Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математика ч.1 (УМК 7,8).pdf
Скачиваний:
76
Добавлен:
16.02.2016
Размер:
2 Мб
Скачать

Заключение

Изложенный в опорном конспекте лекций учебный материал позволит студентам овладеть необходимыми знаниями по высшей математике, а также послужит основой для изучения остальных технических дисциплин.

3.3. Глоссарий

Векторное поле - если в каждой точке M некоторой пространственной области определена векторная величина, то говорят, что в этой области задано векторное поле.

Волновое уравнение одномерное или уравнение свободных колебаний струны

2U

= a

2 2U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

x2 .

2U

 

 

 

2U

 

2U

 

2U

 

 

 

= a

2

+

+

Волновое уравнение трехмерное

 

2

 

 

 

2

 

2

 

2

 

t

 

 

 

x

 

y

 

z

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гармонической функцией называется дважды непрерывно дифференцируемая

функция, удовлетворяющая однородному уравнению Лапласа

U = 0 .

Гармоническое (лапласово) векторное поле - потенциальное

и соленоидальное

одновременно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n

 

2

 

Гиперболическое уравнение U

a2

U = f (x1,...xn ).

 

x12

 

k=1

xk2

 

Граничные условия – значения неизвестной функции U на границе области.

Граничные условия I рода U

 

S =U0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия II рода

U

 

 

 

=U1.

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия III рода

 

U

 

+αU

 

S

=U2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаметр области - максимальное расстояние между всевозможными парами точек области.

Дивергенция векторного поля

div a (M )= lim

∫∫andσ

 

 

 

 

σ

 

,

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

λ→0

 

 

 

объем тела Т; σ -

где λ - диаметр области Т, внутри которой лежит точка М;

V -

поверхность, ограничивающая тело Т.

 

 

 

 

 

 

 

Дифференциал площади поверхности - dσ =

 

2

 

2

dxdy , где

1+[zx ]

+ zy

 

z = z(x, y) - уравнение поверхности σ.

132

Задача Дирихле – краевая задача I рода для уравнения Пуассона или Лапласа

U = f , U S =U0 .

Задача Коши для волнового уравнения – задача по нахождению решения

уравнения

2U

= a2

U , t > 0 при начальных условиях U

 

 

= ϕ,

U

 

= ψ .

 

 

 

 

 

t2

 

t =0

t

 

 

 

 

 

 

t =0

 

 

 

 

 

 

 

Задача Коши для уравнения теплопроводности – задача по нахождению решения уравнения Ut = a2 U , t > 0 при начальном условии U t =0 = ϕ .

Задача Неймана – краевая задача II рода для уравнения Пуассона или Лапласа

U = f ,

U

 

S

=U1 .

 

n

 

 

 

 

 

 

Интеграл Пуассона – решение одномерного уравнения теплопроводности с начальным условием U t =0 = ϕ(x), t > 0

+∞

 

1

(xy)2

U (x,t )=

 

e 4a2t ϕ(y)dy.

2

πa2t

−∞

 

 

b

Интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода K (x, y)U (y)dy = f (x).

a

Интегральное уравнение Фредгольма 2-го рода

b

U (x)= λK (x, y)U (y)dy + f (x).

a

Интегральная сумма для функции f (M ) в пространственной области

 

 

 

 

 

n

(xi , yi , zi )

Vi .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

Интегральная сумма для функции f (x, y, z)

на поверхности σ -

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

Si .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (xi , yi , zi )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

Интегральная сумма для функции F(x, y, z) по переменным х и у по

 

выбранной стороне поверхности σ -

n

 

, z )

S ( xy) .

 

 

F (x , y

 

 

 

 

 

 

 

 

i

i

i

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

 

f L2

 

 

Коэффициентом Фурье

произвольной

функции

относительно

ортогональной

системы

функций

ϕ1 , ϕ2 , ..., ϕn , ...

называется

число

1

( f ,ϕk )

(k =1, 2,...)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

|| ϕk ||2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

133

Корректная краевая задача – задача, у которой существует единственное решение и достаточно малому изменению начальных данных соответствует сколь угодно малое изменение решения.

Краевая задача – задача по нахождению решения дифференциального уравнения, удовлетворяющего краевым условиям.

Краевые условия – начальные и граничные условия.

 

Линейно независимой в

L

 

системой функций ϕ1 ,..., ϕN , называют множество

 

2

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [a,b], где αk -

функций ϕk , если из

того,

 

что

αk ϕk (x) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

некоторые числа, следует, что всеαk

= 0.

 

 

 

Линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка

 

n

2U

 

n

 

U

 

Aij

 

 

 

+Ai

 

 

+ A0U = f (x1,..., xn ).

x

x

j

X

 

i, j=1

i

 

 

i=1

 

 

i

 

Метод Фурье – способ решения линейного однородного уравнения в виде суммы частных решений с некоторыми коэффициентами, используя метод разделения переменных.

Метод Фурье для решения уравнения колебаний струны конечных размеров

– решение одномерного волнового уравнения с начальными условиями в виде

U (t, x)= An cos nπlat + Bn sin nπlat sin nπl x,

n=1

 

2

l

 

2

l

где An =

ϕ(z)sin

nπz

dz ,

Bn =

ψ(z)sin

nπz

dz .

l

l

nπa

l

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

Метод Фурье для решения задачи о распространении тепла в стержне

решение уравнения теплопроводности на отрезке в виде

 

anπ 2

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

t

 

nπx

 

 

 

2

 

nπz

 

 

 

 

 

 

 

 

U (x,t )= Ane

 

l

 

 

sin

,

где

An =

 

ϕ(z) sin

dz.

 

l

l 0

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

Начальные условия – значения неизвестной функции U (x, y, z, t ) и ее

производной

U

в начальный момент времени t0 , например,

 

t

 

 

 

U

 

 

 

 

 

U (x, y, z,0)= ϕ(x, y, z),

 

= ψ(x, y, z).

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

t =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

Неравенством Буняковского называют неравенство | ( f , ϕ) |( f , f )2 (ϕ, ϕ)2 ,

которое на языке интегралов имеет вид

b

 

b

b

 

f (x)ϕ(x)dx

f 2

(x)dx

ϕ2 (x)dx.

a

 

a

a

 

134

Нормой функции f называется величина

 

b

 

 

1

 

1

 

 

f 2

2

 

||

= ( f , f )2 .

f ||=

(x)dx

 

 

a

 

 

 

 

 

 

Нормированной (или нормальной) функцией ϕ L2(a, b) называется функция

1

ϕ, если её норма равна единице || ϕ||= (ϕ, ϕ)2 =1.

Обобщенная функция – линейный непрерывный функционал на множестве финитных, бесконечно дифференцируемых функций.

Оператор Гамильтона -

 

символический вектор =

i

+

j +

k .

 

x

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U (x, y, z )

Оператор Лапласа

оператор

,

действующий

на

функцию

следующим образом

U =

2U

+ 2U

+

2U .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

y2

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

Ортогональными называются две функции ϕ, ψ L2(a, b) , если их скалярное произведение равно нулю, т.е. (ϕ, ψ) = 0.

Ортогональной системой непрерывных

на отрезке (a, b)

функций

ϕ1, ϕ2 ,..., ϕn ,...(конечной или бесконечной)

называют множество

функций

ϕ1 , ϕ2 ,..., ϕn ,..., если они имеют положительную норму и попарно ортогональны.

Ортонормированной (или ортонормальной) системой

функций ϕk называют

множество функций ϕk

, если

 

 

 

 

 

 

 

(ϕk

 

 

 

0,

k l,

 

 

 

 

 

,ϕl ) = δkl =

k = l.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2

 

 

Параболическое уравнение U a2

U = f (x1,..., xn ).

 

 

 

 

 

 

 

x1

k =2

xk2

 

 

Поверхностный интеграл первого рода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

Si ,

 

 

 

∫∫ f (x, y, z)dσ = lim f (xi , yi , zi )

 

n

 

σ

 

 

 

 

λ→0 i=1

 

 

где

 

 

 

 

-

интегральная

сумма для

функции f (x, y, z) на

f (x , y , z ) S

i

 

i

i

i

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

σ;

λ -

 

 

 

 

 

 

 

 

поверхности

максимальный

из диаметров

частей, на которые разбита

поверхность.

135

Поверхностный интеграл второго рода по переменным х и у -

 

 

n

Si( xy) ,

 

∫∫F(x, y, z)dxdy = lim F (xi , yi , zi )

 

σ

 

λ→0 i=1

 

 

 

n

, z )

S( xy) - интегральная

сумма

для функции F(x, y, z) по

где F (x , y

i i

i

i

 

 

 

i =1

 

λ - максимальный

 

 

 

переменным х и у ,

из диаметров частей, на которые разбита

поверхность.

 

 

 

 

 

Повторный трехкратный интеграл -

ψ(x)

 

 

 

 

b

H ( x, y)

f (x, y, z)dz .

∫∫∫ f (x, y, z)dxdydz = dx

dy

 

T

a

ϕ(x)

h( x, y)

 

Потенциальное векторное поле - поле a потенциально, если существует

скалярное поле U для которого a служит градиентом, т.е.

a = gradU .

Поток векторного поля a через поверхность σ в выбранную сторону - поверхностный интеграл ∫∫andσ, где an - проекция поля a на единичную

σ

нормаль к поверхности σ, направление которой соответствует выбранной стороне поверхности.

Принцип максимума – гармоническая функция в конечной области достигает своего максимального и минимального значения на границе области. Пространством L2или L2(a, b) будем называть множество всех кусочно-

непрерывных функций, определенных на [a, b], для которых введено скалярное

b

произведение ( f , ϕ) = f ( x)ϕ( x)dx.

a

Разложением функции f (x) в ряд по синусам называют ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

bn =

π f ( x) sin nxdx.

 

 

f (x) = b sin nx,

 

 

 

n=1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

2 0

 

 

 

 

 

 

Разложением функции f (x) в ряд по косинусам является ряд

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

+ an cos nx,

где

an

=

f ( x) cos nxdx,

n = 0,1, 2,3,....

π

 

2

n=1

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Ротор (вихрь) векторного поля -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a y

a

 

 

 

a

 

 

a y

 

a

 

 

 

rota =

 

z

 

i

+

 

x

 

z

 

j +

 

 

x k .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

z

z

 

 

x

 

x

 

y

Ряд Фурье в комплексной форме функции

 

f (x) имеет вид

 

 

 

136

f (x) =

n=+∞

c einx

 

cn =

1

π

f (x)einx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

±

±

±

 

 

 

 

 

 

n

, где

 

2π −π

 

, n

 

n=−∞

 

 

 

 

0, 1,

2,

3,....

137

Рядом Фурье функции f L2пo ортогональной системе ϕ1, ϕ2 ,..., ϕn ,...

1

 

 

 

называется ряд

( f ,ϕk )ϕk .

 

 

|| ϕk ||2

 

 

k =1

f L2

 

 

Ряд Фурье функции

пo ортонормированной

системе

ϕ1, ϕ2 ,..., ϕn ,... ( || ϕk ||=1 , k =1, 2,... ) имеет вид f ( f , ϕk )ϕk , где

k =1

числа ( f , ϕk ) - называют коэффициентами Фурье.

Скалярным произведением двух кусочно-непрерывных на отрезке [a, b] (a < b) функций f и ϕ будем называть интеграл

b

( f , ϕ) = f (x)ϕ(x)dx.

a

Смешанная краевая задача для уравнений гиперболического и параболического типа – найти решение уравнения, удовлетворяющего как начальным, так и граничным условиям.

Собственные значения оператора Лапласа – числовые значения λ, для которых уравнение U = λU имеет ненулевые решения U .

Собственные функции оператора Лапласа – ненулевые решения U уравнения

U = λU.

Соленоидальное (трубчатое) векторное поле - поле a соленоидально, если

существует векторное поле b , для которого a является ротором.

Сторона двусторонней поверхности - совокупность ее точек вместе с приписанными нормалями в них, непрерывно переходящими друг в друга.

Телеграфное уравнение

2

 

a

 

2

 

+

2

 

+

2

 

 

+a

U +a U = f (x, y, z)

 

U

 

U

U

U

 

.

t

2

0

 

x

2

 

y

2

 

z

2

 

1

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тригонометрический ряд Фурье функции

f (x) имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ a

 

cos nx +b sin nx,

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

где

 

 

 

 

 

 

n=1

n

 

n

 

 

 

 

1 π

 

 

 

π

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

a0 =

 

 

f (x)dx,

an

=

 

f (x)cos nxdx,

bn =

 

f (x)sin nxdx.

 

 

 

 

 

 

π−π

 

 

π−π

 

 

 

 

π−π

 

Тройной интеграл -

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vi ,

 

 

 

 

∫∫∫ f (x, y, z)dxdydz = lim f (xi , yi , zi )

 

 

n

T

 

 

 

 

 

 

λ→0 i=1

 

 

 

 

 

) Vi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, y, z) ,

где

f (xi , yi , zi

- интегральная сумма для функции

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

138

 

 

 

 

соответствующая выбранному разбиению области Т;

 

V1 ,

V2 ,...,

 

Vn

- объемы

областей,

на

 

которые

разбита область Т; λ -

максимальный

из диаметров

областей, на которые разбита область.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение Бесселя – уравнение x2 y ''(x)+ xy '(x)+(x2 v2 )y (x)= 0 .

 

 

Уравнение

 

Лапласа

 

уравнение

2U +

2U + 2U = f (x, y, z),

сокращенно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

y2

z2

 

 

 

 

 

 

записывается в форме

 

U = f .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение Лапласа однородное – уравнение

2U

+

2U

+ 2U = 0

или

U = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

y2

z2

 

 

 

 

Уравнение Пуассона или уравнение Лапласа неоднородное

 

2U

+ 2U +

2U

= f (x, y, z)

( f

0)

или

 

U = f .

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

y2

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение теплопроводности одномерное – уравнение

U

= a

2 2U

 

t

x2 .

 

Уравнение теплопроводности трехмерное – уравнение

 

 

 

 

U

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= a2

U

+

U

+

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

2

 

 

2

 

 

2

 

U = a2 U

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

z

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула Грина

 

∫∫∫(v

U U

 

 

 

 

 

U

U

v

 

 

 

 

S

- граница

 

v)dxdydz = ∫∫ v

n

n

dS , здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

Ω

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

замкнутой области Ω .

Формула Даламбера для одномерного волнового уравнения с начальными

условиями U

 

t =0 = ϕ(x),

U

 

 

 

 

= ψ(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

t =0

x+at

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(ϕ(x at )+ ϕ(x + at ))+

1

 

 

 

U (t, x)=

ψ(z)dz .

 

 

 

2

2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xat

Формула Остроградского-Гаусса в координатной форме –

 

 

 

P

+ Q

+ R

 

 

 

 

∫∫∫

dxdydz = ∫∫Pdydz +Qdxdz + Rdxdy ,

T

x

y

 

 

z

 

σ

 

где поверхность σ - граница тела Т.

Формула Остроградского-Гаусса в векторной форме –

∫∫andσ = ∫∫∫divadxdydz .

σT

139

Формула Стокса в координатной форме

Pdx +Qdy + Rdz =

L

 

Q

P

 

R

Q

P

R

= ∫∫

x

dxdy +

y

dydz +

z

dxdz,

σ

 

y

 

 

z

 

 

x

где L - замкнутый контур, который ограничивает поверхность σ.

 

 

Формула Стокса в векторной форме -

al dl = ∫∫(rota)ndσ.

 

 

 

 

 

 

 

 

l

σ

 

 

 

 

 

1

 

 

Фундаментальное решение уравнения Лапласа - функция

ε(r) =

в трехмерной

4πr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

области,

здесь r = (x − ξ)2 + (y − η)2 + (z − ζ)2 , и функция ε(r) =

1

ln

1

 

на плоскости,

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

здесь r =

(x − ξ)2 + (y − η)2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Циркуляция векторного поля - axdx +aydy + azdz , где l - замкнутая кривая.

 

l

2U

+ 2U

+... + 2U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

f (x ,..., x )

.

Эллиптическое уравнение – уравнение x2

x2

x2

 

1

n

 

 

1

2

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

Якобиан (определитель Якоби) в трехмерном пространстве –

 

 

 

 

∂ϕ

∂ϕ

∂ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

v

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I (u , v , w ) =

∂ψ ∂ψ ∂ψ

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

v

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂χ

∂χ

∂χ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

v

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Методические указания к проведению практических занятий

Основной целью проведения практических занятий является выработка навыков решения задач по изучаемой теме. Для студентов всех форм обучения часть занятий, в соответствии с количеством часов, указанных в тематических планах (стр. 7-10), проводится в аудитории, в течение семестра, во время сессии или на форуме учебного сайта СЗТУ. Другая часть занятий ведется с использованием ДОТ: студенты рассматривают типовые задачи по изучаемой теме ([4], [6]), выполняют задания, выдаваемые персонально преподавателем. Инициативная работа на практических занятиях позволяет студентам набрать дополнительные баллы в балльно - рейтинговой системе.

140