
t |
|
|
f ( )(cos cos x sin sin x)d d |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
138
|
1 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
е |
a |
t |
|
|
f ( ) cos ( x)d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
или, переставив порядок интегрирования, окончательно получим |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
U (x, t) |
|
|
|
|
|
|
f ( ) |
|
е |
|
|
|
|
|
cos |
( x)d d . |
(107) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Это |
|
есть решен е поставленной задачи. Преобразуем фор- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Смулу (107). Выч сл м |
нтеграл, стоящий в круглых скобках: |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
||||||||
|
|
|
преобразован |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
е |
a |
|
|
|
|
t cos ( x)d |
|
|
|
|
е z |
|
cos zdz . |
(108) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
t |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Это |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
интеграла сделано путем подстановок: |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А2 |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
t z |
; |
|
x |
|
. |
|
|
|
|
|
|
(109) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обозначим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
е z |
|
cos zdz . |
|
|
|
|
|
(110) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z2 |
|
|
|||
Дифференцируя, получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
z sin zdz . |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
K |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||
Интегрируя по частям, найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
z2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z2 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
sin z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
cos zdz , |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
2 |
0 |
|
|
И |
||||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
139
Интегрируя это дифференциальное уравнение, получим
K Сe |
2 |
|
4 . |
(111) |
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Определим постоянную C. Из выражения (110) следует |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 dz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
K 0 е z |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
и |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ледовательно, в равенстве (111) должно быть С |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Итак, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
e |
4 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(112) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Значен е (112) нтеграла (110) подставляем в равенство (108): |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
А |
|
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
е a |
t cos ( x)d |
1 |
|
|
e |
|
4 . |
|
|
||||||||||||||||||||
б2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
t |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
Д |
|||||||||||||||||||||||
Подставляя вместо его выражение (109), получаем значение |
||||||||||||||||||||||||||||||
интеграла (108): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
( x)2 |
|
|
|
||||||||||
е a2 2t cos ( x)d |
|
|
|
|
|
|
2t . |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
e |
|
4a |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
И2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Используем это выражение интеграла в решении (107), окон- |
||||||||||||||||||||||||||||||
чательно получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
( x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4a2t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
U (x, t) |
|
|
|
f ( )e |
|
|
|
d . |
|
|
|
|
|
|
(113) |
|||||||||||||||
2a |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эта формула, называемая интегралом Пуассона, представляет собой решение поставленной задачи о распространении тепла в неограниченном стержне.
140
Случай стержня, ограниченного с одной стороны
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение уравнения U t |
а U xx , |
удовлетворяющее начально- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
му условию U (x, 0) f (x) |
|
и краевому условию U (0, t) (t) , вы- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
ражается формулой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( x) |
2 |
|
|
|
( x) 2 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
U (x, t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f ( ) |
e |
|
|
|
4a |
|
t |
|
e |
|
|
4a |
|
t |
d |
||||||||||
|
2a |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
x 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
( )e |
|
|
4a |
|
(t ) |
t |
2 d . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
2a |
t |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5. Пр меры решения задач |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x l |
; |
|
t 0, удов- |
|||||||||
1. Найти решение уравнения U t |
U xx ; 0 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
летворяющее начальным условиям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x, |
|
|
|
|
0 x |
|
l |
|
; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|||||||||||||||||||||
|
f (x) U (x, t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
Аl x, x l |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и краевым условиям U (x 0, |
t) U (x l, |
t) 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||||||
Решение. Решение будем искать в виде выражения (95): |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
U |
2 U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
n |
|
|||||||||||
U (x, t) U1 |
|
|
|
l |
|
|
|
x Cn е |
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
x , |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 l |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Cn |
|
|
|
|
f (x) sin |
|
|
|
|
|
x |
dx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
0 |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислим коэффициенты разложения для функции f (x) :
141
|
|
|
|
|
2 l 2 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Cn |
|
|
|
|
x sin |
|
|
|
|
|
|
x |
dx |
|
|
|
|
|
(l x) sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
x dx |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
l |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Интеграл берем по частям : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
lx |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
u x |
|
|
|
du dx, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
x |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|||||||||||
|
|
d sin |
|
|
xdx |
n |
cos |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
2 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
l |
2 |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
lx |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
||||||||||||||||||
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, |
|
|
|
|
|
|
n 2k; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
l 2 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
2 |
|
2 sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
l |
|
|
Аk |
|
|
( 1) , |
|
|
n 2k 1. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
С учетом того, что U1 U 2 0, окончательно имеем |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
(2k 1)2 2t |
|
|
|
|
|
|
|
(2k 1) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
U (x, t) |
|
|
|
|
|
( 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x . |
||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
(2k 1)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
0 |
x l ; t 0, удов- |
|||||||||||||||||||||||
2. Найти решение уравнения U t |
4U xx |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
летворяющее начальным условиямДU (x, 0) x и краевым услови- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ям U (0, |
t) 2; |
U (l, t) 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Решение. Решение будем искать в виде равенства (95): |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
2 |
U |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
an |
|
2 t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cn е |
|
|
|
|
Иl n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
U (x, t) U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
x . |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|||||||||||||||
Вычислим коэффициенты ряда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 l |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 l |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
Cn |
|
|
|
f (x) sin |
|
|
|
|
|
|
x |
dx |
|
|
|
x |
|
sin |
|
|
|
|
|
x |
dx |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
142
Интеграл берем по частям:
|
|
u x2 |
|
du 2xdx, d sin |
|
n |
xdx |
|
|
l |
cos |
n |
x |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
l |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
n |
|
|
l |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
l |
|
|||||||||
|
2 |
|
|
lx |
|
|
|
|
|
|
|
2l |
x cos |
|
|
|
|
|
|
4l |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
xdx |
|
|
|
x sin |
|
|
|
x |
|
|||||||||||||||||||||||
|
l |
|
n |
|
|
|
l |
n |
|
l |
|
|
2 |
2 |
l |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
иn |
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4l |
2 |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
4l |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Сn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
sin |
|
|
|
|
|
xdx |
|
|
3 |
3 |
cos |
|
x |
|
|
|
|
3 |
3 |
(cos n cos 0) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
l |
|
|
0 |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
4l 2 |
|
( 1) |
|
|
1 |
0, |
|
n 2k; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
8l 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 3 , |
|
|
|
n 2k 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
С учетомбтого, что U 2; U 3, окончательно найдем ре- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
шение в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8l 2 |
|
|
|
|
|
|
2(2k 1) |
2 |
|
|
(2k 1) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
U (x, t) 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
|
|
|
x |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
k 0(2k 1)3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x 8l 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2(2k 1) |
2 |
|
|
|
|
Иx |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
t |
|
|
|
(2k 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
1)3 |
e |
|
|
Дsin x. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
k 0(2k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
3. Найти распределение температуры стержня в любой мо- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мент времени t 0, если начальная температура U (x, 0) e , |
кон- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
цы стержня теплоизолированы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Решение. Необходимо решить уравнение |
Ut |
|
|
|
|
при на- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
a U xx |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
чальном условии U (x, |
|
|
0) ex , |
0 x l и |
при условиях теплоизо- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(l, t) 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ляции U x (0, t) 0 |
; U x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
143
Решение будем искать в виде выражения (99):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ak 2 |
|
|
|
k x |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U (x, t) С0 |
Ck е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
||||||||||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C0 |
|
|
f (x)dx ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
и |
|
|
|
l |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
2 l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
f (x) cos |
|
|
|
|
x dx, k = 1, 2, … . |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
l 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Для нашего случая коэффициенты имеют вид |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 l |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
l |
|
|
|
el 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C0 |
|
|
|
ex dx |
|
|
|
ex |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
||
|
|
|
|
|
|
2 l |
|
x |
|
|
k |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
ex |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
k |
|
k |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
C |
|
|
|
|
|
e |
cos |
|
|
|
|
xdx |
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
k |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
k |
2 |
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
l |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
l 2el |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos k |
|
|
|
|
|
sin k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 0 sin 0 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
l |
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
l |
2 |
k |
2 |
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
l |
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|||||||||||||||||||
|
|
0, |
|
|
|
k 2n; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
k 2n |
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
k |
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончательное решение задачи записывается в виде
144
|
|
|
l |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2k 1) |
|
|
(2k 1)2 a2 2 |
t |
|||||||||||
|
|
e |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
U (x, t) |
|
|
|
4lk 1 |
|
|
|
|
|
|
cos |
x e |
|
|
l 2 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
l |
|
|
l2 (2k 1)2 2 |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
при 0 x l ; |
|
t 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
для начального распределе- |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
4. Решить уравнение Ut a U xx |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ния температуры стержня вида |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
U |
|
при |
|
|
|
x x x ; |
|
|
|
|
||||||||||||||
U (x, t) |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
запишется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( x)2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
t 0 |
|
|
|
0 |
|
при |
|
x x1 |
или x x2. |
||||||||||||||||||
Решен е. Стержень является бесконечным, поэтому решение |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
в в |
де |
нтеграла Пуассона (113) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4a2t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
U (x, t) |
2a |
|
t |
|
|
f ( )e |
|
d . |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как |
|
f (x) |
|
в интервале (x1, x2) |
равна постоянной темпе- |
|||||||||||||||||||||||||||||
ратуре U0, а вне интервала температура равна нулю, то решение |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
примет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
( x) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U 0 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U (x, t) |
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
4a t d . |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
t |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Полученный результат можно преобразовать к интегралу ве- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
роятностей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Φ(z) |
|
|
e 2 d . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Действительно, полагая |
x |
|
|
|
|
; |
|
d 2a |
td , полу- |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
2a |
t |
|
чим
145
|
|
|
x x2 |
|
|
|
x x1 |
|
|
|
x x2 |
|
U (x, t) |
U0 |
|
2a t e 2 d |
U0 |
|
2a t |
e 2 d |
U0 |
|
2a t |
e 2 d . |
|
|
|
|
||||||||||
|
x x |
|
0 |
|
|
0 |
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
2a t
Таким образом, решение записывается в виде
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
0 |
|
|
|
|
x x |
|
|
x x |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
U (x, t) |
|
|
|
|
Φ |
|
|
|
|
|
1 |
|
Φ |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
. |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2a |
t |
|
2a |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
проводности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
5. Найти решен е уравнения U |
t |
xx |
, удовлетворяющее на- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
чальному |
|
услов ю |
|
|
U (x, |
|
|
0) f (x) U0 |
|
|
|
|
и |
краевому |
условию |
||||||||||||||||||||||||||||||
U (0, t) 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
Решен е. Здесь имеем дифференциальное уравнение тепло- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
для полу есконечного стержня. Решение, удовлетво- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ряющее указанным условиям, имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
А2 2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( x)2 |
|
|
|
|
|
( x)2 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
U (x, t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
U 0 |
|
|
e |
|
|
4t |
|
e |
|
|
|
4t |
|
|
|
d , |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
t |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U 0 |
|
|
|
|
|
|
( x) |
|
|
|
|
( x) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
U (x, t) |
|
|
|
|
e |
|
|
4t |
|
|
e |
|
|
4t |
d . |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Полагая x |
|
|
; |
|
d 2 |
td , преобразуем первый инте- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 t |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
грал, пользуясь интегралом вероятностей, то есть запишем |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
( x )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
2 t |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
2 |
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|||||||||||||
|
|
0 |
|
e |
|
4t |
|
d |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
0 |
|
1 Φ |
|
. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
2 t 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 t |
|
146