Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
методичка.pdf
Скачиваний:
222
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
4.86 Mб
Скачать

где коэффициенты a,b, c, d, e, g, f есть функции только x и y.

Если коэффициенты уравнения (6.3) не зависят от x и y, то оно представляет собой линейное уравнение с постоянными коэффициентами.

Определение 6.4. Линейное уравнение (6.3) называется однородным, ес-

ли f (x, y) 0 для (x, y) D.

Определение 6.5. Решением уравнения (6.1) называется определенная в области D действительная функция u(x,y), непрерывная в этой области вместе со своими частными производными, входящими в уравнение, и обращающая его в тождество в области D.

§6.2. Классификация и приведение к каноническому виду линейных уравнений в частных производных второго порядка с двумя независимыми переменными в окрестности точки

Рассмотрим линейное уравнение

 

2u

 

2u

 

2u

 

 

u

u

 

a

 

 

 

2b

 

c

 

 

F

x, y,u,

 

,

 

0,

(6.4)

 

 

 

x y

 

 

 

y

 

x

2

 

 

2

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

в котором коэффициенты a,b, c есть функции x и y, имеющие непрерывные частные производные до второго порядка включительно в области D.

Предположим, что a,b, c не обращаются одновременно в нуль и что функция u (x, y) имеет непрерывные частные производные до второго порядка

включительно в этой области.

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 6.6.

Уравнение

(6.4)

называется

в некоторой точке

M0(x0, y0), M0 D, уравнением

 

 

 

 

M0

 

b2

1)

гиперболического типа, если

в

точке

выполнено условие

ac 0;

 

 

 

 

 

M0 справедливо равенство

b2

2)

параболического

типа,

если

в

точке

ac 0;

 

 

 

 

 

M0

 

 

 

3)

эллиптического

типа,

если

в

точке

выполнено неравенство

b2 ac 0.

Определение 6.7. Кривая (x, y) c называется характеристикой урав-

нения (6.4) в некоторой точке M0(x0,y0), принадлежащей этой кривой, если выполнены следующие условия:

1) 2 (x0, y0) 2 (x0, y0) 0;

x2 y2

45

 

 

 

 

2 (x , y

0

)

 

 

 

 

 

2 (x , y

0

)

 

2) a(x , y

0

)

 

0

 

 

 

 

2b(x , y

0

)

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

x2

 

 

 

0

 

 

 

x y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c(x0, y0)

 

2 (x0

,

 

y0)

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция u (x, y)

является частным решением уравнения

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

2u

 

 

 

2u

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

2b

 

c

 

0

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

x y

y2

 

 

 

в том и только в

 

том случае,

когда кривая (x, y) c

есть общий интеграл

дифференциального уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ady2 2bdxdy cdx2

0.

 

 

(6.5)

Определение 6.8. Уравнение (6.5) называется характеристическим для

уравнения (6.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть G некоторая окрестность точки M0(x0,y0),

в которой уравне-

ние (6.4) имеет один и тот же тип. В силу достаточной гладкости в области G

коэффициентов a, b, c всегда существует такое невырожденное преобразова-

ние

 

 

(x, y),

(x, y)

(6.6)

переменных x,y,

при помощи которого уравнение (6.4) в этой области приво-

дится к уравнению вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

2u

 

2u

 

 

u u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

2 2b

 

 

c

 

 

2

, , u,

,

 

0,

(6.7)

 

 

 

 

F2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

a

( , ) a

 

 

2b

 

 

 

 

 

 

c

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x y

 

 

y

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c( , ) a

 

 

 

 

2b

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b( , ) a

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

x y

y

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

причем b2

 

 

 

 

(b2

 

 

 

 

 

ac)

 

 

 

 

 

 

 

, т. е.

ac

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

y

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.8)

c

 

 

 

,

 

 

y y

преобразование (6.6) не

меняет типа уравнения.

Выясним, какое преобразование (6.6) приводит в некоторой окрестности G точки M0(x0,y0) уравнение (6.4) к уравнению (6.7) наиболее простой формы в каждом из трех указанных случаев.

46

b2 ac 0

Пусть

сначала

b2 ac 0 в

области G. Будем считать,

что

в точке

M0(x0,y0)

либо a 0, либо c 0.

В противном случае этого можно достиг-

нуть заменой переменных x

x

 

 

 

 

y x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

,

 

 

y.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

2b

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

(6.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

Предположим,

что

a 0

 

в точке M0(x0,y0),

 

тогда в силу

условия

b2 ac 0 уравнению (6.9) удовлетворяют решения каждого из уравнений:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

b

 

 

b2 ac

 

1

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

(6.10)

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

2

 

ac

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кривые 1(x, y) c,

2(x, y) c представляют собой действительные и

различные характеристики уравнения (6.4) гиперболического типа.

 

 

Так как a 0, то из (6.10) следует, что в некоторой окрестности G точки

M0(x0,y0)

выполнены условия

 

1

 

0,

 

2

0,

и, значит,

преобразова-

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

ние 1 (x, y), 2 (x, y) в этой окрестности является невырожденным.

Указанное преобразование приводит в окрестности G точки M0(x0,y0)

уравнение (6.4) к уравнению (6.7), в котором a c 0, b 0, т. е. к уравнению вида

2u

 

 

 

F

, , u,

 

 

3

 

 

 

u

u

 

 

,

 

.

(6.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть , , тогда уравнение (6.11) примет вид

2u

 

2u

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

F

, , u,

 

,

 

,

(6.12)

 

2

 

2

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

который называется каноническим видом уравнения гиперболического типа.

Пусть теперь в области G. Тогда хотя бы один из коэффициентов a, c отличен от нуля в этой области. Предположим, например, что a 0

в точке M0(x0,y0), следовательно, оба уравнения (6.10) совпадают и обращаются в уравнение

 

 

 

 

a

 

b

 

0.

(6.13)

 

 

 

x

y

 

Если функция 1(x, y) – решение уравнения (6.13), имеющее непрерывные частные производные второго порядка, и первые производные этой функции

47

не обращаются в нуль одновременно в области G, то кривая 1(x, y) с является действительной характеристикой уравнения (6.4) параболического типа.

Положим

1 (x, y), 2 (x, y), (6.14)

где 2 (x, y) – любая дважды непрерывно дифференцируемая в области G функция, такая, что преобразование (6.14) является невырожденным в этой области.

Тогда уравнение (6.4) приводится к уравнению (6.7), где a b 0, c 0

в G, т. е. к уравнению вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

u

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 F5

, ,u,

,

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

которое называется каноническим видом уравнения параболического типа.

Пусть, наконец, в области G выполнено условие b2 ac 0. Предполо-

жим, что все коэффициенты a, b,

c

есть аналитические в этой области функ-

ции от x и y. Тогда коэффициенты уравнений (6.10) – также аналитические функции от x и y в области G. Пусть (x, y) 1(x, y) i 2(x, y) есть ана-

литическое решение первого из уравнений (6.10) и

 

 

 

 

 

0 в этой об-

x

y

 

 

 

 

ласти. Тогда кривые 1(x, y) i 2(x, y) c

являются

комплексно-сопря-

женными характеристиками уравнения (6.4)

эллиптического типа. Полагая

1(x, y), 2(x, y), получим невырожденное в G преобразование, кото-

рое приводит уравнение (6.4) к уравнению (6.7), где

a

 

с

,

b 0, т. е. к урав-

нению вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

2u

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

 

F

, ,u,

 

,

 

 

 

,

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и называется каноническим видом уравнения эллиптического типа.

§6.3. Уравнение малых поперечных колебаний струны. Граничные

иначальные условия. Корректность постановки задачи

Куравнениям гиперболического типа приводят задачи, связанные с процессами колебаний, например, задачи о колебаниях струны, мембраны, газа, электромагнитных колебаниях. Характерной особенностью процессов, описываемых такими уравнениями, является конечная скорость их распространения.

Рассмотрим задачу о колебаниях струны. Будем предполагать, что смещения струны лежат в одной плоскости (x, u) и вектор смещения u перпенди-

кулярен в любой момент к оси x. Тогда процесс колебания можно описать одной функцией u (x,t), характеризующей вертикальное перемещение струны.

48

Будем рассматривать струну как гибкую упругую нить и, значит, считать, что струна не сопротивляется изгибу.

Величина натяжения T0 в каждой точке не меняется со временем. Пусть(x) – линейная плотность струны и внешняя сила непрерывно распределена с плотностью F(x, t), рассчитанной на единицу длины.

В случае постоянной плотности const указанные колебания струны описываются уравнением вида

 

 

 

 

 

 

 

2u

a2

 

2u

 

f (x,t),

(6.15)

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где a

T0

,

f (x,t)

F(x, t)

есть плотность силы,

отнесенная к единице

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

массы. Если внешняя сила отсутствует, то получаем однородное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

a2

 

2u

,

(6.16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеризующее свободные колебания струны, которое является простейшим примером уравнения гиперболического типа.

Дифференциальные уравнения в частных производных имеют, вообще говоря, бесконечное множество решений. Для однозначной характеристики процесса необходимо к уравнению присоединить некоторые дополнительные условия.

Если рассматриваются поперечные колебания струны, закрепленной на

концах x 0

и x l в области

0 x l,

то должны выполняться граничные

условия

u (0, t) u (l,t) 0.

(6.17)

 

Так как процесс колебаний струны зависит от ее начальной формы и рас-

пределения скоростей, то следует указать начальные условия

 

 

u (x,t0) (x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (x,t0)

 

 

 

 

 

 

 

(x),

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

где (x), (x) есть заданные функции.

 

 

 

Если концы струны движутся по определенному закону, то граничные ус-

ловия (6.17) принимают вид

 

 

 

 

 

 

u (0,t)

1

(t),

(6.18)

 

 

 

 

 

 

u (l,t) 2 (t),

 

в котором 1

(t) и 2 (t) есть заданные функции времени t.

 

Определение 6.9. Краевая задача для уравнения (6.15) – задача нахожде-

ния функции

u (x,t), определенной в области 0 x l, t 0,

и удовлетво-

ряющей уравнению (6.15) для 0 x l,

t 0, граничным условиям (6.18) при

t 0 и начальным условиям

 

49

u (x,t)

u (x,0) (x),

 

 

(6.19)

u (x,0)

(x)

 

t

 

 

при 0 x l.

Если колебания происходят в течение малого промежутка времени, то влияние границ еще несущественно; поэтому вместо краевой задачи можно рассматривать предельную задачу с начальными условиями для неограничен-

ной области.

 

 

 

 

 

 

Определение

6.10. Задача

Коши

это

задача

нахождения функции

u (x,t), определенной в области:

x ,

t 0, удовлетворяющей урав-

нению (6.15) для

x ,

t 0,

и

начальным

условиям (6.19) при

x .

Решения краевой задачи и задачи Коши зависят от функций, входящих в начальные и граничные условия, которые на практике являются результатом некоторых измерений, поэтому неизбежны погрешности в их определении. Эти погрешности влияют на погрешности решений. Малые ошибки в начальных и граничных условиях могут повлечь за собой большую ошибку в решении. Различают корректно и некорректно поставленные задачи.

Определение 6.11. Краевая задача (6.15), (6.18), (6.19) называется корректно поставленной, если решение всегда существует для любых

f (x, t), 1 (t), 2 (t), (x), (x), однозначно определено и непрерывно зависит от исходных данных этой задачи.

Задачи, не удовлетворяющие перечисленным условиям, называются не-

корректно поставленными.

 

 

 

 

§6.4. Решение уравнений свободных колебаний

 

однородной струны методом Даламбера

 

Рассмотрим задачу Коши

 

 

 

 

 

 

2u

a2

2u

,

(6.20)

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

u (x, 0) (x),

 

 

 

 

u (x, 0)

 

x ,

(6.21)

 

 

 

 

(x),

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

описывающую свободные колебания однородной струны.

 

Учитывая, что

x at c1,

x at c2 – характеристики

уравнения

(6.20), введем новые переменные

 

 

 

 

x at, x at.

50

 

2u

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда уравнение (6.20) примет вид

0 или

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

Отсюда

 

 

g( ), где

g( ) – некоторая функция только переменной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и, значит, u( , ) g( )d f1 ( ) f1( ) f2

( ), в котором

f1 ( ) и

f2 ( ) есть функции только переменных и соответственно.

 

Следовательно,

u(x, t) f1(x at) f2(x at)

 

 

 

 

 

 

является решением уравнения (6.20).

 

 

 

Определяя функции f1

и f2 через заданные функции и ,

в силу на-

чальных условий (6.21) получим

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

x at

 

 

u (x, t)

 

[ (x at) (x at)]

 

 

( ) d .

(6.22)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2a x at

 

Формула (6.22) называется формулой Даламбера и дает решение задачи Коши (6.20), (6.21), если (x) имеет непрерывные производные до второго порядка включительно, а (x) – до первого.

Задача Коши (6.20), (6.21) является корректно поставленной. Пример 6.1. Задача Коши:

 

2u

 

2u

 

u(x, 0)

 

 

 

 

,

u(x, 0) sin x,

 

 

x cosx.

 

t2

x2

t

 

Решение.

В нашем случае (x) sin x,

(x) x cos x. Тогда

(x at) sin(x at) sin xcosat cos xsin at,

(x at) sin(x at) sin xcosat cos xsin at,

и, значит,

 

 

1

[ (x at) (x at)] sin xcosat .

 

 

x at

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем

( )d , получим

 

 

 

 

 

 

 

 

x at

 

 

 

 

 

 

 

 

x at

 

x at

 

x at

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

( )d

 

 

( cos )d

 

sin

 

 

 

(x at)2

 

2

 

x at

 

x at

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

(x at)2

 

 

 

 

x at

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(x at)

sin(x at) 2a xt 2cosxsinat.

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда в силу формулы (6.22) решение искомой задачи Коши имеет вид

1

u(x, t) sin xcosat xt cosxsinat. a

51

§6.5. Решение уравнений колебаний струны методом Фурье

6.5.1.Рассмотрим краевую задачу

2u a2 2u ,

t2 2x

u(0, t) u(l, t) 0, t 0,

u (x, 0) (x),

 

 

u (x, 0)

0 x l,

 

 

 

(x),

 

 

 

t

 

 

 

(6.23)

(6.24)

(6.25)

описывающую свободные колебания однородной струны с закрепленными концами.

Будем сначала искать частные решения уравнения (6.23), не равные тождественно нулю, в виде произведения

u(x, t) X (x)T (t),

(6.26)

удовлетворяющие граничным условиям (6.24). Подставляя (6.26) в уравнение

(6.23), получим

T

 

2

T(t)

X

 

(t) X(x) a

 

(x)

или

 

T (t)

X (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

(6.27)

 

 

 

 

X(x)

 

 

a2 T(t)

 

 

Левая часть последнего равенства зависит только от t, а правая – только от x, и равенство (6.27) возможно лишь в том случае, если левая и правая его части не зависят ни от x, ни от t, т. е. представляют собой одну и ту же постоянную, которую обозначим через ( ):

T (t)

X (x)

 

 

 

 

 

.

(6.28)

a2

 

 

T (t)

X(x)

 

Из соотношения (6.28) получаем два обыкновенных дифференциальных уравнения для определения функций X(x) и T(t):

X (x) X(x) 0,

(6.29)

 

 

2

T(t) 0.

(6.30)

T (t) a

 

В силу граничных условий (6.24) получим

 

 

u(0, t) X

(0)T(t) 0,

t 0.

 

u(l, t) X (l)T(t) 0, t 0.

 

Отсюда следует, что функция

X(x) должна удовлетворять дополнитель-

ным условиям

 

 

 

 

 

X(0) X(l) 0,

 

(6.31)

так как в противном случае T(t) 0,

и, значит,

u (x, t) 0, что противоречит

задаче о нахождении нетривиального решения.

52

Найдем теперь те значения , при которых существуют нетривиальные решения задачи

X

 

 

(x) X(x) 0,

(6.32)

 

(0) X(l) 0.

X

 

Возможны следующие случаи: 1) 0; 2) 0; 3) 0. 1. При 0 общее решение уравнения (6.29) имеет вид

X(x) c1 e x c2 e x ,

где c1, c2 – произвольные постоянные. В силу условий (6.31) получим

c1 c2 0, c1 e l c2 e l 0.

Отсюда c1 c2 0, и, значит, X(x) 0.

2. При 0 общее решение уравнения (6.29) запишется в виде

X(x) c1 c2 x.

Тогда в силу (6.31) имеем c1 0, c1 c2 l 0, т. е. c1 c2 0, и, следовательно, X(x) 0.

3. При 0 общее решение уравнения (6.29) имеет вид

X(x) c1 cos x c2 sin x.

Учитывая условия (6.31), получим

 

c1 0,

c1 cos l c2 sin

l 0.

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если X(x) 0,

то c2 0,

поэтому sin l 0, т. е.

 

 

 

 

, n Z.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

Следовательно, нетривиальные решения задачи (6.32) возможны лишь

 

n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при значениях n

 

 

 

n Z, n 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

Этим значениям соответствуют функции

 

 

 

 

x

 

n Z, n 0,

 

 

 

Xn sin

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

определяемые с точностью до произвольного множителя, который положим равным единице.

В дальнейшем для n достаточно брать только целые положительные зна-

чения, так как n

n , а функции

X n

и Xn отличаются лишь постоянным

множителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При n , n N , общее решение уравнения (6.30) имеет вид

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

Tn(t) An cos

 

 

at

 

Bn sin

 

 

at

 

,

(6.33)

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

l

 

 

 

 

где An, Bn – произвольные постоянные. Таким образом, функции

53

 

 

 

un (x,t) Xn (t)Tn (t)

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

n

 

(6.34)

 

A

cos

 

at

B

sin

 

at

sin

 

x

 

 

 

 

 

 

n

 

l

 

n

 

l

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

являются частными решениями уравнения (6.23), удовлетворяющими граничным условиям (6.24).

В силу линейности и однородности уравнения (6.23) сумма частных решений

 

 

 

 

n

 

 

n

 

n

 

 

u(x, t) u

n

(x,t) A

cos

 

at

B

sin

 

at sin

 

x

(6.35)

 

 

 

n 1

 

n

 

l

 

n

 

l

 

 

l

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

также является решением уравнения (6.23), удовлетворяющим граничным условиям (6.24), если ряд (6.35) равномерно сходится и его можно дважды по-

членно дифференцировать по x и

t.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (x,t)

Определим коэффициенты

An

и

Bn

из условия, что функция

удовлетворяет начальным условиям (6.25).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продифференцируем ряд (6.35) по переменной t:

 

 

 

 

 

u

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

a

A sin

 

 

 

 

at

 

B

cos

 

 

 

 

at sin

 

x .

(6.36)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

n 1 l

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

Полагая в (6.35) и (6.36) t

0, получим в силу начальных условий (6.25):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)

An sin

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a Bn sin

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)

 

 

l

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

Формулы

(6.37) представляют

собою

разложения

заданных функций

(x) и (x) в ряд Фурье по синусам в интервале (0, l). Отсюда

 

 

 

 

 

 

2

l

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

An

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)sin

l

 

 

x dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n N .

 

(6.38)

 

 

 

 

 

 

2

l

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)sin

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bn

 

 

l

dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, решение краевой задачи (6.23) – (6.25) определяется рядом (6.35), где коэффициенты An и Bn вычисляются по формулам (6.38).

Если функция (x) на отрезке [0, l] дважды непрерывно дифференци-

руема, имеет кусочно-непрерывную третью производную и удовлетворяет условиям (0) (l) 0, (0) (l) 0, а функция (x) на этом отрезке

непрерывно дифференцируема, имеет кусочно-непрерывную вторую производную и удовлетворяет условиям (0) (l) 0, то функция u (x,t), определяемая рядом (6.35), имеет непрерывные производные второго порядка и

54

удовлетворяет уравнению (6.23), граничным условиям (6.24) и начальным условиям (6.25). При этом возможно почленное дифференцирование ряда (6.35) по x и t два раза, и полученные ряды сходятся абсолютно и равномерно при 0 x l и любом t 0.

Пример 6.2. Решите краевую задачу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

a2

 

2u

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(0, t) u(l,t) 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, 0)

1

sin

 

3 x

,

 

 

u(x, 0)

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

l

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. В нашем случае (x)

1

 

sin

3 x

,

(x) 0. Найдем коэф-

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n N .

фициенты An и Bn

по формулам (6.38). Так как (x) 0, то Bn 0,

Определим теперь An.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 l

 

n

 

 

 

 

 

 

2 l

1

 

 

 

3 x

 

n

 

An

 

 

(x) sin

 

 

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

sin

 

xdx

 

l

l

 

l

8

l

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

l

 

1

4l

l

1

 

3 n

 

 

 

 

 

 

 

2

cos

 

l

0

 

 

 

 

 

3 n

x

 

cos

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

,еслиn 3,

 

 

x

 

 

 

 

 

dx 8

 

 

 

 

 

 

еслиn 3.

 

 

0,

Следовательно, учитывая формулу (6.35), решение искомой краевой задачи имеет вид

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (x, t) cos

 

 

at

 

x

 

sin

.

 

 

 

 

8

 

 

l

 

 

l

 

 

6.5.2. Рассмотрим теперь краевую задачу

 

 

 

 

 

 

2u

 

a2

2u

 

f (x, t),

 

(6.39)

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(0, t) u(l, t) 0,

t 0,

 

(6.40)

u(x,0) (x),

 

 

 

 

 

 

 

u(x,0)

 

 

 

 

0 x l,

 

(6.41)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x),

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

описывающую вынужденные колебания однородной струны, закрепленной на концах.

Решение этой задачи будем искать в виде суммы

u v w,

(6.42)

где v есть решение неоднородного уравнения

55

 

2v

a2

2v

f (x,t),

(6.43)

 

t2

x2

 

 

 

 

 

удовлетворяющее граничным условиям

 

 

 

v(0,t) v(l,t) 0,

t 0,

(6.44)

и начальным условиям

v(x, 0)

v(x, 0)

 

0,

0 x l,

(6.45)

 

t

аw есть решение однородного уравнения

 

 

2w

a2

2w

,

(6.46)

 

 

t2

 

x2

 

 

 

 

 

удовлетворяющее граничным условиям

 

 

 

w(0, t) w(l, t) 0,

t 0,

(6.47)

и начальным условиям

 

 

 

 

 

 

 

 

w(x, 0) (x),

 

 

 

 

w(x, 0)

 

0 x l.

(6.48)

 

 

 

 

 

(x),

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

Решение w представляет свободные колебания однородной струны, закрепленной на концах, и, значит, в силу формул (6.35), (6.38) имеет вид

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

w(x,t)

A

cos

 

 

at

 

B

 

 

sin

 

at sin

 

x ,

(6.49)

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

l

 

 

l

 

 

n 1

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 l

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

An

 

 

(x)sin

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

l

dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n N.

 

 

 

(6.50)

 

 

 

2 l

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bn

 

 

 

(x)sin

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

dx,

 

 

 

 

 

 

 

na 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение v представляет вынужденные колебания однородной струны, закрепленной на концах, с отсутствующими начальными возмущениями.

Как и в случае свободных колебаний, решение v будем искать в виде ряда

 

n

 

 

 

v(x, t) Tn(t)sin

 

 

x

 

(6.51)

 

 

l

,

n 1

 

 

 

 

и, значит, граничные условия (6.44) выполняются, если ряд (6.51) сходится равномерно.

Определим теперь функции Tn (t) так, чтобы ряд (6.51) удовлетворял уравнению (6.43) и начальным условиям (6.45).

Подставляя ряд (6.51) в уравнение (6.43), имеем

56

 

 

 

 

 

 

na 2

 

 

 

n

 

 

 

 

 

(t)

 

 

 

(t)

 

 

 

 

 

 

 

(6.52)

 

 

 

 

 

 

Tn

 

 

l

Tn

sin

 

x f (x, t).

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

Разложив функцию f (x, t)

 

в ряд Фурье по синусам в интервале (0,l),

рассматривая t как параметр, получим

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, t) fn(t)sin

 

 

 

x

 

(6.53)

 

 

 

 

 

 

 

 

,

где

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

2 l

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n N.

 

 

fn(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.54)

 

f (x,t)sin

 

l

x dx,

 

 

 

 

l

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x,t),

Сравнивая разложения (6.52) и (6.53) для одной и той же функции

составим дифференциальные уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tn

 

(t)

 

 

 

 

 

(t)

fn(t),

 

n N,

(6.55)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

Tn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определяющие функции Tn (t).

Чтобы решение v, определяемое рядом (6.51), удовлетворяло и начальным условиям (6.45), достаточно потребовать выполнения равенств

 

 

 

T (0) T (0) 0,

n N.

 

(6.56)

 

 

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

Решение уравнения (6.55), удовлетворяющее начальным условиям (6.56),

имеет вид

 

l

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n N.

 

Tn

(t)

 

 

fn( )sin

 

(t )

(6.57)

 

 

l

d ,

 

 

na 0

 

 

 

 

 

 

Подставляя найденные выражения для Tn(t) в ряд (6.51), получим решение задачи (6.43) – (6.45), если ряд (6.51) и ряды, полученные из него почленным дифференцированием по x и t до двух раз включительно, равномерно сходятся. Последнее возможно, если непрерывная функция f (x,t) имеет непрерывные част-

ные производные по x до второго порядка и при всех t 0 выполнены условия f (0, t) f (l,t) 0.

Таким образом, решение искомой задачи (6.39) – (6.41) имеет вид

u(x, t) Tn

n 1

n

 

 

 

 

n

 

 

(t) sin

 

x

 

 

A

cos

 

at

 

 

 

 

l

 

n 1

 

n

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

B

n

sin

 

at sin

 

 

 

 

 

l

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

(6.58)

x

 

 

A cos

 

 

at

 

 

 

n 1

 

n

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

l t

 

na

 

 

 

n

 

 

Bn sin

 

 

at

 

 

 

 

fn ( ) sin

 

 

(t )

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

l

d

sin

 

l

,

 

 

 

 

 

na 0

 

 

 

 

 

 

 

 

57

где коэффициенты An, Bn,

fn(t)

вычисляются по формулам (6.50) и (6.54).

Пример 6.3. Решите краевую задачу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

a2

2u

 

e t sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(0, t) u(l, t) 0,

t 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, 0) 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, 0)

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x,

0 x l.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

Решение. В нашем случае (x) 0, (x) sin

x,

f(x,t) e t sin

x.

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

2 l

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

An

 

 

 

 

 

(x)sin

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

n N .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

0

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем теперь Bn, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 l

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

2 l

 

3

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bn

(x)sin

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

x

 

 

l

dx

 

 

 

 

 

 

l

 

sin

x dx

 

 

na

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na 0

 

 

 

 

 

l

 

1

 

l

3 n

 

 

 

 

 

 

 

 

3 n

 

 

 

 

 

 

 

l

, если n 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

x

 

 

l

 

x dx 3 a

 

 

 

 

 

 

na

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

если n 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим коэффициенты

fn(t),

n N , по формуле

 

 

 

 

 

 

2

 

l

 

 

n

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fn

(t)

f (x, t)sin

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

l

 

 

dx

 

 

l

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

2e t

l

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

sin

 

 

 

x

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

l

 

 

 

l

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Тогда в силу формулы (6.58) имеем

l

 

t

 

 

 

 

 

n

e

sin

 

 

x

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

l

 

 

 

l

 

 

 

 

e t , если n 1.

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

если n 1.

 

 

 

 

0,

x dx

 

 

l

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

l t

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, t)

 

 

sin

 

at

 

 

 

 

x

 

 

 

 

e

 

sin

 

 

 

 

(t )

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d sin

 

l

.

 

3 a

 

l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

a 0

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим сначала полученный интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

u e

, d u e d ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

(t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

l

 

 

 

)

d

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

cos

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

t

 

t

 

 

l

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

cos

 

 

 

 

 

(t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

a

 

cos

 

 

 

(t ) d

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

58

 

 

 

 

u e ,du e d ,

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

cos

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

(t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

l

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

l t

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

sin

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

(t ) d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

a 0

 

 

 

 

 

l

 

a

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

t

 

 

 

a

 

 

 

 

l2

 

 

a

 

 

 

 

 

 

l2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

cos

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

I.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

2a2

 

l

2a2

 

 

Отсюда

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l a e t

cos

 

 

 

t

l2 sin

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l2

2a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значит, решение искомой краевой задачи имеет вид

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, t)

 

 

sin

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

sin

l

x

 

 

 

 

 

 

 

 

3 a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

l3

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

l2

e t cos

 

 

 

t

 

 

 

 

sin

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

a

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

a

 

 

 

 

 

 

 

l

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.5.3. Рассмотрим краевую задачу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

a2

 

2u

 

f (x, t),

 

 

 

 

 

 

 

(6.59)

 

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(0,t) 1

(t),

t 0,

(6.60)

 

(t),

u(l,t) 2

 

 

u(x, 0) (x),

 

 

 

u(x, 0)

0 x l,

(6.61)

 

 

 

(x),

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

описывающую вынужденные колебания однородной струны, концы которой x 0 и x l движутся по определенному закону (6.60).

Решение. Задачу (6.59) – (6.61) можно свести к задаче с однородными граничными условиями.

Введем новую вспомогательную функцию

w(x,t) 1(t) ( 2(t) 1(t))

x

 

 

.

(6.62)

l

Тогда

59

w(0, t) 1

(t),

t 0.

 

(t),

w(l, t) 2

 

Решение задачи (6.59) – (6.61) будем искать в виде суммы

u v w,

 

где v есть новая неизвестная функция.

 

 

В силу граничных условий (6.60) и (6.63) функция v(x, t)

однородным граничным условиям

 

 

v(0, t) v(l, t) 0,

t 0.

Учитывая начальные условия (6.61), получим

(6.63)

(6.64)

удовлетворяет

(6.65)

v(x,0)

v(x,0)

 

t

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

u(x,0) w(x,0) (x) 1(0) ( 2(0) 1(0))

 

1(x),

 

l

(6.66)

 

u(x,0)

 

w(x,0)

(x) 1(0) ( 2(0) 1(0))

x

 

 

 

 

 

 

 

 

1(x),

 

t

t

 

 

 

 

 

 

 

l

 

где 0 x l.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя (6.64) в уравнение (6.59), имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v

a2

2v

 

a2

2w

 

 

2w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, t)

 

 

или

 

 

t2

x2

x2

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2v

 

 

 

 

 

 

2v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

g (x, t),

 

 

 

 

 

(6.67)

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где g (x, t)

f (x, t) 1(t) ( 2(t) 1(t))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, функция v (x, t) является решением задачи

 

 

 

 

 

 

 

 

2v

a2

 

2v

g (x,t),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v (0, t) v(l,t) 0, t 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v (x, 0) 1(x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v (x, 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 x l,

 

 

 

 

 

 

 

 

1(x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и, следовательно, в силу (6.58), (6.50), (6.54) функция имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

v(x, t)

A

cos

 

 

 

 

at

B sin

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

n

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

n

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.68)

 

 

l t

 

 

 

 

 

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gn( )sin

 

l

(t ) d

sin

 

,

 

 

na

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

60

где

An

Bn

2 l

 

n

 

 

 

 

 

 

1(x)sin

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx,

 

 

l 0

 

l

 

 

 

 

 

 

 

2

l

 

 

 

n

 

 

 

 

 

1(x)sin

 

 

 

x

 

n N.

(6.69)

 

 

 

 

na

 

 

 

dx,

0

 

 

 

 

l

 

 

 

gn(t)

2 l

l 0

 

n

 

 

g(x, t)sin

 

 

x

 

 

 

l

dx.

 

 

 

 

Отсюда решение искомой краевой задачи (6.59) – (6.61) запишется в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

u(x, t) (t) (

2

(t) (t))

 

 

 

A

cos

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

l

 

 

 

n

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

(6.70)

 

 

n

 

 

l

 

t

 

 

 

na

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

sin

 

at

 

 

 

 

 

g

n

( ) sin

 

 

 

(t

) d sin

 

 

x

,

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

l

 

 

na

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в котором коэффициенты An,Bn,gn(t), n N, определяются по формулам (6.69).

Пример 6.4. Решите краевую задачу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

a2

 

 

2u

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (0, t) e t ,

u (l, t) 0, t 0,

 

 

 

 

 

 

 

u (x, 0) 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

0 x l.

 

 

 

 

 

 

 

u (x, 0)

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. В нашем случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x) 0, (x)

 

, f (x,t) 0, (t) e t

,

2

(t) 0.

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Найдем по формулам (6.69) коэффициенты An, Bn, gn(t), n N . Учиты-

вая, что

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

1 (x)

 

1, 1(x) 1,

 

 

g (x, t) e

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

получим

 

 

2 l

x

 

n

An

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 sin

 

l

 

 

l

0

l

 

 

 

 

 

x

 

 

1

 

 

 

 

u

 

1,

du

 

 

 

dx

 

 

l

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

l

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

cos

 

 

x

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

61

2

 

 

l x

 

n

 

 

 

l

1

l

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

cos

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 cos

 

l

 

 

 

 

l

dx

 

 

l

 

n l

 

 

 

 

 

 

n 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

sin

n

x

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2n2

l

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

;n

 

2

l

 

 

Bn

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

na 0

 

 

gn(t

n

 

 

 

 

 

 

2l

 

( 1)

n

1

 

 

 

2l

 

1 ( 1)

n 1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n

2

 

 

 

2

n

2

 

 

l

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

2 l

x

 

 

 

 

 

n

 

 

 

2e t

 

 

 

 

 

 

e

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

1

 

l

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

l

0

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

Тогда в силу формулы (6.70) имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

t

 

x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

1 ( 1)

n 1

 

 

 

 

n

 

 

 

u(x, t) e

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

l

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l t 2e

 

 

 

 

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

(t

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

l

 

 

d

sin

l

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим полученный интеграл. Обозначим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I e

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

(t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

d ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

na

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l na

e t cos

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

l2 sin

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l2 ( na)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, решение искомой задачи имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

1 ( 1)

 

 

 

 

sin

n

 

 

 

u(x, t) e

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

cos

 

 

l

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l2 na e t

cos

 

 

 

 

 

 

a t l3 sin

 

 

 

 

 

 

 

 

a t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

( na)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

( n)

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

62

Методические указания к выполнению контрольной работы

Задача 1. В пространстве R3 задан базис:

g1 (1; 1;1), g2 (2; 3; 4), g3 (2; 2; 6).

Построить по данному базису ортонормированный.

Решение.

Следуя процессу ортогонализации Грамма–Шмидта (1.1), положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(12) f

1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

1

 

 

 

g

1 (1; 1;1),

f2

g

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(f1,

 

 

2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2 ( 1)( 3) 1 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(12)

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 f2 ( 1;0;1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(

3 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

3

 

(13) f1

 

(23) f2 , где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(f

2

,

 

 

 

 

 

 

3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

 

 

1

 

g

2; (3)

g

2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда f

3

(2; 4; 2). Нормируя теперь векторы f1,

f2, f3, получаем ОНБ:

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

1

e

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

, e

 

 

 

 

 

;0;

 

 

 

 

 

 

,

e

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

;

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

3

 

 

 

 

6

 

 

6

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чтобы убедиться в правильности вычислений, нужно найти попарные скалярные произведения полученных векторов. Все они должны быть нулевыми.

Задача 2. Найти прямое преобразование Фурье функции

 

 

ax

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) e

 

,

t 0

 

 

 

 

Решение.

0,

 

t 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В соответствии с формулой (2.1) находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e (a i )t

 

1

 

 

 

 

 

 

F(i ) e at e i t dt e (a i ) tdt

 

 

 

 

.

a i

 

0

0

 

 

 

 

0

a i

 

/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.1. Вычислить интеграл

sin5 xcos3 xdx.

 

 

 

 

Решение.

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле (3.12) имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

63

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 1

 

 

 

3 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

3

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1 3 2

 

 

 

 

 

 

1 2 1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

xcos

 

xdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

5 3

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

5

 

 

 

 

2

 

4!

24

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.2. Вычислить интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

(1 x)7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле (3.13), учитывая (3.9), имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

2

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 x)7/ 2

(1 x)5/2 1

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 (1 x)

7

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.3. Вычислить интеграл

 

ln

 

 

 

 

dx,

 

p 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сделаемзамену

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

p

 

 

ln

1

t x e t ,dx e tdt

 

 

0

p

 

t

 

 

 

 

p

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

dx

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

e

 

dt t

 

 

 

e

 

 

dt (p 1).

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

x 0 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 1 t 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 4.1. Решить линейное разностное уравнение второго порядка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(n 2) y(n) 2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

при начальных условиях y(0) y(1) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(n) Y(z).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(n 2) z2[Y(z) (y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

y

/ z)].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 уравнения

 

 

 

Комбинируя соотношения (2)

и (3) с коэффициентами 1,

(1) и учитывая, что выражение

y0 y1 / z

равно нулю в силу начальных усло-

вий, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– для левой части (1): y(n 2) y(n) Y(z)(z2

1);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

64

– для правой части (1): 2n z . z 2

Операторное уравнение

Y(z)(z2 1) z z 2

имеет решение

 

Y(z)

 

 

 

z

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z2 1)(z 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь особые точки z1 1, z2 1,z3 2. Тогда по формуле (4.3) находим

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

( 1)n

2n

y(n) ResY(z) zn 1

ResY(z) zn 1

ResY(z) zn 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

6

 

3

z 1

z 1

 

 

 

 

z 2

2

 

 

 

 

 

 

Задача 4.2. Решить линейное разностное уравнение второго порядка

 

y(n 2) 5y(n 1) 6y(n) 1

 

 

 

 

 

(4)

при начальных условиях y(0) 1, y(1)

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

y(n) Y(z).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(n 1) z[Y(z) y0] z[Y(z) 1];

 

 

 

 

 

(6)

y(n 2) z2[Y(z) y

0

y

/ z] z2

[Y(z) 1 1/ z].

(7)

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Умножая соотношения (5) – (7) соответственно на 6, –5, 1, получим

 

 

y(n 2) 5y(n 1) 6y(n) Y(z)[z2 5z 6] (z2 5z) z.

 

 

Для правой части уравнения (4) будем иметь 1

z

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Операторное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y(z)[z2 5z 6] (z2 5z) z

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1

 

 

 

 

 

 

 

имеет решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z3 7z2 7z

 

 

z3

7z2 7z

 

 

 

 

 

 

 

Y(z)

 

 

 

.

 

 

 

 

(z 1)(z2 5z 6)

(z 1)(z 2)(z 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция Y(z) представляет собой несократимую дробь, знаменатель ко-

торой имеет простые корни z1 1, z2 2, z3 3. Тогда по формуле (4.3) находим

y(n) ResY(z)zn 1 ResY(z)zn 1 ResY(z)zn 1

1

3 2n

5

3n.

2

2

z 1

z 2

z 3

 

 

Проверим, выполняются ли начальные условия

65

 

1

5

 

 

 

 

 

 

1

 

15

 

 

 

y(0)

 

 

3

 

 

 

 

1, y(1)

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

n

 

 

5

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значит, функция y(n)

 

 

3 2

 

 

 

3

 

 

является решением исходной

 

 

2

 

 

задачи.

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 5.1. Найти экстремальные кривые функционала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

[y(x)]

 

 

 

 

 

 

y

(x)) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(y (x))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при условиях y(0) 0,

y( 2) 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

2F

 

 

 

 

2F

 

 

 

 

 

 

2F

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Находим

 

 

2y,

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

2. Отсюда уравне-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x y

 

 

 

y y

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

ние Эйлера в данном конкретном случае будет иметь вид y

y 0. Экстре-

мальные кривые y(x) c1 sinx c2 cosx, а решение нашей задачи

y(x) sin x.

Задача 5.2. Найти экстремальные кривые, соответствующие минимальной длине кривой.

y

y1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I [y(x)]

1 y 2(x)dx при условиях y(x0) y0,

y(x1) y1.

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2F

 

 

 

 

2F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

0,

 

0,

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x y

y y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2F

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 2(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

.

 

y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 y 2(x)

 

 

 

 

 

(1 y 2(x))3

 

 

(1 y 2(x))3

Уравнение Эйлера

 

 

 

 

F

0 y c1x c2. Учитывая граничные

 

 

 

 

 

 

 

 

y (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

условия, найдем c , c

 

:

с

 

y1

y0

;

c

 

 

x1y0

x0 y1

.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

1

 

x

0

 

 

 

 

2

 

 

x

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

66

Задача 5.3. Найти экстремальную кривую, соответствующую минимальной площади поверхности вращения.

y

(x1 y1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 y2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S[y(x)] 2 y(x) 1 y 2(x) dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как F F(y, y ),

уравнение Эйлера имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

2F

 

y

2F

y 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

y y

 

y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

F

 

 

 

Если уравнение Эйлера умножить на y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.

, получим

 

 

 

 

 

 

F y

 

y

 

Это уравнение имеет первый интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F y

C1 y

 

1 y 2

 

 

 

 

C1

 

 

 

C1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 y 2

1 y 2

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подстановка y ch t

 

дает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y C ch t dx

dy

 

C {x C t C

2

, y C ch t}.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x C2

 

Или после исключения

 

t

 

уравнение цепной линии y C ch

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

C1

 

 

 

Задача 6. Найти решение u(x,t) уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

 

 

0, 0 x 5, t 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с граничными условиями u(0, t) u(5, t) 0 и начальными условиями

 

 

 

 

u (x, 0) 25sin (4 x),

 

u(x, 0)

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

67

Реше ние.

 

 

В нашем случае a 7,l 5, (x) 25sin(4 x),

(x) 0,

x [0,5].

Решение данной краевой задачи определяется рядом (6.35), в котором коэффи-

циенты An, Bn, n N, вычисляются по формулам (6.38).

 

 

 

Так как (x) 0, x [0,5], то Bn 0,

n N . Определим теперь An.

 

2 l

 

 

n

 

 

2 5

 

 

n

An

 

(x) sin

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d x

25sin(4 x) sin

5

 

x dx

 

l 0

 

 

 

l

 

 

5

0

 

 

 

 

 

5

 

20 n

 

 

 

20 n

 

25,

если n 20,

5

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

5

 

 

cos

 

5

dx

 

если n 20.

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

Отсюда, учитывая формулу (6.35), решение искомой краевой задачи имеет вид

u(x, t) 25cos(28 t) sin(4 x).

68

Литература

1.Бицадзе, А. В. Уравнения математической физики / А. В. Бицадзе. –

М. : Наука, 1976. – 296 с.

2.Сборник задач по математике для втузов. Ч. 2. Специальные разделы математического анализа : учеб. пособие для втузов / В. А. Болгов [и др.] ; под общ. ред. А. В. Ефимова и Б. П. Демидовича – 2-е изд. – М. : Наука, 1986. – 368 с.

3.Гельфанд, И. М. Вариационное исчисление / И. М. Гельфанд, С. В. Фо-

мин. – М. : Наука, 1961. – 228 с.

4.Жевняк, Р. М. Высшая математика : Дифференциальные уравнения. Уравнения математической физики. Теория функций комплексной переменной : учеб. пособие / Р. М. Жевняк, А. А. Карпук. – Минск : ИРФ Обозрение, 1977. – 570 с.

5.Жевняк, Р. М. Высшая математика : Операционное исчисление. Теория вероятностей. Математическая статистика. Случайные процессы : учеб. пособие / Р. М. Жевняк, А. А. Карпук. – Минск : ИРФ Обозрение, 1977. – 445с.

6.Жевняк, Р. М. Высшая математика. В 10 ч. Ч. 5 : учеб. пособие / Р. М. Жевняк, А. А. Карпук. – Минск : Выш. шк., 1988. – 254 с.

7.Кофман, А. Введение в прикладную комбинаторику /А. Кофман. – М. :

Наука, 1975. – 368 с.

8.Краснов, М. Л. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости: учеб. пособие / М. Л. Краснов, А. И. Киселев, Г. И. Макаренко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Наука, 1991. – 304 с.

9.Краснов, М. Л. Интегральные уравнения. Серия «Избранные главы высшей математики для инженеров и студентов втузов». Задачи и упражнения / М. Л. Краснов, А. И. Киселев, Г. И. Макаренко. – М. : Наука, 1968. – 192 с.

10.Краснов, М. Л. Интегральные уравнения (Введение в теорию) /

М. Л. Краснов. – М. : Наука, 1975. – 304 с.

11.Михлин, С. Г. Лекции по линейным интегральным уравнениям : учеб. пособие / С. Г. Михлин. – М. : Наука, 1959. – 232 с.

12.Петровский, И. Г. Лекции об уравнениях с частными производными / И. Г. Петровский. – М. : Физматгиз, 1961. – 400 с.

13.Смирнов, М. М. Дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка / М. М. Смирнов. – М. : Наука, 1964. – 208 с.

14.Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики / А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. – М. : Наука, 1977. – 736 с.

69

Контрольная работа

Вариант 1

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

 

x1 ( 1, 1,1),

x2 2,

2,1 ,

x3 (0, 2,1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

 

 

 

 

f

 

 

1,

| x | 1,

 

 

 

 

 

 

 

(x)

| x | 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

1

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

n 1 xn

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

x(n 3) 3x (n 2) 3x (n 1) x(n) 2n,

x(0)

0, x(1) 0, x(2) 1.

5.

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) (12xy yy' (y')2) dx, y(0) 1, y(1)

4.

 

0

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

2u

 

6.

Найти решение

u(x,t) уравнения

 

0, 0 x 1, t 0

t2

 

x2

 

с граничными условиями u(0, t) 0,u(1, t) 0 и начальными условиями

 

u(x,0) 2sin x,

 

u(x,0)

 

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 2

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 (1, 2,1),

x2 1, 3, 0 ,

x3 (1, 2, 1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

sign x,

| x | 1,

f (x)

| x| 1.

0,

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

xpe xq dx.

полученного интеграла

0

4. Решить линейное разностное уравнение

70

x(n 2) x(n 1) x(n) 0, x(0) 0, x(1) 1.

5. Найти допустимые экстремали функционала

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) (y 2xy' (y')2) dx,

 

y(0) 0,

 

y(1) 0.

0

 

 

 

2u

 

2u

6. Найти решение u(x,t) уравнения

 

 

 

 

4

 

 

0 с граничными ус-

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2

ловиями u(0,t) 0,u(2,t) 0 и начальными условиями

u (x, 0) 4sin

x

u(x,0)

 

 

 

 

,

 

 

 

 

0.

2

 

t

 

 

 

 

 

 

Вариант 3

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной

x1 (5,1,1),

x2 0, 3,1 ,

x3 ( 2, 1, 1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

f(x) e x, x 0, 0; f ( x) f (x).

3.Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

 

(ln x)p

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

1

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

 

5.

x(n 2) 3x(n 1) 10x(n) 0, x(0)

3, x(1) 1.

 

Найти допустимые экстремали функционала

15

 

 

2

2

2x

 

 

 

 

 

ln2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) ((y )

3y ) e dx,

y(0) 0,

y(ln2)

 

.

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

8

 

 

Найти решение u(x,t) уравнения

2u

2u

 

6.

 

9

 

 

0 с граничными усло-

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2

 

виями u(0,t) 0,u(3,t) 0 и начальными условиями

u(x,0) 5sin x, u(x,0) 0. 3 t

Вариант 4

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 (1,1, 1),

x2 2,1, 1 ,

x3 (3, 0, 3).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

71

 

 

 

 

 

ax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) e

 

,

x 0, a 0,

 

 

3.

 

 

 

0,

x 0.

 

 

 

 

 

Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

 

 

 

xp 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

0

 

 

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 xq

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

5.

x(n 2) 4x(n) 4n, x(0) 1, x(1)

1.

 

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) x2(y')2dx,

y(0) 3,

 

y(1) 1.

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

2u

 

 

2u

 

6.

Найти решение u(x,t) уравнения

 

16

0 с граничными

 

 

 

t2

x2

условиями u(0,t) 0,u(4,t) 0 и начальными условиями

 

 

 

u(x,0) 6sin

x

,

u(x,0)

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 5

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 2,1, 1 ,

x2 ( 2,1,1),

x3 (0, 4, 2).

2, 0 x 3,

2. Найти прямое преобразование Фурье функции f (x)

0, x 0, x 3.

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

1

 

x3

полученного интеграла

 

 

 

dx.

 

 

 

 

 

0

3 1 x3

4.

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

5.

x(n 2) 2x(n 1) x(n) ( 1)n, x(0)

0, x(1) 1.

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

6

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)dx,

y(0) 1,

y(6) 1.

 

J(y) (2xy (y )

 

 

0

 

 

 

2u

 

2u

 

Найти решение u(x, t) уравнения

 

 

6.

 

 

25

 

0 с граничными

 

t2

x2

условиями u(0,t) 0, u(5, t) 0 и начальными условиями

72

x u(x,0)

u(x,0) 3sin

 

,

 

0.

 

 

5 t

Вариант 6

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 3, 4, 5 ,

x2 ( 2, 1, 3),

x3 (0, 4, 1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

1, 0 x 1,

f (x)

0, x 0,x 1.

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

1

полученного интеграла x3 31 x3 dx.

0

4. Решить линейное разностное уравнение

 

x(n 2) x(n) ( 1)n, x(0) 1, x(1)

1.

5. Найти допустимые экстремали функционала

1

 

 

2

2

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

ln2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) ((y )

3y )e

dx,

 

y(0)

0,

y(ln2)

 

.

 

 

0

 

 

2u

 

2u

2

 

6. Найти решение u(x,t) уравнения

 

0 с граничными усло-

 

 

 

 

 

t2

 

x2

виями u(0,t) 0,

u(1,t) 0 и начальными условиями

 

 

 

 

u(x,0) 4sin2 x,

 

u(x, 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 7

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 3, 3, 4 ,

x2 ( 1, 1, 1),

x3 (0, 2,1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

1,

| x | 2,

f (x)

| x | 2.

0,

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

a

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла x2

a2 x2 dx

(a 0).

0

 

 

 

4. Решить линейное разностное уравнение

x(n 2) x(n) 1,x(0) 0,x(1) 1.

73

5.

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

 

 

 

1

4

 

 

2

) dx,

 

 

y(0) 0,

y(1) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) ((y )

6(y )

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

6.

Найти решение u(x,t) уравнения

 

 

4

 

 

 

 

0 с граничными ус-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

x2

 

ловиями u(0,t) 0, u(2,t) 0 и начальными условиями

 

 

 

 

 

 

u(x, 0) 3sin x,

u(x, 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Построить ортонормированный базис в R3

по данному базису. Дока-

зать, что полученная система векторов является ортонормированной:

 

x1 2, 2, 3 , x2

(3, 3, 0),

x3 (2,1, 0).

2 x 0,

2.

Найти прямое преобразование Фурье функции

f

 

 

1,

(x)

x 2,x 0.

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 x3)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

x(n 2) x(n) 1, x(0)

0,x(1) 0.

 

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

y

2

) dx,

y(0) y( ) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) (4ycosx (y )

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

6.

Найти решение u(x,t) уравнения

 

 

 

9

 

 

 

0 с граничными ус-

 

 

 

t2

 

 

x2

 

 

ловиями u(0,t) 0,u(3,t) 0

и начальными условиями

 

 

 

 

 

u(x,0) 2sin

2 x

,

 

 

u(x,0)

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 9

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 ( 1,1,1),

x2 2,1, 1 ,

x3 ( 2, 0, 2).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

74

 

 

1,

| x | 3,

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

| x | 3.

 

 

 

 

 

3.

 

0,

 

 

 

 

 

Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

x6e x2 dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

 

5.

x(n 2) 5x(n 1) 6x(n) 0, x(0) 1, x(1)

2.

Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y) (еx y y sin x)dx,

y(0)

2,

y(1) 0.

 

0

 

 

 

 

2u

 

 

2u

 

6.

Найти решение u(x,t) уравнения

16

0 с граничными

t2

 

x2

 

условиями u(0,t) 0,

u (4, t) 0 и начальными условиями

 

 

 

u(x,0) 5sin

x

 

u(x,0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 10

1. Построить ортонормированный базис в R3 по данному базису. Доказать, что полученная система векторов является ортонормированной:

x1 (1,1,1),

x2 (1, 2, 1),

x3 (2, 1,1).

2. Найти прямое преобразование Фурье функции

1,

0 x 5,

f (x)

x 0,x 5.

0,

3. Введя замену, свести данный интеграл к эйлерову. Вычислить значение

 

 

1

1 x

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

полученного интеграла

 

0 3

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

(x 2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Решить линейное разностное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

x(n 2) 6x(n 1) 13 x(n) 1, x(0)

0, x(1)

1.

5. Найти допустимые экстремали функционала

 

 

 

 

/4

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J(y)

 

((y )

4y ) dx,

 

 

y(0) 0,

y

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

6. Найти решение u(x,t) уравнения

 

2u

 

 

2u

 

 

 

 

 

25

 

 

 

0 с граничными

 

t2

 

x2

 

условиями u(0,t) 0, u(5, t) 0 и начальными условиями

 

 

 

u(x, 0) 6sin

2 x

 

,

 

u(x, 0)

 

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75

Св. план 2011, поз. 61

Учебное издание

Цегельник Владимир Владимирович Четыркина Зинаида Никандровна Ранцевич Валентина Алексеевна и др.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ФУНКЦИИ

Методическое пособие для студентов специальностей 1-45 01 01 «Многоканальные системы телеком-

муникаций», 1-45 01 02 «Системы радиосвязи, радиовещания

ителевидения», 1-53 01 07 «Информационные технологии и управление

втехнических системах» заочной формы обучения

Редактор Т. П. Андрейченко

Корректор И. П. Острикова

Компьютерная верстка А. В. Бас

Подписано в печать 10.11.11.

Формат 60×84 1/16.

Бумага офсетная.

Гарнитура «Таймс».

Отпечатано на ризографе.

Усл. печ. л. 4,53.

Уч.-изд. л. 4,5.

Тираж 200 экз.

Заказ 875.

Издатель и полиграфическое исполнение: учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

ЛИ № 02330/0494371 от 16.03.2009. ЛП № 02330/0494175 от 03.04.2009. 220013, Минск, П. Бровки, 6

76