
- •Часть 2. Дифференциальные уравнения в частных производных первого порядка Лекция 11. Уравнения в частных производных первого порядка
- •11.1. Линейные и квазилинейные уравнения
- •11.2. Уравнения с переменными коэффициентами. Характеристики
- •11.3. Решение задачи Коши
- •12.2. Уравнение колебаний стержня
- •12.3. Уравнение теплопроводности и диффузии
- •12.4. Уравнения гидродинамики и звуковых волн
- •Лекция 13. Классификация уравнений в частных производных 2-го порядка, приведение их к каноническому виду и нахождение общего решения
- •Задания для самостоятельной работы
- •Лекция 14. Начальные и граничные условия
- •14.1. Начальные условия
- •14.2. Краевые задачи
- •Лекция 15. Решение задачи коши для волнового уравнения
- •15.1. Решение задачи Коши методом Даламбера
- •15.2. Решение задачи Коши для волнового уравнения методом Тейлора
- •Задания для самостоятельной работы
- •Лекция 16. Решение граничных задач волнового уравнения
- •16.1. Метод Фурье (метод разделения переменных) для уравнения свободных колебаний струны
- •16.2. Метод Фурье (метод разделения переменных) для уравнения вынужденных колебаний струны
- •Задания для самостоятельной работы
- •Лекция 16 (продолжение). Задача о напряженном состоянии элемента вооружения долота режущего действия
- •Лекция 17. Уравнения теплопроводности (диффузии) и методы их решений
- •17.1. Методы решения задачи Коши
- •Задания для самостоятельной работы
- •17.2. Методы решения граничных задач
- •Лекция 17 (продолжение). Расчет глубины промерзания связанных горных пород
- •Лекция 18. Стационарные уравнения. Уравнение лапласа и методы его решения
- •18.1.Задачи, приводящие к уравнениям эллиптического типа
- •18.2. Решения краевых задач для уравнения Лапласа в круге
- •Задания для самостоятельной работы
- •Лекция 19. Уравнение неразрывности и уравнения эйлера
- •19.1. Гипотеза сплошности
- •19.2. Установившееся и неустановившееся движения.
- •19.3. Уравнения гидродинамики и звуковых волн
- •19.4. Закономерности распространения плоских упругих волн
- •Лекция 20. Закономерности преломления и отражения плоских упругих волн на плоскости контакта твердых тел
- •Часть 4. Преобразование лапласа и его применение при решении дифференциальных уравнений Лекция 21. Преобразование лапласа
- •21.1. Преобразование Лапласа
- •21.2. Основные свойства преобразования Лапласа
- •21.3. Свертка функций
- •21.4. Оригиналы с рациональными изображениями
- •21.5. Нахождение оригинала по заданному изображению (когда оно рационально)
- •21.6. Оригиналы с изображениями, регулярными в бесконечности
- •Лекция 22. Практическое применение преобразования лапласа
- •22.1. Приложения к решению линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
- •22.2. Использование преобразования Лапласа при решении уравнений в частных производных
- •Лекция 23. Миграционная подмодель радиогеоэкологической модели подземного регионального хранилища радиоактивных отходов и ядерных материалов
- •Вопросы к экзамену по дисциплине: «Дифференциальные уравнения в горном деле»
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
▲