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

Задачи по мат.физике

.pdf
Скачиваний:
24
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
749.32 Кб
Скачать

pRIWEDEM PRIMERY FUNDAMENTALXNYH RE[ENIJ NEKOTORYH DIFFERENCIALXNYH OPERATOROW.

fUNDAMENTALXNOE RE[ENIE OPERATORA lAPLASA L = W PRO- STRANSTWE RAZMERNOSTI n IMEET WID

En(x) =

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n > 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!n(2

; n)jxjn;2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2(x) =

 

ln jxj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 2:

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dLQ OPERATORA TEPLOPROWODNOSTI

L =

@

 

; a2 FUNDAMEN-

@t

TALXNYM RE[ENIEM QWLQETSQ FUNKCIQ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

(t)

 

jxj2

 

 

 

E(x t ) =

 

p

 

 

 

 

n

e; 4a

t :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;2a2 t

 

 

 

 

 

 

wOLNOWOJ OPERATOR

L =

@

 

 

; a2 W ZAWISIMOSTI OT RAZ-

@t2

MERNOSTI n, n = 1 2 3,

PROSTRANSTWENNOJ PEREMENNOJ x IMEET

SLEDU@]IE FUNDAMENTALXNYE RE[ENIQ

E1(x t ) =

1

(at ; jxj)

 

2a

 

E

2(x t ) =

 

(at ; jxj)

 

 

 

 

 

 

 

2 a

a2t2

; j

x

2

 

 

1 p

 

j

 

E3(x t ) =

4 a2t

(jxj ; at)

n = 1

n = 2

n = 3:

w OTLI^IE OT SLU^AEW ODNOJ ILI DWUH PROSTRANSTWENNYH PERE- MENNYH, E3 QWLQETSQ SINGULQRNOJ OBOB]ENNOJ FUNKCIEJ, DEJST- WIE KOTOROJ NA OSNOWNYE FUNKCII OPREDELENO RAWENSTWOM

1

'(x t ) dSx dt

 

(E3 ) = ZR4 a2t Zjxj=at

8'(x t ) 2 D(R4)

dSx | \LEMENT PLO]ADI NA SFERE Sat3 (0).

11

1.1. pUSTX u(x y ) | HARAKTERISTI^ESKAQ FUNKCIQ KWADRATA

(;1 1) (;1 1). nAJTI

 

@2u

 

 

 

W SMYSLE TEORII OBOB]ENNYH

 

@x @y

FUNKCIJ.

 

 

 

 

1.2. pRI KAKIH ZNA^ENIQH PARAMETRA a 2 R1 FUNKCIQ

1

PRI t 6 ax

(x t ) 2 R2

u(x t ) = (0

PRI t > ax

QWLQETSQ RE[ENIEM URAWNENIQ ut = ux W SMYSLE TEORII OBOB- ]ENNYH FUNKCIJ?

1.3.pUSTX FUNKCIQ y(x) 2 D0(R) I UDOWLETWORQET URAWNENI@ y0 = y KAK OBOB]ENNAQ FUNKCIQ. dOKAVITE, ^TO y(x) ESTX REGU- LQRNAQ OBOB]ENNAQ FUNKCIQ Cex, C = const.

1.4.nAJTI WSE FUNDAMENTALXNYE RE[ENIQ OPERATORA

d2u(x) du(x) Lu(x) = dx2 + dx :

1.5. nAJTI FUNDAMENTALXNOE RE[ENIE OPERATORA

Lu(x y ) = uxx(x y ) ; uyy(x y )

OBRA]A@]EESQ W NULX PRI y < 0.

1.6. dOKAVITE, ^TO FUNKCIQ

E(x x 0) = ;

cos(pc r)

r = jx ; x0j

4 r

QWLQETSQ FUNDAMENTALXNYM RE[ENIEM OPERATORA

+ c GDE c = const > 0 n = 3:

12

pROSTRANSTWA sOBOLEWA

oBOB]ENNOJ PROIZWODNOJ W SMYSLE sOBOLEWA FUNKCII u(x) PO PEREMENNOJ xi W OBLASTI NAZYWAETSQ FUNKCIQ v(x) (OBOZNA- ^ENIE: v(x) = @u=@xi), UDOWLETWORQ@]AQ INTEGRALXNOMU TOV- DESTWU

Z

v(x)'(x) dx =

; Z

u(x)

@'(x) dx

8

'

2

C1( ):

 

 

@xi

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pROSTRANSTWOM sOBOLEWA H1( ) NAZYWAETSQ PROSTRANST-

WO FUNKCIJ u(x), PRINADLEVA]IH PROSTRANSTWU L2( ) WMESTE SO SWOIMI OBOB]ENNYMI PROIZWODNYMI @u=@xi, i = 1 , W SMYSLE sOBOLEWA PERWOGO PORQDKA.

pROSTRANSTWO H1( ) QWLQETSQ BANAHOWYM (T. E. POLNYM NOR- MIROWANNYM) PROSTRANSTWOM. nORMA W NEM OPREDELQETSQ SLEDU- @]IM OBRAZOM:

kukH2 1( ) = kuk2L2( ) + kruk(2L2( ))n = Z

 

 

n

@u

2

 

 

juj2

X

dx:

 

 

 

+ i=1

@xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

( ) NAZYWAETSQ ZAMYKANIE

pROSTRANSTWOM sOBOLEWA H

PODPROSTRANSTWA C01( ) W PROSTRANSTWE H1( ). nERAWENSTWO fRIDRIHSA. dLQ L@BOJ OGRANI^ENNOJ OB-

LASTI SU]ESTWUET KONSTANTA C( ), TAKAQ ^TO

 

 

 

 

n

@u

 

2

 

 

 

1

 

 

2

 

X

 

 

 

 

 

Z

juj dx 6 C( ) Z

@xi

dx

8u 2 H ( ):

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w SILU NERAWENSTWA fRIDRIHSA SLEDU@]IJ FUNKCIONAL W

1

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

@u

 

2

 

 

2

 

2

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kukH1( )

= kruk(L2( ))n = Z

i=1 @xi

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZADAET NORMU, \KWIWALENTNU@ ISHODNOJ NORME PROSTRANSTWA

H1( ).

13

pROSTRANSTWO H1( ) QWLQETSQ GILXBERTOWYM OTNOSITELXNO SKALQRNOGO PROIZWEDENIQ

 

n

@u @v

 

X

 

 

 

 

@xi @xi dx:

[u v ] = (ru rv)(L2( ))n = Z

i=1

pROSTRANSTWO H1( ) TAKVE QWLQETSQ GILXBERTOWYM SO SKALQR- NYM PROIZWEDENIEM

(u v )H

( ) = (u v ) + [u v ]

GDE

(u v ) = Z u(x)v(x) dx

1

 

 

 

 

 

 

|STANDARTNOE SKALQRNOE PROIZWEDENIE W L2( ).

1.7.pUSTX f(x) 2 H1( ), a(x) 2 C1( ). dOKAZATX, ^TO FUNK- CIQ f(x)a(x) QWLQETSQ DIFFERENCIRUEMOJ W SMYSLE sOBOLEWA, I

DLQ NAHOVDENIQ EE PROIZWODNYH PERWOGO PORQDKA SPRAWEDLIWA OBY^NAQ FORMULA lEJBNICA. wERNO LI, ^TO f(x)a(x) 2 H1( )?

1.8. pUSTX f

 

H1(Bn(0)). wOZMOVNO LI, ^TO f = L

1

(Bn(0))

 

2

1

2

1

A) PRI n = 3

B) PRI n = 2 W) PRI n = 1?

 

 

1.9. pUSTX u(x) | OGRANI^ENNAQ W B13(0) FUNKCIQ, GLADKAQ W B13(0) n f0g. mOVNO LI UTWERVDATX, ^TO u 2 H1(B13(0))?

1

1.10. A) dOKAVITE, ^TO WSQKAQ FUNKCIQ IZ H ;(0 1) QWLQETSQ NEPRERYWNOJ.

B) wSQKAQ LI NEPRERYWNAQ FUNKCIQ u(x) NA OTREZKE [0 1],

TAKAQ, ^TO u(0) = u(1) = 0, PRINADLEVIT H1;(0 1) ?

1.11. pUSTX u 2 C( )\H1( ) I u(x) = 0 PRI x 2 @ . dOKAZATX,

1

^TO u 2 H ( ).

1.12. pRI KAKIH FUNKCIQ u(x y ) = ln(x2 + y2) PRINADLE-

VIT PROSTRANSTWU H1( ), ESLI

A) = B12=2(0)

B) = B22(0)nB12=2(0)?

14

1.13.pRI KAKIH FUNKCIQ u(x y ) = ln(x2 + xy + 2y2) PRI-

NADLEVIT H1( ), GDE = (;1=4 1=4) (;1=4 1=4) ?

1.14.A) pRI KAKIH I n FUNKCIQ f(x) = (ln jxj) =jxj2 PRINAD- LEVIT PROSTRANSTWU H1(B1n=2(0))?

B) tOT VE WOPROS DLQ PROSTRANSTWA H1(B1n(0)).

1.15. pRI KAKIH FUNKCIQ f(x) = jxj cos x PRINADLEVIT

 

1

;

;

 

R

 

 

 

 

 

 

PROSTRANSTWU H

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

1 1) ?

 

 

 

 

 

1.16. pRI KAKIH 2

 

FUNKCIQ f(x) =

ln jxj

 

cos( jxj), GDE

x = (x1

n),

 

 

 

 

 

 

 

H

(B1=2(0))?

 

 

PRINADLEVIT PROSTRANSTWU

1

 

 

n

1.17. pUSTX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D = f(x1

n) 2 Rn j x12 + + xn2 ;1 < ax2n 0 < xn < +1g:

dOKAZATX, ^TO DLQ L@BOJ POSTOQNNOJ C > 0

NAJDUTSQ TAKAQ

 

 

1

 

OGRANI^ENNAQ OBLASTX D I TAKAQ FUNKCIQ f 2 H

( ), ^TO

Z

f2(x) dx > C Z jrf(x)j2dx:

 

 

 

 

 

 

1.18. sPRAWEDLIWO LI NERAWENSTWO fRIDRIHSA W POLOSE

= (x y ) j 0 < x < 1 ;1 < y < +1 R2 ?

 

1.19. pUSTX Q = B1n(0). sPRAWEDLIWO LI SLEDU@]EE UTWERV-

DENIE: SU]ESTWUET POSTOQNNAQ C > 0 TAKAQ, ^TO

 

ju(0)j 6 CkukH1(Q) 8u(x) 2 C1(

 

) ?

 

Q

 

 

 

1

 

(;1 1) MNOVESTWO A

1.20. rASSMOTRIM W PROSTRANSTWE H

 

GLADKIH FINITNYH FUNKCIJ '(x), UDOWLETWORQ@]IH USLOWI@

 

 

 

;

 

 

 

 

R nAJDITE KORAZMERNOSTX ZAMYKANIQ

A

'0(0) + '(0) = 0, 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(;1 1)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

MNOVESTWA A W H

 

 

 

 

 

 

 

 

1.21. pOSTROJTE PRIMER;

OGRANI^ENNOJ OBLASTI NA PLOSKOS-

TI R2, TAKOJ ^TO FUNKCII C1( ) NE SOSTAWLQ@T WS@DU PLOTNOGO

MNOVESTWA W PROSTRANSTWE H1( ), T. E. C

1

(

 

) = H1( ):

 

 

 

 

 

 

 

6

 

15

@ @

2oB]IE PONQTIQ TEORII URAWNENIJ S ^ASTNYMI PROIZWODNYMI

kLASSIFIKACIQ URAWNENIJ. hARAKTERISTIKI

lINEJNOE URAWNENIE WTOROGO PORQDKA IMEET WID

nn

X

aijuxixj +

X

aiuxi

+ au = g(x)

x 2 Rn ij = aji: (1)

i =1

 

i=1

 

 

 

 

wEKTOR =

( 1

n) IMEET HARAKTERISTI^ESKOE NA-

PRAWLENIE, ESLI

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aij i j = 0:

 

 

 

 

i

=1

 

 

 

 

 

X

 

 

pOWERHNOSTX (x) = 0 NAZYWAETSQ HARAKTERISTIKOJ URAW- NENIQ (1), ESLI NORMALX K \TOJ POWERHNOSTI = r IMEET HA- RAKTERISTI^ESKOE NAPRAWLENIE W KAVDOJ TO^KE, T.E.

n

iX=1 aij @xi @xj = 0:

eSLI MATRICU ;aij PRIWESTI K DIAGONALXNOMU WIDU, TO W SOOTWETSTWII SO ZNAKAMI DIAGONALXNYH \LEMENTOW, URAWNENIQ PODRAZDELQ@TSQ NA \LLIPTI^ESKIE (KOGDA WSE \LEMENTY NENU- LEWYE I ODNOGO ZNAKA), GIPERBOLI^ESKIE (KOGDA WSE \LEMEN- TY NENULEWYE I ROWNO ODIN OTLI^AETSQ PO ZNAKU OT OSTALX- NYH), PARABOLI^ESKIE (KOGDA SU]ESTWUET ROWNO ODIN NULEWOJ, A OSTALXNYE \LEMENTY ODNOGO ZNAKA). oSTALXNYE TIPY MY NE NAZYWAEM.

u URAWNENIQ WTOROGO PORQDKA S DWUMQ NEZAWISIMYMI PERE- MENNYMI

a11uxx + 2a12uxy + a22uyy + b1ux + b2uy + cu = g(x y )

HARAKTERISTIKAMI QWLQ@TSQ KRIWYE, KOTORYE NAHODQTSQ IZ URAWNENIQ

a11(dy)2 ; 2a12dx dy + a22(dx)2 = 0

16

NAZYWAEMOGO HARAKTERISTI^ESKIM. eSLI a11 6= 0, TO I]EM RE[ENIE W WIDE y = y(x), GDE

dy

= a12 p

 

 

 

 

 

 

 

 

D

D = a2

;

a

11

a

22

| DISKRIMINANT.

dx

a11

12

 

 

 

w ZAWISIMOSTI OT ZNAKA DISKRIMINANTA WOZNIKA@T TRI SLU^AQ.

gIPERBOLI^ESKIJ SLU^AJ: D > 0, DWA SEMEJSTWA HARAKTE-

RISTIK (x y ) = C I (x y ) = C. pRI ZAMENE

= (x y )= (x y ):

URAWNENIE PRIWODITSQ KO WTOROJ KANONI^ESKOJ FORME

u + MLAD[IE ^LENY = 0:

w SLU^AE ZAMENY

= += ;

URAWNENIE PRIWODITSQ K PERWOJ KANONI^ESKOJ FORME

u ; u + MLAD[IE ^LENY = 0:

pARABOLI^ESKIJ SLU^AJ: D = 0, ODNO SEMEJSTWA HARAKTE-

RISTIK (x y ) = C. l@BOJ NEWYROVDENNOJ ZAMENOJ WIDA

= (x y )= (x y )

GDE (x y ) | NEKOTORAQ FUNKCIQ OT DWUH PEREMENNYH, URAWNENIE PRIWODITSQ K KANONI^ESKOJ FORME

u + MLAD[IE ^LENY = 0:

|LLIPTI^ESKIJ SLU^AJ: D < 0, DEJSTWITELXNYH HARAK-

TERISTIK NET, NO ESTX DWA SEMEJSTWA KOMPLEKSNO SOPRQVENNYH HARAKTERISTIK (x y ) i (x y ) = C. dLQ PRIWEDENIQ K KANONI- ^ESKOJ FORME (TOLXKO K PERWOJ) NEOBHODIMO SDELATX ZAMENU

= (x y )= (x y ):

17

w \TOM SLU^AE URAWNENIQ PRIWODITSQ K WIDU

u + u + MLAD[IE ^LENY = 0:

2.1. sU]ESTWUET LI URAWNENIE WIDA

 

n

 

 

 

 

 

 

X

aij(x1

n) uxixj = 0

aij 2 C(Rn)

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

QWLQ@]EESQ

 

 

n

 

Rn,

6

 

 

 

 

D =

Rn, I GIPERBOLI^ESKIM NA EGO DOPOLNENII Rn D?

 

2.2. wERNY LI SLEDU@]IE UTWERVDENIQ: ESLI URAWNENIE

 

 

n

 

 

 

 

 

 

X

aij(x1

n) uxixj = 0

aij 2 C(Rn)

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

| GIPERBOLI^ESKOE (\LLIPTI^ESKOE, PARABOLI^ESKOE) W TO^KE

(x1

n), TO ONO QWLQETSQ GIPERBOLI^ESKIM (SOOTWETSTWENNO

\LLIPTI^ESKIM, PARABOLI^ESKIM) TAKVE W NEKOTOROJ OKRESTNOS-

TI \TOJ TO^KI?

 

 

 

 

2.3. dLQ KAKIH IZ TREH URAWNENIJ NA PLOSKOSTI

 

 

 

ut = uxx

utt = uxx

utt = ;uxx

 

 

SU]ESTWUET NEPOSTOQNNOE RE[ENIE S OGRANI^ENNYMI I ZAMKNU- TYMI LINIQMI UROWNQ?

2.4. pRI KAKIH (x y z ) 2 R3 URAWNENIE

uxy + (3x + y ; z)uxz + (3x ; y + z)uyz = 0

QWLQETSQ GIPERBOLI^ESKIM?

2.5. nAJTI HARAKTERISTIKI URAWNENIQ uxx ; y2uyy = 0, PROHO- DQ]IE ^EREZ:

A) TO^KU (1 2)

B) TO^KU (1 0).

18

2.6. A) nAJTI WSE HARAKTERISTIKI URAWNENIQ

uxy ; uyy ; ux + uy = 0:

B) nAJTI EGO OB]EE RE[ENIE.

 

2.7. A) oPREDELITX TIP URAWNENIQ 2uxx + uxy = 1.

 

B) nAJTI EGO HARAKTERISTIKI.

 

W) nAJTI EGO OB]EE RE[ENIE.

 

2.8. A) oPREDELITX TIP URAWNENIQ

 

uxx ; 2 uxy ; 3 2uyy + uy + ux = 0

(2)

W ZAWISIMOSTI OT DEJSTWITELXNOGO PARAMETRA .

 

B) pRIWESTI URAWNENIE (2) K KANONI^ESKOJ FORME.

 

W) nAJTI OB]EE RE[ENIE \TOGO URAWNENIQ.

 

2.9. A) nAJTI WSE , PRI KOTORYH SU]ESTWUET LINEJNAQ ZAMENA

PEREMENNYH (x y ) ! (t z ), PEREWODQ]AQ URAWNENIE

 

uxx + 4uxy ; uyy = 0

(3)

| W URAWNENIE STRUNY utt = uzz

|W URAWNENIE TEPLOPROWODNOSTI ut = uzz. B) tE VE WOPROSY OB URAWNENII

uxx + 4uxy ; uyy ; ux + 2uy = 0:

W) pUSTX FUNKCIQ u(x y ) 2

C2(B12(0)) UDOWLETWORQET URAW-

NENI@ (3) PRI NEKOTOROM ZNA^ENII <

;

10. wOZMOVNO LI PRI

\TOM u 2= C1(B12(0))?

 

 

 

 

 

 

 

 

G) tOT VE WOPROS DLQ > 10.

 

 

 

 

 

 

 

2.10.

pUSTX =

f

(x y )

2

R2

j

x2 + (y

;

2l)2 < l2

g

, FUNKCIQ

u 2 C

2

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) UDOWLETWORQET URAWNENI@

 

 

 

 

 

 

 

 

2uxx + sign y uyy = 0

W OBLASTI .

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A) wOZMOVNO LI,

^TO u = C3( ) W SLU^AE l > 0?

 

 

B) tOT VE WOPROS W SLU^AE l < 0.

19

2.11. nA PLOSKOSTI (x t ) 2 R2 RASSMATRIWA@TSQ URAWNENIQ

ut ; ux = 0

(4)

2utt ; ( + 1)2utx + 2 uxx = 0:

(5)

A) nAJTI HARAKTERISTIKI URAWNENIQ (4).

B) pRI KAKIH L@BOE BESKONE^NO DIFFERENCIRUEMOE RE[E- NIE u(x t ) URAWNENIQ (4) QWLQETSQ TAKVE I RE[ENIEM URAWNE-

NIQ (5)?

dLQ KAVDOGO IZ NAJDENNYH W P. B) ZNA^ENIJ PARAMETRA : W) NAJTI HARAKTERISTIKI URAWNENIQ (5)

G) UKAZATX NEKOTOROE RE[ENIE u(x t ) URAWNENIQ (5), KOTOROE NE QWLQETSQ RE[ENIEM URAWNENIQ (4), ILI DOKAZATX, ^TO TAKOGO RE[ENIQ NET.

D) tOT VE WOPROS OB OGRANI^ENNOM RE[ENII.

2.12. nAJTI HARAKTERISTI^ESKIE PLOSKOSTI URAWNENIQ

utt = uxx + uyy

PROHODQ]IE ^EREZ PRQMU@ t = 0, y = x.

2.13. nAJTI WSE HARAKTERISTIKI URAWNENIQ

uxx + 2uyy + 2 uyz + 2uzz + uz + u = 1

PRI KAVDOM 2 R.

2.14. nAJTI OB]EE RE[ENIE URAWNENIQ

uxx + 2uxy + 2uxz + uyy + 2uyz + uzz ; u = 0:

2.15. A) pRIWESTI K WIDU, NE SODERVA]EMU NESME[ANNYH PRO- IZWODNYH WTOROGO PORQDKA, SLEDU@]EE URAWNENIE:

uxx + uxy ; 2uyy + 3(x + y)ux + 6(x + y)uy + 9u = 0:

B) nAJTI OB]EE RE[ENIE ISHODNOGO URAWNENIQ.

20