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

T (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 =

Xk(x) = Ck sin

kπx

 

 

 

 

 

,

l

 

l

 

Ck k = 1, 2, 3, . . .

λk = kπ/l sin(kπx/l)

Tk(t)

λk = l ; 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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bk

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(x)

(0, l)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 =

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

X(t)

X (0) = 0 λC2 = 0 C2 = 0

 

X (x)

 

 

x = 0

 

 

 

 

 

 

x = l

 

X(l) = 0 C1 cos λl + C2 sin λl = 0 C1 cos λl = 0 cos λl = 0

 

π

(2k + 1)π

Xk(x) = Ck cos

(2k + 1)πx

λl =

 

+ kπ k Z λk =

 

 

 

 

 

 

.

 

2

2l

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

Ck

 

 

 

 

k = 0, 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

λk = (2k + 1)π/(2l)

 

Tk(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk(x)

Tk(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uk(x, t) = BkCke−λk2 a2t cos

(2k + 1)πx

= ake−λk2 a2t cos

(2k + 1)πx

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

2l

ak = BkCk k = 0, 1, 2, 3, . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uk(x, t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

((2k+1)π/2l)2a2t

 

 

(2k + 1)πx

 

 

u(x, t) = uk(x, t) =

ake

cos

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

k=0

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak (k = 0, 1, 2, . . . )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak cos

(2k + 1)πx

 

= ϕ(x).

 

 

 

 

 

 

k=0

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

(2k + 1)πx

 

 

 

 

 

 

 

(0, l)

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

l

(2k + 1)πx

 

 

(2n + 1)πx

dx =

 

 

 

 

 

 

 

l/2

k = n

 

cos

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

0

k = n .

 

2l

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

(2k + 1)πx

 

 

(0, l)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

l

 

 

(2k + 1)πx

 

 

 

 

 

 

 

ak =

ϕ(x) cos

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

2l

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u|t=0 = l − x

t > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

∂x

x=0 = u|x=l = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u t=0

= l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

l

 

 

 

(2k + 1)πx

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k + 1)πx

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak =

l

(l − x) cos

 

2l

 

 

 

 

 

 

dx =

(2k + 1)π

(l − x) sin

2l

 

 

0

+

 

4

 

 

l

 

 

 

+ 1)πx

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k + 1)πx

 

l

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

(2k

 

 

 

 

 

dx = (2k + 1)π (l − x) sin

 

 

 

 

+

(2k + 1)π

sin

 

2l

 

 

 

 

2l

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8l

 

(2k + 1)πx

 

 

 

 

 

 

8l

 

 

 

 

 

(2k + 1)π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k + 1)2π2 cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8l

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

1 =

 

 

 

2l

 

 

 

0

=

(2k + 1)2π2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k + 1)2π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

2

 

2

2

 

 

(2k + 1)πx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, t) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e−a

(2k+1)

 

π

 

t/4l

cos

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

π2

 

 

(2k + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t → ∞

Ox

(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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]