Kurs_vysshei_matematiki_UP_Berkov_N.A._2007-2
.pdfT (t) = BeCa2t
t → ∞ u(x, t) C < 0 C = −λ2
T (t) = Be−λ2a2t.
C = −λ2 X (x) + +λ2X(x) = 0
X(x) = C1 cos λx + C2 sin λx,
s2 + λ2 = 0 s1,2 = ±λi
u(t, x) = Be−λ2a2t(C1 cos λx + C2 sin λx).
C1 C2
X(0)T (t) = 0, X(l)T (t) = 0.
T (t)
X(0) = X(l) = 0.
|
|
|
|
X(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X(0) = 0 |
|
|
C1 = 0 |
|
|
|
C1 = 0 |
|
|
||
X(l) = 0 |
C1 cos λl + C2 sin λl = 0 |
C2 sin λl = 0 |
|
|||||||||
sin λl = 0 |
λl = kπ, k Z λk = |
kπ |
Xk(x) = Ck sin |
kπx |
||||||||
|
|
|
|
|
, |
|||||||
l |
|
l |
|
Ck k = 1, 2, 3, . . .
λk = kπ/l sin(kπx/l)
Tk(t)
λk = kπl ; Tk(t) = Bke−λ2k a2t.
Xk(x) Tk(t) uk(x, t)
uk(x, t) = BkCke−λk2 a2t sin |
kπx |
= bke−λk2 a2t sin |
kπx |
, |
|||||
l |
l |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
bk = BkCk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u(x, t) |
|
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|
|
|
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|
∞ |
∞ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
−(kπ/l)2a2t |
|
kπx |
|
||||
u(x, t) = uk(x, t) = |
|
bke |
sin |
|
. |
|
|||
|
|
|
|||||||
k=1 |
k=1 |
|
|
|
l |
|
|||
|
|
|
|
|
|
uk(x, t)
u(x, t) bk(k = 1, 2, . . . )
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kπx |
|
= ϕ(x). |
|||||
|
u(x, 0) = |
|
k=1 |
bk sin |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|||
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
bk |
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕ(x) |
(0, l) |
|
|
|
|
|
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|
|||
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
kπx |
||||
|
bk = |
|
|
ϕ(x) sin |
|
|
|
dx. |
|||
|
l |
|
|
l |
|
bk
u|x=0 = h0, u|x=l = h1,
u(x, t) w(x, t) u(x, t) = w(x, t) + γ1x + γ0,
γ0 γ1
w(x, t)
|
|
|
γ0 |
|
γ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u|x=0 = w|x=0 + γ0, |
|
u|x=0 = h0; w|x=0 = 0 h0 = γ0; |
|||||||||||||||
u|x=l = w|x=l + γ1l + γ0, |
|
u|x=l = h1; w|x=l = 0 h1 = γ1l + γ0. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
γ1 |
γ0 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
γ0 |
= h0; |
γ1 = |
h1 − h0 |
. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
||
|
|
|
u(x, t) = w(x, t) + |
h1 − h0 |
x + h0. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
||
|
∂u |
= |
∂w |
|
∂2u |
|
∂2w |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
w(x, t) |
|||||
|
∂t |
|
∂t |
∂x2 |
|
∂x2 |
u(x, t)
u(x, t)
w(x, t)
w(x, t)|t=0 = ϕ(x) − h1 − h0 x − h0, l
w|x=0 = 0; w|x=l = 0.
w(x, t) u(x, t)
C
C = −λ2
|
X (0)T (t) = 0, |
|
|
|
X (l)T (t) = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T (t) |
|||
|
|
|
|
X (0) = X (l) = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
X(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
X (x) |
|
|
|
|
|
|
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|
|
X (x) = −λC1 sin λx + λC2 cos λx. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
X (0) = 0 λC2 = 0 C2 = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
X (l) = 0 λ(−C1 sin λl + C2 cos λl) = 0 sin λl = 0 |
||||||||||||||||||||||
|
λl = kπ, k Z λk = |
kπ |
Xk(x) = Ck cos |
|
kπx |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|||||||||||
|
|
l |
l |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ck |
|
|
|||||
k = 0, 1, 2, 3, . . . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k = 0 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 0 = 1 = 0 |
|||||||
|
|
|
|
|
λk |
= kπ/l |
Tk(t) |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
Tk(t) = Bke−λk2 a2t. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Xk |
Tk(t) |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
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|
||
uk(x, t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uk(x, t) = BkCke−λk2 a2t cos |
kπx |
|
= ake−λk2 a2t cos |
kπx |
, |
|
|||||||||||||||
|
l |
|
l |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ak = BkCk |
k = 1, 2, 3 . . . |
|
|
|
|
a0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
a0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
B0C0 = |
|
|
u0 |
(x, t) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
uk(x, t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
a0 |
|
−(kπ/l)2a2t |
|
|
|
kπx |
||||||||||
|
u(x, t) = |
|
uk(x, t) = |
|
|
|
|
+ |
|
ake |
cos |
|
|
, |
||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
k=0 |
|
|
|
|
|
|
k=1 |
|
|
|
|
|
l |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a0/2 λ0 = 0
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
||
|
a0 |
|
|
kπx |
|
|
|
||
|
|
+ |
|
ak cos |
|
|
= ϕ(x). |
||
2 |
k=1 |
|
l |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ak |
|
|
|
|
|
|
ϕ(x) |
(0, l) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 |
0 |
l |
|
kπx |
|
||
|
|
|
|
|
dx. |
||||
|
ak = |
|
ϕ(x) cos |
|
|
||||
|
l |
|
l |
ak
ϕ(x) = u0 0 x l u(x, t)
|
2u0 |
0 |
l |
kπx |
dx = |
|
|
|
|
|
2u |
0 |
k = 0 |
||||
ak = |
|
cos |
|
|
k > 0 . |
|||
l |
l |
0 |
|
u(x, t) = a0/2 = u0
t > 0
X (0) = 0, X(l) = 0.
(U<0>) m 1
(U<1>) m 0,8
(U<2>) m 0,6
(U<3>) m 0,4
(U<4>) m 0,2
(U<5>) m
0 |
0,2 |
0,4 xm |
0,6 |
0,8 |
1 |
u(x) t
t
xm, m = 0, 1, · · ·M x
ak
∂u = a2 ∂2u ∂t ∂x2
u|t=0 = ϕ(x)
u|x=0 = u|x=l = 0. u(x, t) = ∞ bke−(kπ/l)2a2t sin kπx l
k=1
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bk = |
2 |
|
0 |
ϕ(x) sin |
kπx |
dx |
k = 1, 2, . . . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
l |
|
l |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
∂u |
|
|
|
∂u |
|
|
|
|
|
|
a0 |
|
∞ |
|
|
|
2 2 |
kπx |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
∂x |
x=0 |
= |
∂x |
x=l = 0. |
|
|
u(x, t) = |
2 |
+ k=1 ake−(kπ/l) a t cos |
l |
||||||||||||
|
|
2 |
0 |
|
|
|
kπx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ak = |
|
|
ϕ(x) cos |
|
|
|
dx |
k = 0, 1, 2, . . . |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
l |
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
||
∂x |
x=0 |
= ux=l = 0. |
|
|
|
u(x, t) = k=0 ake−λk a t cos λkx |
|
|
||||||||||||||
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
(2k + 1)π |
|
|
|
|
|
|
|||||
ak = |
|
|
ϕ(x) cos λkxdx |
λk = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
l |
|
2l |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[−1, 1] y = x4
ORIGIN := 0 |
T OL := 0.00001 L := 1 A := 3 |
B := 3 |
||||||||||||||||||||||||||||||
N := 30 |
−L |
n := 0..N |
|
|
f (x) := x4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
L · |
L |
|
|
|
· |
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
a |
:= |
1 |
|
|
f (x) |
|
cos |
|
|
n · π |
· x |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
b |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
n |
π |
|
x |
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
· L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
n |
:= |
L ·−L f (x) ·K |
|
|
|
· |
|
|
· L · |
|
|
+ bn · sin |
|
· L · |
|
|
|||||||||||||||
F (x, K) := |
2 |
|
+ n=1 |
an · cos |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
π |
x |
|
|
n π |
x |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K = 1 K = 2 |
|||
K = 30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f1(x) = f x −Int |
x |
2 ·L |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 · L |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
F(x,1) |
|
|
|
0,63 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F(x,2) |
|
|
|
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F(x,30) |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
-0,13 |
|
|
|
|
A |
|
|
-0,5 |
|
|
B |
|
|
|
x |
|
|
f (x)
A B
F (x, K) K N
K N
a F 9