umf_tests
.pdf10. |
utt = a2uxx + (Ax + B)sint + Cx + D, |
0 < x < l, t > 0, |
|
|
ux(0, t) = 0, u(l, t) = U(t), |
|
|
|
u(x, 0) = U(0), ut(x, 0) = V , |
|
|
|
а)A = 2, B = 1, C = 4, D = 0, U = const, |
|
|
|
б)A = 1, B = 0, C = 2, D = 1, U = sint, |
|
|
|
в)A = 2, B = 0, C = 1, D = 0, U = sint + 1, |
|
|
|
г)A = 4, B = 1, C = 0, D = 0, U = sin2t − 1, |
||
|
д)A = 2, B = 0, C = 0, D = 1, U = sin2t. |
|
|
11. |
utt = a2uxx + (Ax + B)sint + Cx + D, |
0 < x < l, t > 0, |
|
|
u(0, t) = U(t), ux(l, t) = 0, |
|
|
|
u(x, 0) = U(0), ut(x, 0) = V , |
|
|
|
а)A = 2, B = 1, C = 3, D = 1, U = const, |
|
|
|
б)A = 1, B = 1, C = 0, D = 1, U = 2sint, |
|
|
|
в)A = 4, B = 0, C = 1, D = 0, U = 2sint + 1, |
||
|
г)A = 3, B = 2, C = 0, D = 0, U = sin2t + 1, |
||
|
д)A = 2, B = 0, C = 0, D = 1, U = sin2t . |
|
|
12. |
utt = a2uxx + (Ax + B)sint + (Cx + D)cos2t, 0 < x < l, t > 0, |
||
|
ux(0, t) = ux(l, t) = 0, |
|
|
|
u(x, 0) = 0, ut(x, 0) = V , |
|
|
|
а)A = 2, B = 1, C = 0, D = 1, |
|
|
|
б)A = 1, B = 2, C = 1, D = 0, |
|
|
|
в)A = 1, B = 0, C = 0, D = 2, |
|
|
|
г)A = 3, B = 1, C = 2, D = 1, |
|
|
|
д)A = 2, B = 0. C = 1, D = 1. |
|
|
13. |
utt = a2uxx + (Ax + B)cost + Csinx + D, |
0 < x < l, t > 0, |
|
|
u(0, t) = U1(t), u(l, t) = U2(t), |
|
|
|
u(x, 0) = l−1(U2(0) − U1(0))x + U1(0), ut(x, 0) = 0, |
||
|
а)A = 2, B = 1, C = 3, D = 0, U1, U2 = const, |
||
|
б)A = 0, B = 1, C = 4, D = 1, U1 = cost, U2 = 2, |
||
|
в)A = 0, B = 0, C = 0, D = 1, U1 = sint, U2 = cost, |
||
|
г)A = 0, B = 0, C = 2, D = 1, U1 = cost, U2 = 1, |
||
|
д)A = −1, B = 0, C = 1, D = 0, U1 = sint, U2 = lcost. |
||
14. |
utt = a2uxx + (Ax + B)cost + Csinx + D, |
0 < x < l, t > 0, |
|
|
ux(0, t) = 0, u(l, t) = U(t), |
|
|
|
u(x, 0) = U(0), ut(x, 0) = 0, |
|
|
|
а)A = 2, B = 1, C = 3, D = 1, U = const, |
|
|
|
б)A = 1, B = 0, C = 4, D = 1, U = cost, |
|
|
в)A = 3, B = 0, C = 1, D = 0, U = 2cost + 1, г)A = 2, B = 1, C = 0, D = 0, U = cos2t, д)A = 2, B = 0, C = 1, D = 0, U = cos2t − 1.
11
15. |
utt = a2uxx + (Ax + B)cost + Ccosx + D, 0 < x < l, t > 0, |
|
u(0, t) = U(t), ux(l, t) = 0, |
|
u(x, 0) = U(0), ut(x, 0) = 0, |
|
а)A = 1, B = 1, C = 4, D = 0, U = const, |
|
б)A = 1, B = 2, C = 2, D = 1, U = cost, |
|
в)A = 1, B = 0, C = 1, D = 0, U = 2cost − 1, |
|
г)A = 3, B = 0, C = 0, D = 1, U = cos2t, |
|
д)A = 0, B = 1, C = 2, D = 0, U = cos2t − 1. |
16. |
utt = a2uxx + (Ax + B)sin2t + (Cx + D)cost, 0 < x < l, t > 0, |
|
ux(0, t) = ux(l, t) = 0, |
|
u(x, 0) = 0, ut(x, 0) = V , |
а)A = 2, B = 1, C = 0, D = 1, б)A = 1, B = 2, C = 1, D = 0, в)A = 1, B = 0, C = 0, D = 3, г)A = 4, B = 1, C = 2, D = 1, д)A = 2, B = 0, C = 1, D = 1.
Примечание. В задачах 9 - 16 предполагается, что частота вынуждающей силы не совпадает ни с одной из собственных частот струны.
Указание 1. В задачах 1 - 16 рекомендуется искать решение в виде суммы двух функций: v(x, t) и w(x, t), где v(x, t) - частное решение неоднородного волнового уравнения, а w(x, t) - общее решение однородного уравнения с нулевыми граничными условиями.
Указание 2. В задачах 1 - 8, когда вынуждающая сила не зависит от переменной t, частное решение неоднородного волнового уравнения удобно искать как функцию зависящую только от переменной x. То есть v = v(x).
Указание 3. В задачах 9 - 16 для неоднородного дифференциального уравнения вида
utt = a2uxx + F (x) + Φ(x)sinωt
или
utt = a2uxx + F (x) + Φ(x)cosωt,
частное решение можно искать в виде суммы двух функций v1(x, t) и v2(x, t), где v1(x, t) - частное решение неоднородного волнового уравнения
vtt = a2vxx + F (x),
а v2(x, t) - частное решение неоднородного уравнения
vtt = a2vxx + Φ(x)sinωt,
или
vtt = a2vxx + Φ(x)cosωt.
Функцию v1 удобно искать как функцию зависящую только от переменной x, а функцию v2 можно искать в виде v2(x, t) = X(x)sinωt или v2(x, t) = X(x)cosωt.
12
Указание 4. В задачах с ненулевыми граничными условиями часто бывает полезно предварительно представить решение u(x, t) как сумму двух функций v(x, t) и w(x, t), где функция v(x, t) удовлетворяет на границе тем же условиям, что и функция u(x, t). Таким образом, задача сводится к нахождению решения w(x, t) некоторого волнового уравнения с нулевыми граничными условиями. Функцию v(x, t) можно искать в виде v(x, t) = A(t)x + B(t).
Тема 3. Метод разделения переменных для одномерного уравнения
теплопроводности |
|
Пусть требуется найти решение одномерного уравнения теплопроводности |
|
ut(x, t) = a2uxx(x, t), |
(1) |
для x (0, l), t > 0, удовлетворяющее краевым условиям |
|
ku(0, t) + (1 − k)ux(0, t) = 0, ju(l, t) + (1 − j)ux(l, t) = 0, |
(2) |
и начальному условию |
|
u(x, 0) = ϕ(x), |
(3) |
где величина k принимает значение равное либо 0, либо 1, и величина j принимает значение равное либо 0, либо 1.
Находим сначала нетривиальное решение уравнения (1), удовлетворяющее краевым условиям (2), в виде произведения
u(x, t) = T (t)X(x). |
(4) |
Подставляя представление (4) в уравнение (1) и граничные условия (2), приходим к следующей задаче Штурма - Лиувилля
X00(x) + λX(x) = 0,
kX(0) + (1 − k)X0(0) = 0, jX(l) + (1 − j)X0(l) = 0,
из которой определяется счетное число собственных значений λn и собственных функций
Xn(x).
Функция T (t) является решением следующего уравнения
T 0(t) + λa2T (t) = 0. |
(5) |
Общее решение уравнения (5) при λ = λn имеет вид
Tn(t) = Ane−λna2t,
где An – произвольная постоянная.
Таким образом, имеется бесчисленное множество решений уравнения (1), удовлетворяющих граничным условиям (2), вида
un(x, t) = Xn(x)Tn(t).
13
А соответственно общее решение уравнения (1), удовлетворяющее граничным условиям (2), представляется в виде ряда
∞
u(x, t) = X Ane−λna2tXn(x),
n=1
при условии, что этот ряд сходится равномерно, так же как и ряды, получающиеся из него почленным дифференцированием по t и двукратным почленным дифференцированием по x.
Для выполнения начального условия (3) требуется чтобы
∞ |
|
nX |
(6) |
u(x, 0) = AnXn(x) = ϕ(x). |
|
=1 |
|
Ряд (6) представляет собой разложение в ряд Фурье функции ϕ(x). А коэффициенты An определяются как коэффициенты Фурье этого разложения.
В случае неоднородного уравнения теплопроводности
ut(x, t) = a2uxx(x, t) + f(x, t)
решение задачи ищется в виде ряда Фурье по собственным функциям однородной задачи (Xn(x))
|
∞ |
|
|
nX |
(7) |
u(x, t) = |
un(t)Xn(x), |
|
|
=1 |
|
здесь t играет роль параметра. Функцию f(x, t) представим в виде ряда |
|
|
|
∞ |
|
|
nX |
(8) |
f(x, t) = |
fn(t)Xn(x), |
|
|
=1 |
|
где fn(t) при каждом фиксированном t определяются как коэффициенты Фурье разложения функции f(x, t) в ряд по полной ортогональной системе собственных функций Xn(x), n = 1, 2, ...
Далее, подставляя представления (7), (8) в неоднородное уравнение и представление
(7) в начальное условие (3), приходим при каждом фиксированном n к задаче Коши для обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка, из которой и определяется функция un.
Контрольные задания по теме:
Решить методом разделения переменных следующую задачу для неоднородного уравнения теплопроводности :
1. |
ut = a2uxx + 2x + 1, |
0 < x < 1, t > 0, |
|
u(0, t) = 1, u(1, t) = 2, |
|
|
u(x, 0) = x + 1. |
|
2. |
ut = a2uxx + x + 2, |
0 < x < 1, t > 0, |
ux(0, t) = 1, u(1, t) = 0, u(x, 0) = x − 1.
14
3. |
ut = a2uxx + 2x + 1, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||
|
u(0, t) = 1, ux(1, t) = 2, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2x + 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
4. |
ut = a2uxx + x + 1, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||
|
u(0, t) = 0, u(1, t) = 1, |
|
|
|
|||||||||||||
|
u(x, 0) = x. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5. |
ut = a2uxx + 2x + 1, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||
|
ux(0, t) = 2, u(1, t) = 1, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2x − 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
6. |
ut = a2uxx + x + 2, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||
|
u(0, t) = 0, ux(1, t) = 1, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = x. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7. |
ut = a2uxx + t, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
u(0, t) = 2t, u(1, t) = 1, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = x − 3sin2πx. |
|
|
|
|||||||||||||
8. |
ut = a2uxx + 2xt, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||
|
u |
, t |
, |
u |
|
|
, t |
|
|
= t, |
|||||||
|
|
x(0 |
) = −1 |
|
(1 |
) |
7π |
x. |
|||||||||
|
u(x, 0) = 1 − x − cos |
|
|
||||||||||||||
|
2 |
|
|||||||||||||||
9. |
ut = a2uxx + 2t3, |
|
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||
|
u(0, t) = 1, ux(1, t) = 2t, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + sin |
5π |
x. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
10. |
ut = uxx + t2 − 1, |
|
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||
|
u |
, t |
, u |
|
|
, t |
= |
|
− |
1, |
|||||||
|
|
x(0 |
) = 5 |
x(1 |
|
) |
|
|
2 |
|
|
||||||
|
u(x, 0) = 2 + 5x − 3x |
. |
|
|
|||||||||||||
11. |
ut = a2uxx + 2t2, |
|
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||
|
u(0, t) = t, u(1, t) = 2t, |
|
|
||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2sinπx − sin3πx. |
||||||||||||||||
12. |
ut = a2uxx + t, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
ux(0, t) = 2t, u(1, t) = 1, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + 2cos |
5π |
x. |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
13. |
ut = a2uxx + 2xt, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||
|
u(0, t) = 2t, ux(1, t) = 1, |
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = x − 2sin |
3π |
x. |
|
|
|
|||||||||||
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||
14. |
ut = uxx + 3t − 1, |
|
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||
ux(0, t) = 2, ux(1, t) = 2, u(x, 0) = 1 + 2x − 2cos3πx.
15
15. |
ut = a2uxx + 3t, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||
|
u(0, t) = 1, u(1, t) = t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 − x + sin4πx. |
||||||||||||||||||
16. |
ut = a2uxx + 2xt, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
ux(0, t) = 2t, u(1, t) = t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 4cos |
3π |
|
x. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17. |
ut = a2uxx + t2, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||
|
u(0, t) = t, ux(1, t) = 2t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 4sin |
|
9π |
x. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18. |
ut = uxx + 2t, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
ux(0, t) = 3, ux(1, t) = 1, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + 3x − x2. |
||||||||||||||||||
19. |
ut = a2uxx + 2t, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||
|
u(0, t) = t2, u(1, t) = 1, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = x − sinπx + 2sin5πx. |
||||||||||||||||||
20. |
ut = a2uxx + t, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
ux(0, t) = 2, u(1, t) = t2, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2x − 2 + cos |
5π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
21. |
ut = a2uxx + x + t, |
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
u(0, t) = 2t2, ux(1, t) = t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = sinπ2 x − 3sin |
3π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
22. |
ut = uxx + t − 2, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
ux(0, t) = 0, ux(1, t) = 2, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + x2 − cos3πx + 2cos4πx. |
||||||||||||||||||
23. |
ut = a2uxx − 2x + 2, |
|
20 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
u(0, t) = 2t, u(1, t) = t , |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = sin2πx − 2sin3πx. |
||||||||||||||||||
24. |
u |
t = |
a2u |
xx |
+ tx |
− |
1, 0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
ux(0, t) = t |
, u(1, t) = 1, |
|||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 − cosπ2 x . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
25. |
ut = a2uxx + 5xt, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
u(0, t) = 1, ux(1, t) = 2t2, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + sin |
5π |
x. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
26. |
ut = uxx + 2t2 + 3, |
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
ux(0, t) = 2, ux(1, t) = 0,
u(x, 0) = 2 + 2x − x2 − 4cos2πx.
16
27. |
ut = a2uxx + 4xt, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
u(0, t) = 3, u(1, t) = t2, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3 − 3x + 2sinπx. |
|||||||||||||||||||||
28. |
ut = a2uxx + 4xt + 1, |
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||||||
|
ux(0, t) = 2t2, u(1, t) = t, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = cos |
5π |
|
x − cos |
7π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
2 |
||||||||||||||||||||
29. |
ut = a2uxx + 6t, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||||
|
u(0, t) = 4t2, ux(1, t) = 1, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = x + 4sin |
3π |
x. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
30. |
ut = uxx + t − 2, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
ux(0, t) = 1, ux(1, t) = 3, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3 + x + x2 − 2cos4πx. |
|||||||||||||||||||||
31. |
ut = a2uxx2− 2x(t − 2), |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
u(0, t) = t , u(1, t) = 4t, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 4sin3πx − 3sin5πx. |
|||||||||||||||||||||
32. |
ut = a2uxx + x − 1, |
|
02< x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||||
|
ux(0, t) = t, u(1, t) = 2t |
, |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2cos |
3π |
x − cos |
9π |
|
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
2 |
||||||||||||||||||||
33. |
ut = a2uxx + 1, |
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||||||
|
u(0, t) = t, ux(1, t) = t2, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3sinπ2 x − sin |
11π |
x. |
|||||||||||||||||||
|
2 |
|||||||||||||||||||||
34. |
ut = uxx + 2xt2, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||||
|
ux(0, t) = 1, ux(1, t) = 1, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + x − 3cos2πx + cos5πx. |
|||||||||||||||||||||
35. |
ut = a2uxx + xt2, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
u(0, t) = 2, u(1, t) = t3, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2 − 2x − sin5πx. |
|||||||||||||||||||||
36. |
ut = a2uxx + 6xt2, |
|
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
ux(0, t) = 2t3, u(1, t) = 1, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + cos |
3π |
x + cos |
7π |
x. |
|||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||||||||
37. |
ut = a2uxx + 2, |
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||||||
|
u(0, t) = 2t, ux(1, t) = t3, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = sin |
3π |
x − 2sin |
7π |
x. |
|||||||||||||||||
|
2 |
2 |
||||||||||||||||||||
38. |
ut = uxx + t + 1, |
|
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
ux(0, t) = −1, ux(1,2t) = 1, |
|||||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2 − x + x |
|
− 3cos4πx. |
|||||||||||||||||||
17
39. |
ut = a2uxx + 3t2, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
u(0, t) = t3, u(1, t) = 1, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
u(x, 0) = x − 2sinπx + 3sin2πx. |
||||||||||||||||||
40. |
ut = a2uxx + 3(x − 1), |
|
|
|
30 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
ux(0, t) = 3t, u(1, t) = 2t |
, |
|||||||||||||||||
|
u(x, 0) = cosπ2 x − cos |
3π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
41. |
ut = a2uxx + 4xt2, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
u(0, t) = 2, ux(1, t) = 2t3, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 2 − sin |
9π |
x. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
42. |
ut = uxx + t + 2, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
u |
|
, t |
, u |
|
, t) = |
− |
1, |
|||||||||||
|
|
x(0 |
) = 1 |
|
x |
(1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
u(x, 0) = 1 + x − x |
|
+ cos2πx − cos3πx. |
||||||||||||||||
43. |
ut = a2uxx3− 3xt2 + 2x, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
u(0, t) = t , u(1, t) = 2t, |
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3sin2πx − sin5πx. |
||||||||||||||||||
44. |
ut = a2uxx + t2, |
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||||
|
ux(0, t) = 1, u(1, t) = t3, |
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = x − 1 + cos |
7π |
|
x. |
|||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
45. |
ut = a2uxx + 4x, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
u(0, t) = t3, ux(1, t) = 4t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3sinπ2 x − sin |
7π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
46. |
ut = uxx + t2 − 3, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
ux(0, t) = 0, ux(1, t) = 4, |
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 1 + 2x2 + 3cos5πx. |
||||||||||||||||||
47. |
ut = a2uxx + 4(1 − x), 3 |
, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||
|
u(0, t) = 4t, u(1, t) = t |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
u(x, 0) = sin2πx − 2sin3πx. |
||||||||||||||||||
48. |
ut = a2uxx + 3xt2, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
ux(0, t) = t3, u(1, t) = 2t, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = 5cosπ2 x − 2cos |
5π |
x. |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
49. |
ut = a2uxx + 2t2, |
|
0 < x < 1, t > 0, |
||||||||||||||||
|
u(0, t) = 2t3, ux(1, t) = 1, |
||||||||||||||||||
|
u(x, 0) = x − 2sin |
3π |
x. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
50. |
ut = uxx + 2t − 1, |
|
|
0 < x < 1, t > 0, |
|||||||||||||||
|
ux(0, t) = 1, ux(1, t) = 5, |
|
|
|
|||||||||||||||
|
u(x, 0) = 3 + x + 2x2 + 2cosπx − cos3πx. |
||||||||||||||||||
18
Указание 1. В задачах 1 - 8, когда источники тепла не зависят от переменной t, общее решение неоднородного уравнения теплопроводности удобно искать в виде суммы двух функций: v(x) и w(x, t), где v(x) - частное решение неоднородного уравнения теплопроводности, а w(x, t) - общее решение однородного уравнения с нулевыми граничными условиями.
Указание 2. В задачах с ненулевыми граничными условиями часто бывает полезно предварительно представить решение u(x, t) как сумму двух функций v(x, t) и w(x, t), где функция v(x, t) удовлетворяет на границе тем же условиям, что и функция u(x, t). Таким образом, задача сводится к нахождению решения w(x, t) некоторого уравнения теплопроводности с нулевыми граничными условиями. Функцию v(x, t) можно искать в виде v(x, t) = A(t)x + B(t), либо v(x, t) = A(t)x2 + B(t)x.
Тема 4. Метод разделения переменных для уравнения Лапласа в областях с круговыми границами
Рассмотрим первую краевую задачу для уравнения Лапласа в круге, записанную в полярной системе координат,
1 ∂ |
ρ |
∂u |
! + |
|
1 ∂2u |
= 0, ρ < a, |
(1) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ρ ∂ρ |
∂ρ |
ρ2 ∂ϕ2 |
|||||||||
|
|
u(a, ϕ) = f(ϕ), 0 ≤ ϕ < 2π. |
(2) |
||||||||
Будем искать частное решение задачи в виде
u(ρ, ϕ) = R(ρ)Φ(ϕ).
Подставляя предполагаемую форму решения в уравнение (1) получим
R dρ |
ρ dρ ! |
= − |
Φ00 |
= λ, |
ρ d |
dR |
|
Φ |
|
где λ = const. Отсюда получаем два уравнения
|
Φ00(ϕ) + λΦ(ϕ) = 0, |
(3) |
|||
ρdρ |
ρ dρ ! |
− λR = 0. |
(4) |
||
|
d |
|
dR |
|
|
Отметим, что функция Φ является 2π – периодичной
Φ(ϕ + 2π) = Φ(ϕ). |
(5) |
Задача (3), (5) дает счетное число собственных значений и функций
Φn(ϕ) = Ancosq |
λn |
ϕ + Bnsinq |
λn |
ϕ, |
q |
λn |
= n, n = 0, 1, 2, .... |
Решение уравнения (4) представляется в виде
R0(ρ) = C0 + D0lnρ, Rn = Cnρn + Dnρ−n, n = 1, 2, .... |
(6) |
19
Условие ограниченности решения дает Dn = 0, n = 0, 1, 2, .... Таким образом, имеется бесчисленное множество решений уравнения (1), удовлетворяющих условию 2π – периодичности,
un(ρ, ϕ) = Rn(ρ)Φn(ϕ), n = 0, 1, 2, ....
А соответственно общее решение уравнения (1) представляется в виде ряда
∞
u(ρ, ϕ) = X ρn(ancosnϕ + bnsinnϕ).
n=0
Коэффициенты an, bn находятся из граничного условия (2).
Вслучае, когда требуется найти решение уравнения Лапласа внутри кольца a ≤ ρ ≤ b,
впредставлении (6) для Ri(ρ), i = 0, 1, 2, ... требуется сохранить оба слагаемых, так как в отличии от задачи для круга точка ρ = 0 находится вне кольца.
Врезультате получим частные решения в виде
u0(ρ, ϕ) = a0 + b0lnρ,
un(ρ, ϕ) = (anρn + bnρ−n)cosnϕ + (cnρn + dnρ−n)sinnϕ, n = 0, 1, 2, ....
Составляя затем общее решение и требуя удовлетворения краевым условиям, получим соотношения из которых можно определить коэффициенты an, bn, cn, dn.
Контрольные задания по теме:
Задание 1. Решить методом разделения переменных следующую задачу для уравнения Пуассона в кольце 0 < a < ρ < b, при m = 1, 2, 3
1.u(ρ, ϕ) = 2,
u(a, ϕ) = 0, u(b, ϕ) = cosmϕ.
2.u(ρ, ϕ) = 2,
u(a, ϕ) = sinmϕ, uρ(b, ϕ) = 0.
3.u(ρ, ϕ) = 2,
uρ(a, ϕ) = 0, u(b, ϕ) = 3cos2mϕ.
4.u(ρ, ϕ) = 12ρ2,
u(a, ϕ) = 2cosmϕ, u(b, ϕ) = 0.
5.u(ρ, ϕ) = 12ρ2,
u(a, ϕ) = 0, uρ(b, ϕ) = 2sin2mϕ.
6.u(ρ, ϕ) = 12ρ2,
uρ(a, ϕ) = sin(m + 1)ϕ, u(b, ϕ) = 0.
7.u(ρ, ϕ) = 4 + 12ρ2,
u(a, ϕ) = 1 + sin3mϕ, u(b, ϕ) = 0.
8.u(ρ, ϕ) = 4 + 12ρ2,
u(a, ϕ) = 0, uρ(b, ϕ) = 3cos(m + 1)ϕ.
20