Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

MI_T2TerekhovSV

.pdf
Скачиваний:
281
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
14 Мб
Скачать
☆

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 19

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а) cos2 (ω 0 t) ;

б)

t

cos u

d u .

∫

 

 

 

u

 

 

0

 

 

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y ( p) :

4 y ''' + y '' − 5 y ' , y'' (0) = −3 , y' (0) = −2 , y (0) =1 .

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

p

.

( p − 1)( p 2 + 25 )

 

 

 

5. Решить дифференциальное уравнение y'' −y' =

e2t

при нулевых на-

t

1+e

 

 

чальных условиях ( y' (0) = 0 , y (0) =0 ) с помощью интегралов Дюамеля. 6. Найти частные решения дифференциального уравнения

y''' − y' = 3(2 −t 2 ) ,

y'' (0) =1, y' (0) =1, y (0) =1 .

7. Решить систему дифференциальных уравнений

 

 

' '

− 2 x

'

 

= y

 

x (0 ) =0 ,

x

'

(0 ) =0

 

 

x

 

 

 

,

 

.

 

 

' '

 

 

'

 

 

 

y '(0 ) =0

 

 

− 2 y

= x

y (0 ) =0,

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Решить операционным методом:

 

 

 

∂ 2 T ( x ; t )

 

а) уравнение теплопроводности

 

∂ T ( x ; t ) = 324

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ t

 

 

 

∂ x 2

 

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−7t ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂U

=−

∂I

−I

 

 

 

 

 

 

б) телеграфное уравнение

 

 

∂x

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, U(x; 0) =0, U (0; t ) =5t ;.

 

 

 

∂I

=− ∂U

−U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) уравнение продольных колебаний стержня

∂ 2 f (x ; t)

= 361

∂ 2 f (x ; t) ,

f ( x; 0) =

∂ f ( x; 0)

=0,

f (0; t ) =0,

∂ f (l ; t )

=5sin(ω t ).

∂t 2

 

∂ x 2

 

∂t

 

 

∂x

 

440

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 20

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а) sin2 (3ω0 t) ;

t

б) ∫e−2 u sin(3u) du .

 

0

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y(p) :

5 y ''' + 4 y ' − 2 y , y '' (0) = −1, y' (0) = −2 , y (0) = 2 .

 

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

 

1

 

.

 

 

 

p ( p − 8) 2

 

 

5. Решить дифференциальное уравнение y '' + y =

 

 

1

 

при нулевых

2

+ cos t

 

 

 

начальных условиях ( y' (0) = 0 , y (0) = 0 ) с помощью интегралов Дюа-

меля.

 

 

 

6.

Найти частные решения дифференциального уравнения

 

 

y'' + 2 y' + 2 y = 2 e−t sin t , y' (0) =1, y (0) =1 .

 

 

 

7.

'

 

+ 2 y = 3t , x(0) =2.

Решить систему дифференциальных уравнений x

'

 

 

− 2 x = 4

y (0) =3

 

y

 

 

8. Решить операционным методом:

а) уравнение теплопроводности ∂ T ( x ; t )

∂ t

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−2t ;

∂U

=−0,5

∂I

−2 I

 

∂x

∂t

б) телеграфное уравнение

 

 

∂I

=−3 ∂U +10U

 

∂x

∂t

 

 

 

=625 ( x t ) ,

∂x 2

,U(x; 0) =0, U (0; t ) =3t ;;∂ 2 T

в) уравнение продольных колебаний стержня

∂ 2 f (x ; t)

= 4

∂ 2 f (x ; t) ,

f ( x; 0) =

∂ f ( x; 0)

=0,

f (0; t ) =0,

∂ f (l ; t )

=2sin(ω t ).

∂t 2

 

∂ x 2

 

∂t

 

 

∂x

 

441

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 21

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а)sin(4 t − 2) ; б) t sin(2 t) .

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y ( p) :

6 y '' − 7 y ' + 5 y , y ' (0) = 4 ,

y (0) = −2 .

 

 

 

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

 

p 2

.

 

 

 

 

( p 2 + 1) 2

 

 

5. Решить дифференциальное уравнение

y'' +4 y =

 

1

 

 

при нуле-

 

+ cos2

 

 

 

3

(2t)

вых начальных условиях ( y' (0) = 0

,

y (0) = 0 ) с помощью интегралов

Дюамеля.

 

 

6.

Найти частные решения дифференциального уравнения

 

y'' −2 y' =et (t 2 +t −3)

,

y' (0) = 2 , y (0) = 2 .

7.

Решить систему дифференциальных уравнений

x' + y ' − y = et

2 x' + y ' + 2 y =

, x (0) =0.

cos t y (0) =0

8. Решить операционным методом:

 

t ) = 441 ∂ 2 T ( x ; t ) ,

 

а) уравнение теплопроводности ∂ T ( x ;

 

 

 

 

∂ t

∂ x 2

 

 

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−8t ;

 

 

 

 

 

 

 

∂U

=−8

∂I

−3I

 

 

 

 

 

 

 

б) телеграфное уравнение ∂x

 

∂t

 

, U(x; 0) =0, U (0; t ) =−4t ;

 

∂I

=− ∂U −8U

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

в) уравнение продольных колебаний стержня

 

 

∂ 2 f (x ; t)

= 49 ∂ 2 f (x ; t) , f ( x; 0) =∂ f ( x; 0) =0, f (0; t ) =0,

∂ f (l ; t )

=2cos(ω t ).

∂t 2

∂ x 2

∂t

 

 

∂x

 

442

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 22

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а) −t sin(2 t) ;

t

б) ∫u3 e u du .

 

0

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y ( p) :

4 y (4) + 3 y ''' + 2 y '' + y ' − 7 y , y''' (0) =1 , y'' (0) = −1, y' (0) =1, y (0) = −1 .

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля: p 2 .

( p 2 + 1) 2

5. Решить дифференциальное уравнение y'' +16y =cos2(4t) при нулевых начальных условиях ( y' (0) = 0 , y(0) =0) с помощью интегралов Дюаме-

ля.

6.

Найти частные решения дифференциального уравнения

 

y''' − y' = 3(2 −t 2 ) , y'' (0) =1, y' (0) =1, y (0) =1 .

7.

Решить систему дифференциальных уравнений

 

 

'

+ x − y = e

t

 

x

 

 

 

 

 

 

 

'

 

 

t

 

−x + y

+ y = e

 

 

 

,x (0) =1.y (0) =1

8. Решить операционным методом:

 

 

∂ 2T (x ; t) ,

а) уравнение теплопроводности ∂T (x ; t)

=169

 

 

∂t

 

 

∂ x 2

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−2t ;

 

 

 

 

 

∂U

=−2

∂I

−5 I

 

 

 

 

б) телеграфное уравнение ∂x

 

∂t

 

, U(x; 0) =0, U (0; t ) =9t ;

∂I

=−2 ∂U −3U

 

 

 

∂t

 

 

 

∂x

 

 

 

 

в) уравнение продольных колебаний стержня

∂ 2 f (x ; t)

=36

∂ 2 f (x ; t) ,

f ( x; 0) =

∂ f ( x; 0)

=0,

f (0; t ) =0,

∂ f (l ; t )

=sin(ω t ).

∂t

 

∂x

∂t 2

 

∂ x 2

 

 

 

 

443

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 23

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а) cos2 (ω 0 t) ;

б)

t

cos u

d u .

∫

 

 

 

u

 

 

0

 

 

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y(p) :

 

5 y ''' + 4 y ' − 2 y , y '' (0) = −1,

y' (0) = −2 , y (0) = 2 .

 

 

 

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

p ( p − 8) 2

 

 

 

5. Решить дифференциальное уравнение y '' − y ' =

 

1

 

 

 

 

при нулевых

 

+ e t

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

начальных условиях ( y' (0) = 0 ,

y (0) = 0 )

с помощью интегралов Дюа-

меля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Найти частные решения дифференциального уравнения

 

 

y''' −16 y' = t 2 +1, y'' (0) = −1,

y' (0) = 0 , y (0) = 0 .

 

 

 

 

7. Решить систему дифференциальных уравнений

'

+ 2 y

= 3t , x (0) =2.

x

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 2 x

= 4

y (0) =3

8. Решить операционным методом:

 

 

 

 

y

 

 

 

 

t ) = 441 ∂ 2 T ( x ; t )

 

 

 

 

 

 

 

 

а) уравнение теплопроводности ∂ T ( x ;

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ t

∂ x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−8t ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂U

=−8

∂I

−3I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) телеграфное уравнение ∂x

 

∂t

 

, U(x; 0) =0, U (0; t ) =−4t ;

 

 

∂I

=− ∂U −8U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) уравнение продольных колебаний стержня

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ 2 f (x ; t)

= 49 ∂ 2 f (x ; t) , f ( x; 0) =∂ f ( x; 0) =0, f (0; t ) =0, ∂ f (l ; t )

=2cos(ω t ).

∂t 2

∂ x 2

∂t

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

444

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 24

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а) e t +7 ; б) t 3e −2 t .

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y ( p) :

y(4) − 2 y'' +3 y' , y''' (0) = −1 , y'' (0) = 2 , y' (0) = 0 ,

y (0) = 3 .

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

p

.

( p − 1)( p 2 + 25 )

 

 

5. Решить дифференциальное уравнение y'' −y' = e2t при нулевых на-

1+et

чальных условиях ( y' (0) = 0 , y (0) =0 ) с помощью интегралов Дюамеля.

6.

Найти частные решения дифференциального уравнения

 

y''' − y' = 3(2 −t 2 ) ,

y'' (0) =1, y' (0) =1, y (0) =1 .

7.

Решить систему дифференциальных уравнений

 

 

' '

− 2 x

'

= y

x (0 ) =0 ,

x

'

(0 ) =0

 

 

x

 

 

 

.

 

 

' '

 

 

'

 

,

y '(0 ) =0

 

 

− 2 y

= x

y (0 ) =0,

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

8. Решить операционным методом:

а) уравнение теплопроводности ∂ T ( x ; t )

∂ t

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−3 t ;

∂U

=−4

∂I

−3I

 

∂x

∂t

б) телеграфное уравнение

 

 

∂I

=−7 ∂U −4U

 

∂x

 

∂t

 

 

 

 

=144 ∂ 2 T ( x ; t ) ,

∂x 2

,U(x; 0) =0, U (0; t ) =5t ;

в) уравнение продольных колебаний стержня

∂ 2 f (x ; t)

=16

∂ 2 f (x ; t) ,

f ( x; 0) =

∂ f ( x; 0)

=0,

f (0; t ) =0,

∂ f (l ; t )

=9sin(ω t ) .

∂t 2

 

∂ x 2

 

∂t

 

 

∂x

 

445

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVI. Операционное исчисление

Вариант 25

1. Найти изображение аналитически заданных оригиналов:

а)sin(4 t − 2) ; б) t sin(2 t) .

2.Найти изображение графически заданного оригинала:

3.Найти изображение выражения, если y(t) Y ( p) :

4 y ''' + y '' − 5 y ' , y'' (0) = −3 , y' (0) = −2 , y (0) =1 .

 

 

 

4. Найти оригинал с помощью теоремы Бореля:

 

 

 

1

 

.

 

 

 

p ( p 2 + 4 p + 21)

5. Решить дифференциальное уравнение

y'' +4 y =

 

1

 

при нуле-

 

+ cos

2 (2t)

 

3

 

 

вых начальных условиях ( y' (0) = 0 , y (0) = 0 ) с помощью интегралов Дюамеля.

6. Найти частные решения дифференциального уравнения

 

y''' −3 y' + 2 y = 8t e−t ,

y'' (0) =1, y' (0) = 0 ,

y (0) = 0 .

 

7. Решить систему дифференциальных уравнений

 

 

 

 

' '

+ x + y = 5

 

 

 

 

 

'

( 0 ) =0

 

 

 

x

 

 

 

x ( 0 ) =0,

x

.

 

 

 

' '

 

 

 

,

 

( 0 ) =0,

y ' ( 0 ) =0

 

 

 

− 4 x − 3 y = −

3

y

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Решить операционным методом:

 

 

∂ 2 T ( x ; t ) ,

 

а) уравнение теплопроводности

∂ T ( x ; t ) = 441

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ t

 

 

∂ x 2

 

 

T ( x; 0) =0, T (0; t ) =e−8t ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂U

=−8

∂I

−3I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂t

 

 

 

 

 

б) телеграфное уравнение

 

 

 

, U(x; 0) =0, U (0; t ) =−4t ;

 

 

 

∂I =− ∂U −8U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) уравнение продольных колебаний стержня

 

 

 

 

∂ 2 f (x ; t)

= 49 ∂ 2 f (x ; t) , f ( x; 0) =∂ f ( x; 0)

=0, f (0; t ) =0

, ∂ f (l ; t )

=2cos(ω t ).

∂t 2

∂ x 2

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

∂x

 

446

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный университет Кафедра “Нанофизика”

Национальная академия наук Украины

Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина

Математический

инструментарий для студентов-физиков

Т.2. Задачи. Часть 2. Специальный курс

Замечание: для групп физиков-теоретиков приведены 10 вариантов заданий; в текстах заданий курсивом выделены основные слова, на которые следует обращать повышенное внимание.

447

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Модульный блок № 9

Задания для самостоятельного решения

XVII. Уравнения математической физики

Вариант 1

1.Вывести уравнение движения материальной точки с массой m ,

если лагранжиан L(t; x; x& =v) = m2v2 − k 2x 2 .

2.Найти решение уравнения колебаний струны длиной l а) методом

бегущих волн; б) методом разделения переменных:

∂ 2 u

= 4

∂ 2 u

, u(t; 0) =0.

∂t 2

∂ x 2

 

u(t; l ) =0

3. Найти решение уравнения диффузии а) методом автомодельной переменной; б) методом функции Грина:

∂ c(t; x)

=11

∂2c (t; x)

, c (0; x > 0) = 0, 2

:

 

∂t

 

 

 

 

∂x 2

 

 

c (0; x < 0) = 0,8

 

4. Найти решение уравнения колебаний бесконечной струны

 

∂ 2 u

 

 

∂ 2 u

u (0; x) = x − 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 25

 

,

∂u (0;

x)

= 4x

+3

.

 

 

∂ t 2

∂ x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Найти решение уравнения

d

(1 − x 2 )

dy

 

+ y = 0 в виде степенного

 

d x

dx

 

ряда.

6. Найти методом разделения переменных решение уравнения Лап-

ласа для шаровой области единичного радиуса:

 

1

 

∂

 

ρ 2

∂u

 

 

1

 

∂

 

∂u

 

 

1

 

∂

2

u

= 0 .

∆u =

 

 

 

+

 

sinθ

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂θ

 

 

ρ 2 sin 2 θ ∂ϕ 2

 

 

∂ ρ

 

∂ ρ

 

ρ 2 sinθ ∂θ

 

 

7. Найти решение стационарного уравнения Шрёдингера:

d 2ψ

+(4−x2 )ψ =0 при условии

∞

 

2 d ξ =

1 .

∫

 

ψ

 

 

 

2

d x

−∞

 

 

4

 

 

 

 

 

8. Найти решение уравнения Фредгольма 2-го рода

b

ϕ (x) − 2 ∫(x −s)ϕ (s) d s =4x . 3 a

448

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XVII. Уравнения математической физики

Вариант 2

1.Вывести уравнение движения материальной точки с массой m ,

если лагранжиан L(t; x; x& =v) = m2v2 −mω2 x2 .

2.Найти решение уравнения колебаний струны длиной l а) методом

бегущих волн; б) методом разделения переменных:

∂ 2 u

= 9

∂ 2 u

,

u (t ; 0) = 0 .

∂t 2

∂ x 2

 

 

u (t ; l ) = 0

3. Найти решение уравнения диффузии а) методом автомодельной переменной; б) методом функции Грина:

∂ c (t ; x)

=24

∂ 2c (t ; x)

, c (0; x > 0) = 0,3

:

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

∂ x 2

 

 

c (0; x < 0) = 0,7

 

4. Найти решение уравнения колебаний бесконечной струны

 

∂ 2 u

 

 

∂ 2 u

u (0; x) = x +8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 121

 

 

 

 

,

∂u (0; x)

= 2x −5

.

 

 

∂ t 2

∂ x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Найти решение уравнения

d

 

(1 − x 2 )

dy

 

+ 9 y = 0 в виде степенного

 

 

 

 

 

 

d x

 

 

dx

 

 

 

ряда.

6. Найти методом разделения переменных решение уравнения Лап-

ласа для шаровой области единичного радиуса:

 

1

 

∂

 

ρ 2

∂u

 

 

1

 

∂

 

∂u

 

 

1

 

∂

2

u

= 0 .

∆u =

 

 

 

+

 

sinθ

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂θ

 

 

ρ 2 sin 2 θ ∂ϕ 2

 

 

∂ ρ

 

∂ ρ

 

ρ 2 sinθ ∂θ

 

 

7. Найти решение стационарного уравнения Шрёдингера:

d 2ψ

+(7−x2 )ψ =0 при условии

∞

 

2 d ξ =

1 .

∫

 

ψ

 

 

 

2

d x

−∞

 

 

8

 

 

 

 

 

8. Найти решение уравнения Фредгольма 2-го рода

b

ϕ (x) −2∫(x −s)ϕ (s) d s =x −1.

a

449

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]