Конспект лекций по математике для студентов инженерно-технических специальностей. В 4 ч. Ч. 4

Выведем уравнение распространения тепла. Обозначим через u(x, t)

температуру среды в точке x = (x1 , x2 , x3 ) в момент времени t , а через

ρ(x), c(x), k(x) − соответственно ее плотность, удельную плотность и коэффициент теплопроводности в точке x . Пусть F(x, t) − интенсивность источников тепла в точке x в момент времени t . Вычислим баланс тепла в произвольном объеме V за промежуток времени (t, t + ∆t). Обозначим через ∂V

границу V , и пусть n − внешняя нормаль к ней. Согласно закону Фурье, через поверхность ∂V в объем V поступает количество тепла

Q1 = ∫∫kun ds∆t = ∆t∫∫(kgradu, n)ds ,

∂V ∂V

равное, в силу формулы Остроградского-Гаусса,

Q1 = ∫∫∫div(kgradu)dx∆t .

V

В то же время, за счет тепловых источников в объеме V возникает количество тепла

Q2 = ∫∫∫F(x, t)dx∆t .

V

Так как температура в объеме V за промежуток времени (t, t + ∆t) выросла на величину

u(x, t + ∆t)− u(x, t)≈ ut ∆t ,

то для этого необходимо затратить количество тепла

Q3 = ∫∫∫cсut dx∆t .

V

11

С другой стороны, Q3 = Q1 + Q2 и поэтому

∫∫∫(div(kgradu)+ F −cсut )dx∆t = 0 ,

V

Если среда однородна, т. е. c, с и k - постоянные, то уравнение (19.10)

принимает вид

Уравнение (19.11) также называется уравнением теплопроводности.

При p = const, q = 0 уравнение (19.12) называется уравнением Пуассона

при f = 0 уравнение (19.13) называется уравнением Лапласа:

12

∆u = 0 .

Рассмотрим потенциальное течение жидкости без источников, а именно пусть внутри некоторого объема V с границей ∂V имеет место стационарное течение несжимаемой жидкости (плотность с = const ), характеризуемое скоростью v = (x1 , x2 , x3 ). Если течение жидкости не вихревое (т. е. rotv = 0 ), то скорость v = (x1 , x2 , x3 ) является потенциальным вектором

где u − скалярная функция, называемая потенциалом скорости. Если отсутствуют источники, то

Теперь из формул (19.14) и (19.15) получим:

div(gradu)= 0

или

∆u = 0 .

Таким образом, потенциал скорости удовлетворяет уравнению Лапласа.

Классификация уравнений в частных производных второго порядка с двумя независимыми переменными

Большое число различных физических задач приводит к дифференциальным уравнениям в частных производных, которые связывают искомую функцию нескольких переменных, ее частные производные и независимые переменные. В качестве полигона для исследования многих методов

13

и свойств решений основных уравнений математической физики использовались дифференциальные уравнения второго порядка для двух независимых переменных

Если дифференциальное уравнение линейно относительно входящих в него старших производных, то его называют квазилинейным уравнением и записывают в виде:

где aij − известные функции двух независимых переменных.

Дифференциальное уравнение (19.16) называют линейным, если оно линейно как относительно искомой функции, так и относительно ее частных производных. Такое уравнение записывают в виде:

линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. Уравнениям (19.17) и (19.18) можно поставить в соответствие

квадратичную форму a11 x2 + 2a12 xy + a22 y2 и по аналогии с кривыми второго порядка дискриминировать типы уравнений по знаку дискриминанта. Заметим, что принадлежность уравнения к одному из этих типов определяет некоторые общие свойства его решений и позволяет выбрать методы решения задач для такого уравнения.

Выделим три типа уравнений в форме (19.17) и (19.18). Будем называть их уравнениями гиперболического типа, если в некоторой точке M (или области G )

14

ux12 + x1ux22 = 0 ,

представляющее интерес в газовой динамике. Очевидно, дискриминант этого

с якобианом преобразования

допускающим обратное преобразование. Тогда в новых переменных уравнение (19.17) примет вид:

A12 = a11о(1)x1 о(2)x1 + a12 (о(1)x1 о(2 )x2 + о(1)x2 о(2 )x1 )+ a22 о(1)x2 о(2 )x2 ;

A22 = a11о(22 )x1 + 2a12 о(2 )x1 о(2 )x2 + a22 о(22 )x2 .

15

преобразование независимых переменных не меняет тип уравнения. Однако функции ϕ1 (x1 , x2 ) и ϕ2 (x1 , x2 ) можно выбрать такими, чтобы в новых переменных часть коэффициентов обратилась в нуль, а уравнение (19.20) приняло наиболее простой вид, который называют каноническим видом (формой) уравнения.

Переход к канонической форме можно осуществить с помощью общих интегралов дифференциального уравнения

которое называют характеристическим для уравнений (19.17) и (19.18), а его интегралы – характеристическими кривыми или характеристиками.

Если ϕ(x1 , x2 )= c − общий интеграл характеристического уравнения (19.21),

то вдоль характеристической кривой имеем

Подставляя уравнение (19.22) в (19.21), делаем вывод о том, что функция x3 = ϕ(x1 , x2 ) является решением дифференциального уравнения первого порядка

Если в некоторой области G уравнение (19.17) является уравнением гиперболического типа ( D > 0 ), то в этой области характеристическое уравнение распадается на два уравнения

16

которые имеют два семейства характеристик ϕ1 (x1 , x2 )= c1 и ϕ2 (x1 , x2 )= c2 . Тогда с помощью преобразования независимых переменных

ξ1 = ϕ1 (x1 , x2 ); ξ2 = ϕ2 (x1 , x2 )

приходим к уравнению (19.20), в котором с учетом (19.23) A11 = 0 и A22 = 0 ,

поэтому приводим уравнение (19.20) к канонической форме для уравнений гиперболического типа:

где Φ1 = − Φ2 A12 .

Замечание 19.1. Если новые переменные имеют вид

то для уравнений гиперболического типа можно записать другую каноническую форму

Пусть в области G уравнение (19.17) является параболическим ( D = 0 ), то в этой области характеристическое уравнение (19.21) имеет вид:

dx2 = a12 dx1 a11

17

независимая с функцией ϕ1 , приходим к преобразованному уравнению (19.20), в

(19.23) в комплексной области. Поэтому, подставляя их в уравнение (19.23), получим тождество

18

преобразования уравнение (19.20) примет каноническую форму для эллиптического типа:

где Φ3 = −Φ A11 .

Линейное уравнение с постоянными коэффициентами (19.18) имеет одинаковый тип в области G . Такому уравнению соответствует характеристическое уравнение (19.21) также с постоянными коэффициентами. С помощью указанных выше преобразований переменных уравнение гиперболического типа приводится к виду:

19

Постановка основных краевых задач для уравнений в частных производных второго порядка

20