- •Розв’язок деяких задач математичної фізики методом поділення змінних. Методичні вказівки до виконання типового завдання з дисципліни
- •1.Виведення рівняння теплопровідності.
- •В результаті одержимо наступне рівняння
- •2.Перетворення задачі з неоднорідними граничними умовами до задачі з однорідними граничними умовами.
- •2.Перетворення неоднорідних граничних умов, які залежать від змінної t, в однорідні.
- •3.Метод поділення змінних. (Метод Фур’є).
- •3.1.Загальні принципи метода поділення змінних.
- •3.2.Поділення змінних у задачі теплопровідності стержня з теплоізольованою бічною поверхнею.
- •3.3.Знаходження розв’язків, які задовольняють граничним умовам.
- •3.4. Пошук розв’язку, який задовольняє рівнянню, граничним та початковим умовам.
- •Якщо підставити (3.8) у (3.7), то будемо мати
- •4. Поширення тепла у стержні.
- •Процес поширення тепла у стержні описується рівнянням
- •Враховуючи, що
- •5. Виведення рівняння поперечних коливань струни. Будемо розглядати рівняння
- •6.Повздовжні коливання стержня або поперечні коливання струни.
- •7. Стаціонарний розподіл тепла у платівці. (Задача Діріхлє у прямокутнику для рівняння Лапласа).
- •Крайові задачі для рівнянь еліптичного типу.
- •9. Метод граничних елементів.
- •Враховуючи отримані формули, маємо
Враховуючи отримані формули, маємо
У формулі (*) інтеграли – це криволінійні інтеграли першого роду, тобто для їх обчислення необхідно перейти до функції однієї змінної, а межі інтегрування завжди мають бути від меншої до більшої, незалежно від напрямку контура. У цьому випадку граничне рівняння буде мати вигляд
(2.14)
Тут U3, U6 – шукані значення температури на ділянках L3, L6; q1, q2, q4, q5 – шукане значення потоку на ділянках L1, L2, L4, L5.
Випишемо рівняння ділянок контура та координати джерел:
для
для
для
для
для
для
Використовуючи (2.11), випишемо вагові функції для кожної ділянки контура:
(2.15)
Підставляючи вагові функції (2.15) послідовно у (2.14), отримаємо систему лінійних алгебраїчних рівнянь.
Наприклад, для
маємо
Інтеграли обчислюються за допомогою програмного забезпечення Mathcad.
Аналогічно знаходимо значення інших інтегралів:
I12=1,915q2; I13= -0.284U3; I14=1.729q4; I15=3.946q5; I16=1.107U6;
I17=1.448; I18=0.64; I19=0.157; I1 10= -1.884; I1 11= -0.017.
Сума І17+І18+І19+І1 10+І1 11 – є вільним членом першого рівняння системи.
Таким чином, визначені коефіцієнти першого рівняння.
Виконавши ті ж самі дії для ,отримаємо систему рівнянь
Розв’язавши цю систему за допомогою програмного забезпеченняMathcad або методом Гауса на ЄОМ, отримаємо
(2.14)
Для обчислення значення Uу внутрішній точціскористаємося формулою (2.13):
.
Координати точки Рвикористовуємо в якості координат джерела. Тоді вагова функція
Згідно з (2.14) співвідношення (2.13) для даної задачі запишеться у такому вигляді
або
. (2.16)
У (2.16) підставимо вагову функцію та її частинні похідні і обчислимо інтеграли за допомогою програмного забезпеченняMathcad.
Примітка.Розв’язок даної задачі можна перевірити методом поділення змінних. Достатня кількість однорідних граничних умов дозволяє використати цей метод.