《对非齐次偏微分方程的求解齐次边界条件下非齐次发展方程的混合问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对非齐次偏微分方程的求解齐次边界条件下非齐次发展方程的混合问题（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 对非齐次偏微分方程的求解齐次边界条件下非齐次发展方程的混合问题（一）冲量定理法（二）傅立叶级数法齐次边界条件下非齐次场位方程的混合问题（一）方程和边界条件同时齐次化非齐次方程的求解思路?用分解原理得出对应的齐次问题?解出齐次问题?求出任意非齐次特解?叠加成非齐次解方法一冲量定理法前提条件：除了方程为非齐次的外， 其它定解条件都是齐次的 ( 初始条件均取零值 ) 。基本思路：利用叠加原理将受迫振动的问题转化为（无穷多个）自由振动问题的叠加 . 2000( , )0,0( ),( )ttxxxxltttua uf x tuuuxux试设12uuu22 211 221 111,( ,0)( ,0
2、)( ),( ),(0, )0,( , )0uuatx uxuxxxt utu l t，22 222 222 222,( ,0)( ,0)0,0,(0, )0,( , )0uuafx ttx uxuxt utul t. 物理意义：在时间 0 t 内，可以把非齐次项（单位质量所受的持续作用力）看成许多前后相继（无穷多个）的“瞬时”力引起的物理过程的线性叠加。2 22 2 220,0,( , ),0,0tttxx lattx f xd22 2 220,0,( , ),0,0tttxxlvvattx vvf xvv相应的，我们也可以把位移( , )u x t也表示为20( , )( , ; )dtu
3、 x tv x t，则( , ; )v x td就应当是瞬时力所产生的位移. 更进一步说，( , , )v x t就是定解问题22 2 220,0,( , ),0,0tttxx lattx f xd22 2 220,0,( , ),0,0tttxxlvvattx vvfxvv的解. 非齐次项只存在于时刻，其全部效果只是使得弦在时刻获得一个瞬时速度 . 那么由偏微分方程的积分220002 22000( , ) ()vvdtadtf xtdtx推导出0( , , )( , )tv x tf xt令1tt则定解问题就可以写成这种形式（0t简写成 t）11122 222 1000,0,( , ),0,
4、0tttxx lvvattxvvf xvv在运算过程中， 十分需要注意的是， 瞬时力的重复计算， 不能把瞬时力既算入定解方程的其次项内，又算入初速度内！总结一下，在上面的过程中，冲量定理就把求解非齐次方程、齐次边界条件以及齐次初条件的定解问题转化成了对齐次方程、齐次边界条件的定解问题的3 求解，最后将其叠加11 1( , )( )sinsinnn nn anvx tBtxll1( , )( )sinsinnn nn anvx tBtxll其中 02( )( , )sin dlnnBf n al2001( , )( , ; )( )sin()sindttn nn anux tv x tdBtxl
5、l1 1( , )(cossin)sin(1,2,3,)nn nn an anux tCtDtxnlll12uuu例题 1 求定解问题22 2 022sinuuaAttx，0xl ，0t，00xu，0x lu，0t，00tu，00tut，0xl , 其中， a 、0A、均为已知常数解：用冲量定理法进行求解，此时的( , ; )v x t应当满足定解问题22 2 22vvatx，0xl ，t，00xv，0xlv，t，0tv，0sintvAt， 0xl ，即可得出定解问题的一般解1( , ; )sin()cos() sinnn nnnnv x tCa tDa txlll4 根据题意条件可得0nD，
6、0 02022sinsin1( 1)sin()ln nA lnCAxdxn alna所以，综上可得0( , )( , ; )t u x tv x td0 2200412121sinsinsin()(21)tnA lnnxa tdanll2 0 2222 041121sin(21)(21)()nA lnxanlnal21(21)sin()sinnnalatl方法二：傅立叶级数法前提条件：齐次边界条件下非齐次发展方程的混合问题，必须是齐次的边界条件中心思想：首先要想办法找到一组本证函数( ),1,2,3,nXxn， 如果这组函数是完备的，那么就可以将( , )u x t以及原非齐次方程的非齐次项(
7、 , )fx t，都按照本征函数展开简单选法：对本征函数的选法最简单的是， 选择( ),1,2,3,nXxn为相应齐次定解问题的本征函数，即要满足由齐次偏微分方程和齐次边界条件. 分离变量法得出的结果提示: 把所求的解本身展开为傅里叶级数( , )( )( )nn nu x tT t Xx基本函数族Xn(x) 为该定解问题的齐次方程在所给齐次边界条件下的本征函数注意：傅里叶系数( )nTt不是常数，是时间t 的函数。5 设(, ),u x tVx tWx t2222 22 2222( , ),0,0,(0, )( , )0,0,(0, )( , )0,( ,0)( ,0)( ,0)0,0,(
8、,0)( ),( )VVWWaf x txl tatxtx VtV l ttWtW l tV xW xV xxlW xxxtt( , )W x t的解可以直接由分离变量法求得1( , )(cossin)sin(1,2,3,)nn nn an anW x tCtDtxnlll由于( )nVt是一元函数，满足常微分方程，比求偏微分方程简单，因此只需设法求出( )nVt即可 .22 2 22( , ),0,0,(0, )( , )0,0,( ,0)( ,0)0,0,VVaf x txl ttx VtV l ttV xV xxlt解： 相应的齐次问题的固有函数( )sinnnXxxl设1( )sinn
9、 nnVvtxl3 代入定解问题中22 2 2 11( )sin( )sin( , )nn nnnnnv txav txf x tlll22 2 2 11( )sin( )sinnn nnnnnav txftxlll1( , )( )sinn nnf x tftxl02( )( , )sindlnnftf x tx xll再根据本征函数的正交性，就可以得到( )nVt所满足的常微分方程6 22 2 2( )( )( )0nnnnv tav tftl将代入初始条件1( ,0)(0)sin0n nnV xvxl1( ,0)(0)sin0n nV xnvxtl根据本征函数的正交性，得(0)0nv(0
10、)0nv运用求解非齐次常微分方程的常数变易法解出( )nv t. 例题 1 求下列定解问题2 2 2sin0,0(0, )( , )0,0( ,0)0,0uuatxl ttx utu l ttxx u xxl解：先解对应的齐次问题2 2 20,0(0, )( , )0,0( ,0)0,0uuaxl ttx utu l ttxx u xxl设( , )( ) ( )u x tX x T t代入2T Xa TX令2TXa TX0XX，20TaT代入边界条件00(0)0,( )0XXxlXX l7 当20xxXAeBe0AB0X当0XAxB0XB当20sincosXAxBx2 2,1,2,3,nnn
11、nlcos,1,2,3,nnnXBx nl2 2 2sin0,0(0, )( , )0,0( ,0)0,0uuatxl ttx utu l ttxx u xxlcos,0,1,2,3,nnnXBx nl0( )cosn nnuvtxl22 2 2 0( )( ) cossinnn nnnv tavtxtll0( ,0)(0)cos0n nnu xvxl(0)0nv当0n0( )sinv tt01( )cosv ttC01( )1cosv tt当0n8 22 2 2( )( )0nnnv tav tl22 2 2( )nat l nv tCe( )0nv t得11cosut方法三：方程和边界条件
12、同时齐次化基本思路：根据叠加原理， 非齐次方程的通解可分解为齐次方程的解与非齐次方程的特解之和。将偏微分方程和边界条件同时齐次化。( , )( , )( , )u x tv x tx t，关键注意点： 在处理非齐次方程变齐次化的同时，保证原有方程的齐次边界条件不变。解方程求得的特解( , )v x t. 满足适用于形式比较简单的方程( , )f x t解：通常，首先求出原非齐次方程的一个特解( , )v x t22 2 22( , )uuaf x ttx. 试设( , )( , )( , )u x tv x tx t，则( , )x t便是对应齐次偏微分方程的解, 即22 2 220atx为便
13、于用分离变量法求解，让( , )x t满足下列条件0( , )0xx t, ( , )0x lx t. 所以，我们要寻求的特解( , )v x t还应满足齐次边界条件 , 0( , )0xv x t, ( , )0x lv x t。一旦求得了这样的特解，就可以求出( , )x t的一般解9 1( , )(sincos)sinnn nnnnx tCatDatxlll，所以1( , )( , )(sincos)sinnn nnnnu x tv x tCatDatxlll，代入初始条件，0 1sin( , )nt nnDxv x tl，利用本证函数的正交归一性，定出叠加系数002( , )sinln
14、xv x tnCxdxn atl，02( ,0)sinlnnDv xxdxll. 这种解法便是方程和边界条件同时齐次化. 下面通过例题 1 来应用一下这种求解非齐次偏微分方程的方法例题 3 求定解问题22 2 22sinuuPtatx，0xl ，0t，00xu，0xlu，0t，00tu，00tut，0xl ，其中 a ，0A及均为已知常数 . 解：设( , )( , )( , )u x tv x tx t，根据题意，将齐次化函数( , )v x t化为( , )( )sinv x tf xt. 使得( , )v x t满足非齐次方程及齐次边界条件，22 2 22sinvvPtatx，0xl0t
15、，10 00xv，0x lv，0t，也就是选择( )f x，使得22( )( )f xa fxP，(0)0f，( )0f l . 则这个非齐次常微分方程的通解为2( )sincosPf xMxNxaa. 代入齐次边界条件可以得出2PN，2tan2PlMa. 于是2( )1costansin2Plf xxxaaa2cos()21 cos()2lxaP la. 这样就能导出( , )x t所满足的定解问题，22 2 22atx，0xl ，0t，00,x0x l，0t00t，0( )tfxt，0xl ，它的一般解为1( , )sincossinnn nnnnx tCatDatxlll，利用上面的初始条件就可以定出0nD，02( )sinlnnCf xxdxn al11 可以看出，只有当0n时，nC才不为 0，即324( , )Plx ta222 0112121sinsin(21) (21)()nnnxatnnalll和322cos()42( , )1sincos(2 )lxaPPlu x ttlaa222 0112121sinsin(21) (21)()nnnxatnnalll特殊情形：强迫力的角频率正好是弦的某些固有频率，(21)ka l，k为某个确定的非负整数时，弦在强迫力的作用下会发生共振现象。
