Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Дифференциальные и интегральные уравнения.docx
Скачиваний:
4
Добавлен:
03.08.2019
Размер:
202.07 Кб
Скачать

§8 Уравнения в частных производных Основные понятия

Дифференциальные уравнения с частными производными – дифференциальные уравнения , в которых неизвестная функция зависит более чем от одной переменной

Многие физические явления описываются дифференциальными уравнениями с частными производными

Например :

+ + = n (x, y, z) - описание распространения светового луча в неоднородной среде с показателем преломления

n (x, y, z)

Уравнение = - 2 порядок

Описывает температуру плавления стержня

= - 2 порядок

Явление колебания струны

Уравнение Лапласа

+ + = 0

Удовлетворяет потенциалу поля в области не содержащей заряд поля

Линейные и Квазилинейные уравнения частных производных

Линейные неоднородные уравнения или квазилинейные уравнения первого порядка в частных производных называется уравнение вида

( + ( + ( = z( (8.1)

Это уравнение линейное относительно производной но может быть изменено относительно не известной z.

Если правая часть 0 а коэффициент не зависит от z , то уравнение (8.1) называется линейно однородным

Рассмотрим более подробно квазилинейные уравнения с 2-умя независимыми переменными

P (x, y, z) + Q (x, y, z) = R (x, y, z) (8.1a)

Функцию P, Q, R будем считать не прерывной в рассматриваемой области изменённой переменой и не обращающейся в ноль одновременно

Рассмотрим непрерывное поле :

= P (x, y, z) + Q (x, y, z) 1 + n (x, y, x)

Векторные линии поля , то есть линии, касательно которых в каждой точке имеют направления

= dx + dy + dz ,

- =

Поверхность целиком содержащая векторные линии, или хотя бы одну общую точку с поверхностью называется векторной поверхностью

Векторные поверхности характерны тем, что вектор направлен по нормали к поверхности. В точке поверхность ортогональна полю , то есть :

( * ) =0 (8.2)

Если векторная поверхность

+ -

и условие (8.2) принимает вид :

P (x, y, z) * + Q (x, y, z) = R (x, y, z) (8.3)

Если векторная поверхность задаётся:

U (x, y, z) = 0

+ -

И уравнение (8.2) приобретает вид :

P (x, y, z) * + Q (x, y, z) + R (x, y, z) = (8.4)

Так как векторные поверхности могут быть составлены из векторных линий

То интегрирование уравнения (8.3) или (8.4) сводиться к интегрированию системы обыкновенных дифференциальных уравнений векторных линий

Составим систему дифференциальных уравнений векторных линий :

- = (8.5)

из 2-ух параметрических семейств векторных линий

Называется характеристиками уравнения (8.3) или (8.4) произвольным способом параметрического семейства

Устанавливая какую – нибудь зависимость Ф ( ) = 0 тогда параллелограмм и

Исключение из системы :

Ф- произвольная функция (непрерывная)

Найдем интеграл квадратного уравнения (8.3) зависящего от произвольной функции

Если требуется найти не произвольный вектор поверхностного поля

= P (x, y, z) + Q (x, y, z) + R (x, y, z)

А поверхностный проход через заданную линию определяется уравнением

То функция (8.6) уже не будет произвольной , определяемая присутствием исключений x, y, z из системы

(x, y, z) =

(x, y, z) =

Которые должны одновременно удовлетворять в задней линии =0 , =0

Через которую мы проводим характеристики определяемые уравнениями :

Заметим, что задание станет неопределяемым если задание меньше (x, y, z) = 0

(x, y, z) = 0 является характеристикой , т.к. в этом случае эту линию можно включить в различные однопараметрические семейства характерные тем самым получим различные интегралы появляющееся через эту линию.

Система дифференциальных уравнений с частными производными 1-го порядка

Во многих областях науки встречаются системы величин, которые связаны между собой не одним, а сразу несколькими соотношениями , рассматривается задача Коши для систем из двух уравнений с двумя начальными условиями

+ 8 =0

+ 2 =0

∞ < x < +∞

0 < t < ∞

(x, 0) = f(x)

(x, 0) = d(x)

Эта задача может соответствовать определению давления и плотности , как формула u пространствует координатам x и времени t

(x, 0) = f(x) - давление

(x, 0) = d(x) - плотность

x - координат

t – время

Запишем систему уравнений в матричной форме

+ =

+ A = (8.7)

A =

=

=

=

Введение новой неизвестной функции v = с помощью преобразования u = pv , где p- матрица , по столбцам которой стоят собственные векторы матрицы А.

Собственные числа матрицы А являются корнями уравнения :

det (A – λ E)=0

или = 0  – 16 = 0 = 4 = - 4

Найдём собственный вектор соответствующий собственному значению = 4 из системы

(A – E) ( ) = 0

= =1

=2 =>

P=

= - 4

= = 1,

= - 2

P=

* = det p= 4

AP = = = = B

Оказалось, что после замены переменных по формуле u=pv для определения v получится очередная простая система 2 уравнения относительно новых , после того по формуле pv находится искомая формула но сначала вычислим, как выглядит система для определения v продифференцируем обе части соотношения u=pv получаем :

= p

= p (8.8)

Теперь подставим соотношения (8.8) в системе :

+ A = 0

+ A│ = 0 │*

+ A =0

+ B = 0 (8.9)

Раньше мы уже видели , что B

Заменим (8.9) в развернутой форме :

(8.10)

Получилась система из 2х не связанных уравнений которые решаются независимо их решениями будут :

=

x- 4t =

= ϕ (x-4t)

: =

x-+4t =

= ϕ (x+4t)

Для получения общего решения нужно выполнить по формуле : u=pv

= =

(x, t) =

(x, t) =

Решается задание Коши :

│2

Φ(x) = (f(x)+2y(x))

Ψ(x)= (2f(x)- f(x)) =>

Ответ :

(x, t) = (f(x-4t)+2y(x-4t))- (2y(x+4t)-f(x+4t))

(x, t) = (2y(x-4t)-f(x-4t)+ (2d(x+4t)-f(x+4t))

Замечание : часто численные методы ориентируются на решение систем уравнений , а значит многие программы для компьютера написаны так чтобы решить систему уравнений первого порядка, поэтому приходится преобразовывать свое уравнение высшего порядка в систему первого порядка.