Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ур.мат.физ.docx
Скачиваний:
263
Добавлен:
18.04.2019
Размер:
3.39 Mб
Скачать

Лекция 15. Решение задачи коши для волнового уравнения

15.1. Решение задачи Коши методом Даламбера

Поставим задачу Коши для однородного волнового уравнения, описывающего свободные колебания однородной струны, т.е. найдем решение уравнения

, (15.1)

удовлетворяющее начальным условиям

. (15.2)

Эту задачу (15.1), (15.2) можно решить методом Даламбера.

Осуществим переход к канонической форме уравнения (15.1) с помощью общих интегралов уравнения характеристик (13.3). В нашем случае это уравнение имеет вид:

Следовательно, С1 и С2 определяют уравнения семейств характеристик. Тогда преобразование независимых переменных (13.5) будет иметь вид

.

Вычислим в новых переменных:

и подставим их в уравнение (15.1)

.

После сокращений получим

. (15.3)

Интегрирование этого уравнения дает

Возвращаясь к переменным х и у, окончательно будем иметь

. (15.4)

Функция является решением уравнения (15.1), если и1 и и2 - произвольные дважды дифференцируемые функции. В решении (15.4) необходимо выбрать функции и1 и и2 так, чтобы удовлетворить начальным условиям (15.2)

(15.5)

и

. (15.6)

Проинтегрировав уравнение (15.6) в пределах от х0 до х, получим

. (15.7)

Разрешив совместно уравнения (15.5) и (15.7) относительно и1(х) и и2(х), получим

(15.8)

(15.9)

Подставив (15.8) и (15.9) в решение (15.4) окончательно получим решение задачи Коши для однородного волнового уравнения

. (15.10)

Формула (15.10) называется формулой Даламбера для однородного волнового уравнения, описывающего свободные колебания однородной струны. Эта формула дает классическое решение задачи (15.1) - (15.2) только в предположении, что функция имеет производные до второго порядка включительно, а функция - до первого.

Решение задачи Коши неоднородного волнового уравнения, описывающего вынужденные колебания однородной струны

, (15.11)

удовлетворяющего начальным условиям

, (15.12)

можно получить по формуле

.(15.13)

Это формула Даламбера, дающая решение задачи Коши для неоднородного волнового уравнения, описывающего вынужденные колебания однородной струны.

Пример 15.1. Найти решение уравнения

,

удовлетворяющее начальным условиям

.

▲ Для нахождения решения исходной задачи Коши используем формулу Даламбера (15.10)

,

в которой .

Следовательно,

Окончательно решение исходной задачи имеет вид

Пример 15.2. Найти решение уравнения

,

удовлетворяющее начальным условиям

.

▲ Для нахождения решения исходной задачи Коши используем формулу Даламбера (15.10)

,

в которой .

Следовательно,

Окончательно решение исходной задачи имеет вид

Пример 15.3. Найти решение уравнения

,

удовлетворяющее начальным условиям

.

▲ Для нахождения решения исходной задачи Коши используем формулу Даламбера (15.13)

в которой .

Следовательно,

Окончательно решение исходной задачи имеет вид

15.2. Решение задачи Коши для волнового уравнения методом Тейлора

Задача Коши для волнового уравнения, описывающего вынужденные колебания какого-либо трехмерного объекта

(15.14)

с начальными условиями

(15.15)

где – неизвестная функция; – заданные функции; - вектор с координатами (x,y,z), может быть решена методом Тейлора. Суть метода заключается в том, что решение поставленной задачи ищется в виде ряда

(15.16)

Если найти все функции , то по формуле (15.16) получим решение исходной задачи Коши. Заметим, что определяются из начальных условий (15.15), остальные коэффициенты можно найти по формуле

(15.17)

Пример 15.4. Найти решение уравнения

▲ Здесь

Так как и , то по (15.17)

Отсюда, при n = 0, получим

при n = 1, получим

при n = 2, получим

при n = 3, получим

при n = 4, получим

то есть, все остальные

Подставляем найденные в решение (15.16)

Окончательно,

Пример 15.5. Найти решение уравнения

▲ Здесь Так как и , то по (15.17)

Найдем по этой формуле

И так далее, все остальные

Подставляем полученные в решение (15.16)

Таким образом, решением исходного уравнения является функция