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Уравнения математической физики

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Ɉɬɜɟɬ: u x,t

l

sin 2Sat sin 2Sx .

2Sa

 

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Ɂɚɞɚɧɢɹ ɞɥɹ ɢɧɞɢɜɢɞɭɚɥɶɧɨɣ ɫɚɦɨɫɬɨɹɬɟɥɶɧɨɣ ɪɚɛɨɬɵ

Ɂɚɞɚɧɢɟ 3.8. Ɋɟɲɢɬɶ ɩɟɪɜɭɸ ɫɦɟɲɚɧɧɭɸ ɡɚɞɚɱɭ ɞɥɹ ɜɨɥɧɨɜɨɝɨ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ ɧɚ ɨɬɪɟɡɤɟ

 

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62

ɉɪɚɤɬɢɱɟɫɤɨɟ ɡɚɧɹɬɢɟ ʋ4

4.1. Ɋȿɒȿɇɂȿ ɁȺȾȺɑɂ ȾɂɊɂɏɅȿ ȾɅə ɍɊȺȼɇȿɇɂə ɅȺɉɅȺɋȺ ȼ ɄɊɍȽȿ ɆȿɌɈȾɈɆ ɎɍɊɖȿ

Ɋɚɫɫɦɨɬɪɢɦ ɦɟɬɨɞ ɧɚɯɨɠɞɟɧɢɹ ɪɟɲɟɧɢɹ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ Ʌɚɩɥɚɫɚ 'u 0 ɜ ɤɪɭɝɟ, ɬɨ ɟɫɬɶ ɦɟɬɨɞ ɧɚɯɨɠɞɟɧɢɹ ɮɭɧɤɰɢɢ u(r,M) , ɭɞɨɜɥɟ-

ɬɜɨɪɹɸɳɟɣ ɭɪɚɜɧɟɧɢɸ Ʌɚɩɥɚɫɚ ɜɧɭɬɪɢ ɤɪɭɝɚ ɪɚɞɢɭɫɚ R ɫ ɰɟɧɬɪɨɦ ɜ ɩɨɥɸɫɟ ɩɨɥɹɪɧɨɣ ɫɢɫɬɟɦɵ ɤɨɨɪɞɢɧɚɬ ɢ ɝɪɚɧɢɱɧɨɦɭ ɭɫɥɨɜɢɸ ɧɚ ɨɤɪɭɠɧɨɫɬɢ

 

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ɉɪɢɦɟɪ 4.1. Ɋɟɲɢɬɶ ɤɪɚɟɜɭɸ ɡɚɞɚɱɭ ɞɥɹ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ 'u

0 ɜ ɤɪɭ-

ɝɟ x2 y2 d1, ɟɫɥɢ ɧɚ ɝɪɚɧɢɰɟ ɤɪɭɝɚ u sin3 M .

 

Ɋɟɲɟɧɢɟ: ɍɪɚɜɧɟɧɢɟ Ʌɚɩɥɚɫɚ ɜ ɩɨɥɹɪɧɵɯ ɤɨɨɪɞɢɧɚɬɚɯ r,M

ɢɦɟɟɬ ɜɢɞ

 

 

 

 

 

 

 

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- r,M R r Ɏ M ,

ɩɪɢɱɟɦ |R 0 | f ɢ Ɏ M ɩɟɪɢɨɞɢɱɟɫɤɚɹ ɫ ɩɟɪɢɨɞɨɦ 2ʌ. ɉɨɞɫɬɚɜɥɹɹ - r,M ɜ ɭɪɚɜɧɟɧɢɟ (2) ɢ ɪɚɡɞɟɥɹɹ ɩɟɪɟɦɟɧɧɵɟ,

ɩɨɥɭɱɢɦ

r

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ɚ) )cc O) 0, ) M 2S ) M

63

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4.ȼɫɩɨɦɨɝɚɬɟɥɶɧɵɟ ɪɟɲɟɧɢɹ ɢɦɟɸɬ ɜɢɞ:

-0 r,M C0 A0

a0 ,

-n r,M Cnr n

An cosnM Bn sin nM r n an cosnM bn sin nM .

5.Ɍɨɝɞɚ ɪɟɲɟɧɢɟ ɢɫɯɨɞɧɨɣ ɡɚɞɚɱɢ ɢɳɟɦ ɜ ɜɢɞɟ

 

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f

 

 

 

 

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a0 ¦r n an cosnM bn sinnM .

 

 

n 0

 

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6. ɂɫɩɨɥɶɡɭɹ ɝɪɚɧɢɱɧɨɟ ɭɫɥɨɜɢɟ u 1,M

sin3 M

3sinM 1 sin3M ,

 

 

 

 

 

 

4

4

 

f

 

 

3 sinM 1 sin3M . Ɉɬɫɸɞɚ

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a0 ¦an cosnM bn sin nM

 

n 1

 

 

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

64

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0

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n

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3

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0, b

1 ,b

0 n t 4 . ȼ ɪɟɡɭɥɶɬɚɬɟ

 

 

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2

3

4

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3 rsinM 1 r3 sin3M .

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

Ɉɬɜɟɬ: u r,M

 

3 rsinM

1 r3 sin3M .

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

ɉɪɢɦɟɪ 4.2. Ɋɟɲɢɬɶ ɤɪɚɟɜɭɸ ɡɚɞɚɱɭ 'u 0, 0 d r r0 ,

 

 

 

 

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acos3 Mbsin3 M pcosM qsinM c .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Ɋɟɲɟɧɢɟ: ɉɪɨɜɨɞɢɦ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɹ, ɚɧɚɥɨɝɢɱɧɵɟ ɩɪɢɦɟɪɭ 4.1 ɞɨ ɦɨɦɟɧɬɚ ɧɚɯɨɠɞɟɧɢɹ ɤɨɷɮɮɢɰɢɟɧɬɨɜ a0, an ɢbn .

ɉɪɟɞɫɬɚɜɢɦ ɝɪɚɧɢɱɧɨɟ ɭɫɥɨɜɢɟ ɜ ɜɢɞɟ

 

u r ,M

c 3a p cosM 3b q sinM a cos3M a sin3M.

 

 

 

0

 

 

 

 

4

 

4

 

 

4

 

 

 

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3a p cosM 3b q sinM a cos3M a sin3M

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

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a

 

 

ɋɥɟɞɨɜɚɬɟɥɶɧɨ,

 

 

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c, a1

 

 

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0, a3

 

 

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b

 

 

 

 

 

 

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b1

 

 

4 q ,b2 0 , b3

 

 

 

 

,bn

0 ɩɪɢn t 4 .

 

 

 

r0

4r0

3

 

 

Ɉɬɜɟɬ:

 

p cosM 3b

q sinMº»

 

 

a cos3M b sin3M .

 

 

u r,M

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3

 

 

 

 

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4

 

 

 

4

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r0

4

4

 

 

 

Ɂɚɞɚɧɢɹ ɞɥɹ ɢɧɞɢɜɢɞɭɚɥɶɧɨɣ ɫɚɦɨɫɬɨɹɬɟɥɶɧɨɣ ɪɚɛɨɬɵ

Ɂɚɞɚɧɢɟ 4.1. Ɋɟɲɢɬɶ ɤɪɚɟɜɭɸ ɡɚɞɚɱɭ Ⱦɢɪɢɯɥɟ ɞɥɹ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ Ʌɚɩɥɚɫɚ ɜ ɤɪɭɝɟ.

65

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2.

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0,0 d r 2,

 

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3.

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0,0 d r 4,

 

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4cos3 M 4sin3 M

 

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r

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4cos3 M sin3 M

 

 

 

 

 

 

 

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2cosM 3

5.

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0,0 d r 3,

6.

'u

 

0,0 d r 1,

 

u

 

 

 

r

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12sin3 M cosM sinM

 

u

 

 

 

 

r

1

2cos3 M 4sin3 M 2cosM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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0,0 d r 3,

8.

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0,0 d r 1,

 

u

 

 

 

r

3

3cos3 M 2sin3 M 3cosM

 

u

 

 

 

 

r

1

cos3 M 2sin3 M sinM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

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10.

'u

 

0,0 d r 3,

 

u

 

r

2

cos3 M 3sin3 M

 

u

 

 

 

r

3

9cos3 M 4sin3 M 2cosM

 

 

 

 

 

 

 

3cosM 2sinM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

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0,0 d r 2,

12.

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u

 

 

 

r

2

2cos3 M 2sin3 M cosM

 

u

 

 

 

 

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13.

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0, 0 d r 2,

14.

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0,0 d r 1,

 

u

 

 

r

2

3cos3 M 5sin3 M 2cosM

 

u

 

 

 

 

r

1

5cos3 M 3sin3 M 2cosM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.

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0,0 d r 1,

16.

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0,0 d r 1,

 

u

 

r

1

cos3 M 4sin3 M

 

u

 

 

 

r

1

cos3 M 2sin3 M

 

 

 

 

 

 

 

5cosM sinM

 

cosM sinM

17.

'u

 

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18.

'u

 

0, 0 d r 2,

 

u

 

r

1

3cos3 M 2sin3 M

 

u

 

r

2

cos3 M 4sin3 M

 

 

 

 

 

5sinM 6

 

5sinM 2

19.

'u

 

0, 0 d r 4,

20.

'u

 

0, 0 d r 2,

 

u

 

 

r

4

6cos3 M 5sin3 M sinM

 

u

 

 

 

 

r

2

2cos3 M sin3 M sinM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.

'u

 

0, 0 d r 1,

22.

'u

 

0,0 d r 1,

 

u

 

r

1

3cos3 M 5sin3 M

 

u

 

 

r

1

cos3 M 2sin3 M

 

 

 

 

 

 

2sinM 5

 

cosM sinM

23.

'u

 

0, 0 d r 1,

24.

'u

 

0, 0 d r 3,

 

u

 

 

r

1

4cos3 M 4sin3 M 2sinM

 

u

 

 

 

 

r

3

2cos3 M 4sin3 M 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25.

'u

 

0, 0 d r 1,

26.

'u

 

0, 0 d r 3,

 

u

 

 

r

1

12cos3 M sin3 M 3cosM

 

u

 

 

 

 

r

3

3cos3 M sin3 M cosM 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

66

27.

'u

 

0, 0 d r 2,

28.

'u

 

0, 0 d r 2,

 

u

 

r

2

cos3 M 3sin3 M sinM

 

u

 

r

2

4cos3 M sinM 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29.

'u

 

0, 0 d r 3,

30.

'u

 

0, 0 d r 2,

 

u

 

r

3

cos3 M 2sin3 M 3sinM

 

u

 

r

2

4cos3 M 3sin3 M cosM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. ɉɈɋɌɊɈȿɇɂȿ ɂ Ɋȿɒȿɇɂȿ ɆɈȾȿɅȿɃ ɁȺȾȺɑ ɆȺɌȿɆȺɌɂɑȿɋɄɈɃ ɎɂɁɂɄɂ

ɉɪɢɦɟɪ 4.3. Ɉɞɧɚ ɢɡ ɝɪɚɧɟɣ ɩɪɹɦɨɭɝɨɥɶɧɨɝɨ ɛɪɭɫɚ ɩɨɞɞɟɪɠɢɜɚɟɬɫɹ ɩɪɢ ɡɚɞɚɧɧɨɣ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɟ T f y , ɚ ɧɚ ɨɫɬɚɥɶɧɵɯ ɝɪɚɧɹɯ

T 0 . Ɍɪɟɛɭɟɬɫɹ ɧɚɣɬɢ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɭ ɜ ɩɪɨɢɡɜɨɥɶɧɨɣ ɬɨɱɤɟ ɜɧɭɬɪɢ ɛɪɭɫɚ.

Ɋɟɲɟɧɢɟ. ɂɡ ɫɢɦɦɟɬɪɢɢ ɛɪɭɫɚ ɹɫɧɨ, ɱɬɨ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɬ Z ɧɟ ɡɚɜɢɫɢɬ ɢ ɦɨɠɧɨ ɨɝɪɚɧɢɱɢɬɶɫɹ ɪɚɫɫɦɨɬɪɟɧɢɟɦ ɫɟɱɟɧɢɹ ɜ ɩɥɨɫɤɨɫɬɢ ɈXY. Ɂɚɞɚɱɚ ɫɨɫɬɨɢɬ ɜ ɨɩɪɟɞɟɥɟɧɢɢ ɮɭɧɤɰɢɢ T T x, y , ɭɞɨɜɥɟɬɜɨ-

ɪɹɸɳɟɣ ɭɪɚɜɧɟɧɢɸ ɫɬɚɰɢɨɧɚɪɧɨɣ ɬɟɩɥɨɩɪɨɜɨɞɧɨɫɬɢ

 

 

 

'T

 

w2T w2T

0

(4)

 

 

 

 

 

 

wx2

wy2

 

 

ɢ ɞɜɭɦ ɩɚɪɚɦ ɝɪɚɧɢɱɧɵɯ ɭɫɥɨɜɢɣ

 

 

 

T

 

x 0

0, T

 

x a

f y ,

(5)

 

 

 

 

 

 

T

 

y

0

 

0, T

 

y b

0.

(6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ɋɟɲɟɧɢɟ ɢɳɟɦ ɦɟɬɨɞɨɦ ɪɚɡɞɟɥɟɧɢɹ ɩɟɪɟɦɟɧɧɵɯ

 

T x, y

 

X x Y y .

(7)

ɉɨɞɫɬɚɜɥɹɹ (7) ɜ ɭɪɚɜɧɟɧɢɟ (4), ɩɨɥɭɱɢɦ ɞɥɹ ɧɚɯɨɠɞɟɧɢɹ

X x

ɭɪɚɜɧɟɧɢɟ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cc

 

2

X(x)

0,

 

(8)

X (x) O

 

 

ɪɟɲɟɧɢɟ ɤɨɬɨɪɨɝɨ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X (x)

 

AeOx BeOx .

(9)

67

Ⱦɥɹ ɧɚɯɨɠɞɟɧɢɹ Y(y) ɫ ɭɱɟɬɨɦ ɝɪɚɧɢɱɧɵɯ ɭɫɥɨɜɢɣ (6) ɩɪɢɯɨɞɢɦ ɤ ɤɪɚɟɜɨɣ ɡɚɞɚɱɟ

cc

2

 

0 ,

(10)

Y (y) O Y(y)

Y(0) Y(b) 0 .

(11)

Ɋɟɲɚɹ ɭɪɚɜɧɟɧɢɟ (10), ɩɨɥɭɱɚɟɦ

 

 

 

Y(y)

C cosOy DsinOy .

(12)

Ʉɨɧɫɬɚɧɬɵ ɋ, D, O ɧɚɯɨɞɢɦ ɢɡ ɝɪɚɧɢɱɧɵɯ ɭɫɥɨɜɢɣ (5)

 

Y(0) C 0 , Y(b) DsinOb 0 .

 

Ɉɬɫɸɞɚ ɩɨɥɭɱɚɟɦ, ɭɱɢɬɵɜɚɹ, ɱɬɨ D z 0, Ob Sn ɢɥɢ

 

 

On

Sn ,

n 1,2,3,...

(13)

 

 

b

 

 

ɉɨɞɫɬɚɜɥɹɹ ɩɨɥɭɱɟɧɧɵɟ ɫɨɛɫɬɜɟɧɧɵɟ ɡɧɚɱɟɧɢɹ ɜ ɪɚɜɟɧɫɬɜɚ (9) ɢ (12) ɢ ɭɱɢɬɵɜɚɹ (7), ɩɨɥɭɱɢɦ ɧɚɛɨɪ ɱɚɫɬɧɵɯ ɪɟɲɟɧɢɣ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ (4), ɭɞɨɜɥɟɬɜɨɪɹɸɳɢɯ ɝɪɚɧɢɱɧɵɦ ɭɫɥɨɜɢɹɦ (6)

T

x, y

§

 

e

Snx

N

e

 

Snx

·

Sny

(14)

 

b

b

¨M

 

 

 

 

¸sin

b

n

 

©

n

 

 

n

 

 

 

¹

 

Ɋɟɲɟɧɢɹ ɭɪɚɜɧɟɧɢɹ, ɭɞɨɜɥɟɬɜɨɪɹɸɳɢɟ ɭɫɥɨɜɢɹɦ (5), ɢ (6), ɢɳɟɦ ɜ ɜɢɞɟ ɪɹɞɚ

f

§

Snx

Nne

 

Snx

·

Sny

.

(15)

 

b

b

T x, y ¦¨M ne

 

 

 

¸sin

b

n 1

©

 

 

 

 

¹

 

 

Ʉɨɧɫɬɚɧɬɵ M n

ɢ Nn ɧɚɯɨɞɢɦ ɬɚɤɢɦ ɨɛɪɚɡɨɦ, ɱɬɨɛɵ ɧɚɣɞɟɧɧɨɟ ɪɟ-

ɲɟɧɢɟ (15) ɭɞɨɜɥɟɬɜɨɪɹɥɨ ɝɪɚɧɢɱɧɵɦ ɭɫɥɨɜɢɹɦ (5):

 

 

 

 

 

f

 

Sny

 

f

§

Sna

 

 

Sna

·

Sny

 

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,

 

b

Nne

 

b

.

b

f y ¦¨M n e

 

 

 

¸sin

b

n 1

 

 

n 1

©

 

 

 

 

¹

 

68

Ɉɬɫɸɞɚ ɜɢɞɧɨ, ɱɬɨ ɩɨɫɬɨɹɧɧɵɟ ɦɧɨɠɢɬɟɥɢ M n Nn ɢ

§

 

Sna

N

 

e

Sna ·

n

1,2,3,...

¨M

n

e b

n

b ¸

©

 

 

 

¹

 

 

ɠɟɧɢɹ ɜ ɪɹɞ Ɏɭɪɶɟ ɮɭɧɤɰɢɣ 0 ɢ

ɹɜɥɹɸɬɫɹ ɤɨɷɮɮɢɰɢɟɧɬɚɦɢ ɪɚɡɥɨ-

f y . Ɂɧɚɱɢɬ

­M

n

N

n

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

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Sna

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b2 ³ f y sin

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Sn

 

 

 

Ɉɬɫɸɞɚ, ɭɱɢɬɵɜɚɹ, ɱɬɨ sh Sn a

e b a e

 

b a

, ɧɚɯɨɞɢɦ

2

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1 b

Sny

 

M n

 

 

 

b

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b

dy , Nn

sh

Sna

 

b

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1 b

Sny

 

 

 

 

b

³ f y sin

b

dy .

sh

Sna

b

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

ɉɨɞɫɬɚɜɥɹɹ ɧɚɣɞɟɧɧɵɟ ɤɨɷɮɮɢɰɢɟɧɬɵ ɜ (15), ɩɨɫɥɟ ɧɟɫɥɨɠɧɵɯ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧɢɣ ɩɨɥɭɱɚɟɦ

 

2

f

§b

Sny

·sh

Snx

Sny

 

b

T x, y

b

¦¨³ f y sin

b

dy¸

 

 

sin

b .

 

Sna

 

 

n 1

©0

 

¹sh

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ɉɪɢ ɭɫɥɨɜɢɢ, ɱɬɨ ɪɹɞ ɫɯɨɞɢɬɫɹ, ɦɨɠɧɨ ɭɬɜɟɪɠɞɚɬɶ, ɱɬɨ ɟɝɨ ɫɭɦɦɚ ɭɞɨɜɥɟɬɜɨɪɹɟɬ ɜɫɟɦ ɭɫɥɨɜɢɹɦ ɡɚɞɚɱɢ ɢ ɹɜɥɹɟɬɫɹ ɟɟ ɪɟɲɟɧɢɟɦ.

 

2

f

§b

Sny

·sh

Snx

Sny

 

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Ɉɬɜɟɬ: T x, y

b

¦¨³ f y sin

b

dy¸

 

 

sin

b .

 

Sna

 

 

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©0

 

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b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ɉɪɢɦɟɪ 4.4. ɇɚɱɚɥɶɧɚɹ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɞɧɨɪɨɞɧɨɝɨ ɲɚɪɚ 0 d r R ɪɚɞɢɭɫɚ R ɫ ɰɟɧɬɪɨɦ ɜ ɧɚɱɚɥɟ ɤɨɨɪɞɢɧɚɬ ɪɚɜɧɚ Ɍ. ɇɚɣɬɢ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɭ ɲɚɪɚ ɞɥɹ ɫɥɭɱɚɟɜ, ɤɨɝɞɚ:

ɚ) ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɶ ɲɚɪɚ ɩɨɞɞɟɪɠɢɜɚɟɬɫɹ ɩɪɢ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɟ, ɪɚɜɧɨɣ ɧɭɥɸ; ɛ) ɜɧɭɬɪɶ ɲɚɪɚ ɱɟɪɟɡ ɟɝɨ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɶ ɩɨɞɚɟɬɫɹ ɩɨɫɬɨɹɧɧɵɣ

ɬɟɩɥɨɜɨɣ ɩɨɬɨɤ ɩɥɨɬɧɨɫɬɢ q.

69

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