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

Kurs_vysshei_matematiki_UP_Berkov_N.A._2007-2

.pdf
Скачиваний:
68
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
9.19 Mб
Скачать

f (x)

1

l −∞

|f (x)|dx

f (x) f (x)

f (x) = (A(α) cos αx + B(α) sin αx)dα,

0

f (x − 0) + f (x + 0) = (A(α) cos αx + B(α) sin αx)dα. 2

−∞

A(α) B(α)

 

 

A(α) =

1

f (τ ) cos ατ dτ ;

π

 

−∞

 

1

 

B(α) =

f (τ ) sin ατ dτ.

 

 

π

 

 

−∞

πl , 2lπ , . . . , l , . . .

α [0, +) .

f (x) A(α) B(α)

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

 

 

 

 

A(α) =

 

f (τ ) cos ατ dτ, B(α) = 0,

π

 

 

 

 

 

f (x) = 0

A(α) cos αxdx.

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

A(α) = 0,

b(α) =

 

f (τ ) sin ατ dτ,

π

f (x) = B(α) sin αxdx.

0

 

 

f (x) =

1

 

f (τ )(cos ατ cos αx + sin ατ sin αx)dτ dα.

 

π

0−∞

cos α(τ − x) = cos ατ cos αx + sin ατ sin αx

 

 

 

f (x) =

1

 

f (τ ) cos α(τ − x)dx.

 

π

 

 

0

−∞

 

l → ∞

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

λ

uλ(x, t) = (A(λ) cos λx + B(λ) sin λx)e−λ2a2t.

λ λk

λ

λ

u(x, t) = (A(λ) cos λx + B(λ) sin λx)e−λ2a2tdλ.

0

A(λ) B(λ) t = 0

u|t=0 = ϕ(x) (A(λ) cos λx + B(λ) sin λx)= ϕ(x).

0

 

 

ϕ(x)

 

 

 

A(λ) B(λ)

A(λ) =

1

ϕ(τ ) cos λτ dτ ;

π

 

−∞

 

 

1

 

 

B(λ) =

ϕ(τ ) sin λτ dτ.

π

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

2

 

u(x, t) =

 

ϕ(τ ) cos λ(τ − x)e−λ a

tdτ.

π

 

 

0

−∞

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

1

 

π

 

 

2

2

 

cos λ(τ − x)e−λ a

t=

 

 

e(τ −x)

/(4a

t).

2a

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

tdλ dτ =

u(x, t) =

 

 

ϕ(τ )

cos λ(τ − x)e−λ a

π

 

 

 

−∞

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2a

 

 

ϕ(τ )e(τ −x)

/(4a

t)dτ.

 

 

 

 

 

πt

 

 

 

 

 

−∞

 

 

1

 

 

 

2

2

 

u(x, t) =

2a

 

ϕ(τ )e(τ −x)

/(4a

t)dτ.

πt

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

0,

x < x

 

 

u(x, t) t=0

=

u0,

x1 1x x2

|

 

 

0,

x > x2.

 

 

 

 

t > 0

x2

 

u

 

2

2

 

u(x, t) =

2a0

 

e(τ −x)

/(4a

t)dτ.

πt

 

 

 

 

x1

 

 

 

(z)

 

 

 

x

 

 

1

0

2

 

(z) =

 

e−S

/2dS,

2π

(−z) = (z) (−∞) = 0, 5, () = 0, 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

= a2tdS

τ − x

= S

 

 

 

 

a 2t

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

−x

 

 

 

 

 

 

 

a

2t

 

 

 

 

 

u

 

2

 

 

 

 

/2a2tdS =

u(x, t) =

2a0

 

 

 

e−S

πt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1−x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

−x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e−S2/2dS =

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

=

 

 

u0

2t

e−S2/2dS +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

−x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1−x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

e−S2/2dS

 

= u0

 

1

 

 

 

2t

e−S2/2dS

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2t

 

 

 

u(x, t) = u0 a2t

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2x

 

 

x1x

 

 

 

 

x < x1

x > x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a 2t

 

 

a

 

 

 

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 < x < x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

() = 0, 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

= 0

 

 

 

 

 

 

x < x1

 

 

x > x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 < x < x2

u0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a x1

x2

a = 1 x1 = 1 x2 = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t

 

 

2t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

u(x, t) = u

 

3

− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, t)

x = 0 x = 0 u(0, t) = 0

(x) x < 0

u

t=0

u

t=0

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)

 

1

 

f (τ ) e

(τ −x)2

 

(τ +x)2

dτ.

u(x, t) =

2a

 

0

 

− e

 

 

4a2t

4a2t

πt

∂u ∂x x=0

 

1

 

 

e

(τ − x)2

+ e

(τ + x)2

dτ.

u(x, t) =

 

 

f (τ )

4a2t

 

4a2t

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2aπt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u x=0

= u x=L

= 0,

 

 

x L/2,

x

 

(0, L/2),

 

0,

 

 

x / (0, L/2).

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

100

(L x),

∂x

x=0, u x=L

= 0,

 

 

 

x [0, L]

 

= 0

(x)

 

 

 

 

∂u

 

∂u

 

= 0,

u

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

x=0 =

∂x x=L

 

100, x

 

(0, L/2],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20, x

(L/2, L].

 

 

 

t=0

 

 

 

 

x(−∞, +)

 

 

 

 

100(1 − x/10),

x

[0, 10],

u

=

 

100(1 + x/10),

|

|

t=0

 

x

[10, 0),

 

 

 

0,

x > 10.

 

 

 

 

x (0, +)

 

 

 

 

 

 

 

U

,

 

 

 

 

 

 

 

u x=0 = 0,

u t=0 =

0,0

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

U0,

 

 

 

 

= 0,

u

 

=

0,

 

∂x

 

 

 

 

x=0

t=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x[2, 10],

x(0, 2) (10, ∞).

0 < x < L, x ≥ L.

x

∂u − a2 2u = 0. ∂t ∂x2

(n+1,m) (n+1,m-1) (n+1,m) (n+1,m+1)

 

 

h

h

 

τ

 

τ

h

 

h

 

(n,m-1)

(n,m)

(n,m+1)

(n,m)

0 x l 0 t T

u(0, x) = ϕ0(x),

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

2

 

α0u

x=0

+ α1

 

∂x x=0 = γ1(t);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

u

 

+ β

 

 

 

= γ (t).

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

x=l

 

 

 

 

 

 

(n, m)

 

2u

n

umn +1

 

2umn + un

 

 

m =

 

 

m−1

+ O(h2).

∂x2

 

 

h2

2u n

n

∂x2 m

 

umn+1

umn

 

 

 

 

umn +1

 

2umn + umn

 

 

1

 

 

 

m = 1, 2, 3, . . . , M 1,

0

 

 

 

 

 

 

− a2

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

= 0,

n = 0, 1, 2, . . . , N −1

 

 

τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

um = ϕ0(xm),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0, 1, 2, . . . , M,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

u1

 

 

 

 

u0

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α0u

 

 

+ α1

 

 

 

 

 

 

 

 

= γ1(t

 

 

),

 

 

n = 0, 1, . . . , N

 

 

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h un+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

un+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ β1

 

 

 

 

 

 

= γ2(tn+1),

 

n = 1, 2, . . . , N

 

 

1.

 

β0uM

 

M

 

M

1

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

(M + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(N +

2

·

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = τ a /h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

um0 = ϕ0(xm),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0, 1, 2, . . . , M,

 

 

(a)

un+1 = (1 2r)un + r(un

+ un

 

 

 

 

),

 

m = 1, 2, . . . , M

 

 

1,

(b)

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

1

 

 

 

 

m−1

m+1

 

 

n = 1, 2, . . . , N

 

1,

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α1/h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

γ1(t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

,

n = 0, 1, 2, ..., N

 

1,

 

(c)

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

α /h

 

 

 

 

 

 

α

α /h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uMn+1 =

 

 

 

 

β1/h

 

 

uMn+11 + γ2(t

 

) ,

n = 0, 1, 2, ..., N

 

 

 

1.

 

(d)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β + β /h

 

 

 

 

 

 

β

+ β /h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 0

t = 0

u

(m = 1, 2, . . . , M − 1) n + 1 t = (n + 1)τ

t = (n + 1)τ n = n + 1

n < N

 

 

 

 

 

 

 

(n + 1, m)

n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

umn+1 − umn

 

 

n+1

2umn+1

n+1

m = 1, 2, . . .

 

a2 um+1

+ um−1 = 0,

 

τ

 

 

h2

 

 

n = 1, 2, . . .

u n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

n + 1

 

 

u1n+1, u2n+1, . . . , un+1

 

 

 

 

u

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am · umn+11 + bm · umn+1 + cm · umn+1+1 = fm, m = 1, 2, . . . , M − 1,

am = cm = −r bm = 1 + 2r fm = umn

 

 

 

u

n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ym = umn+1

 

 

amym−1 + bmym + cmym+1 = fm,

 

m = 1, 2, . . . , M

1;

y0 = L0y1 + K0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yM = L˜M yM

 

 

 

1 + K˜M ,

 

 

 

 

 

 

 

L0 =

 

 

 

−α1/h

; K0 =

 

γ1(tn+1)

;

 

 

 

α0 − α1/h

 

 

 

 

 

 

 

α0 − α1/h

 

 

˜

 

 

 

β1/h

˜

 

γ2(tn+1)

 

 

LM =

 

 

 

; KM =

 

.

 

 

 

 

β0 + β1/h

β0 + β1/h

 

 

y0

ym = Lmym+1 + Km, m = 1, 2, . . . , M − 1. m = m −1

am(Lm−1ym + Km−1) + bmym + cmym+1 = fm, m = 1, 2, . . . , M − 1.

 

y

m

=

 

−cm

y

m+1

+

fm amKm−1

, m = 1, 2, . . . , M

1.

 

 

 

 

 

amLm−1 + bm

 

 

amLm−1 + bm

 

 

 

 

L

m

=

−cm

 

 

; K

m

=

fm amKm−1

, m = 1, 2, . . . , M

1.

 

amLm−1 + bm

 

 

 

 

 

 

 

 

amLm−1 + bm

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]