
- •Раздел 1. Основные элементы функционального анализа. Функциональные пространства
- •§1.1. Линейное пространство
- •§1.3. Евклидово пространство
- •§1.4. Метрические пространства
- •§1.6. Пространство Гильберта
- •§2.2. Линейные операторы в конечномерных линейных пространствах и их матрицы
- •§2.3. Интегральные и дифференциальные операторы. Функционалы
- •Раздел 3. Специальные функции и их приложения
- •§3.1. Определенные интегралы, зависящие от параметра, и их свойства
- •§ 4.1. Решетчатые функции. Z -преобразование и его свойства
- •§5.2. Простейшая задача вариационного исчисления
- •§6.2. Классификация и приведение к каноническому виду линейных уравнений в частных производных второго порядка с двумя независимыми переменными в окрестности точки

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

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,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