【Ecuación matemática】Método de separación de variables

2 Separación de variables

2.0 Ecuaciones diferenciales ordinarias

2.0.1 Ecuaciones homogéneas y no homogéneas

  • Ecuación homogénea y ′ ( x ) = P ( x ) y ( x ) y'(x)=P(x)y(x)y (x)=P ( x ) y ( x ) separa variables e integra en ambos lados
    • y ( x ) = C mi ∫ PAGS ( x ) dxy(x)=Ce^{\int P(x)dx}y(x)=este _P ( x ) re x
    • P(x) es constante y ′ ( x ) = mi ( x ) → y ( x ) = C emx y'(x)=mi(x)\rightarrow y(x)=Ce^{mx}y (x)=mi ( x ) _y(x)=este _mx _
  • Ecuación no homogénea y ′ ( x ) = P ( x ) y ( x ) + Q ( x ) y'(x)=P(x)y(x)+Q(x)y (x)=PAG ( x ) y ( x )+Q ( x ) método de variación constante
    • y ( x ) = mi ∫ PAGS ( x ) dx ( ∫ Q ( x ) ⋅ mi − ∫ PAGS ( x ) dxdx + C ) y(x)=e^{\int P(x)dx}(\int Q (x)\cdot e^{-\int P(x)dx}dx+C)y(x)=yPAGS ( X ) re X (q ( ​​x )yPAG ( x ) re x rex+c )

2.0.2 Ecuaciones diferenciales ordinarias homogéneas de segundo orden con coeficientes constantes

a 2 y ′ ′ ( x ) + a 1 y ′ ( x ) + a 0 y ( x ) = 0 a_2y''(x)+a_1y'(x)+a_0y(x)=0a2y′′ (x)+a1y (x)+a0y(x)=0

  • Operación especial: a 2 r 2 + a 1 r + a 0 = 0 a_2r^2+a_1r+a_0=0a2r2+a1r+a0=0 , raíz propia r

  • 2 raíces reales r 1 ≠ r 2 r_1\neq r_2r1=r2: 通解y ( x ) = A er 1 x + B er 2 xy(x)=Ae^{r_1x}+Be^{r_2x}y(x)=pero tur1X+ser _r2X

  • 1 raíz real r 1 = r 2 r_1=r_2r1=r2: 通解y ( x ) = ( A x + B ) erxy(x)=(Ax+B)e^{rx}y(x)=( una x+B ) mir x

  • 复根r 1 = α + β yo , r 2 = α − β yo r_1=\alpha+\beta yo, r_2=\alpha-\beta yor1=a+β yo ,r2=aβ yo : 通解y ( x ) = mi α x ( A cos ⁡ β x + B sin ⁡ β x ) y(x)=e^{\alpha x}(A\cos\beta x+B\sin\beta X)y(x)=yαx (Aporquex _+Bpecadoβx ) _
    inserte la descripción de la imagen aquí

  • ρ 2 R ′ ( ρ ) + ρ R ′ ( ρ ) − λ R ( ρ ) = 0 \rho^2R''(\rho)+\rho R'(\rho)-\lambda R(\rho) = 0r2R _" (pag)+r _ (pag)λ R ( ρ )=0

    • ρ = ex \ rho = mi ^ xr=yX

2.1 Problema de valores propios

2.1.1 Problemas comunes de valores propios

  • Ecuación diferencial ordinaria X ′ ′ ( x ) + λ X ( x ) = 0 X''(x)+\lambda X(x)=0X′′ (x)+λ X ( x )=0

    • λ < 0 \lambda<0yo<0 ,X ( x ) = UN mi − λ x + segundo mi − − λ x X(x)=Ae^{\sqrt{-\lambda}x}+Be^{-\sqrt{-\lambda}x}x ( x )=pero tu- yo X+ser _- yo X
    • λ = 0 \lambda=0yo=0 ,X (x) = Ax + BX(x)=Ax+Bx ( x )=una x+B
    • λ > 0 \lambda>0yo>0 ,X ( x ) = A porque ⁡ λ x + segundo sin ⁡ λ x X(x)=A\cos\sqrt{\lambda}x+B\sin\sqrt{\lambda}xx ( x )=Aporqueyo X+Bpecadoyo X
  • contiene la constante λ \lambda a determinarEl problema de valores propios de λ, λ \lambdaλ valor propio,X ( x ) X(x)X ( x ) función característica

  • { X ′ ′ ( x ) + λ X ( x ) = 0 X ( 0 ) = 0 , X ( l ) = 0 \left\{\begin{matriz}X''(x)+\lambda X(x) =0 \\X(0)=0, X(l)=0\end{matriz}\right.{ X′′ (x)+λ X ( x )=0X ( 0 )=0 ,X ( l )=0

    1. λ < 0 \lambda<0yo<0 , A=B=0, solución trivial
    2. λ = 0 \lambda=0yo=0 , A=B=0, solución trivial
    3. λ > 0 \lambda>0yo>0 ,{ λ norte = ( norte π l ) 2 X norte ( X ) = segundo norte pecado ⁡ norte π lx , norte = 1 , 2 , 3... \left\{\begin{matriz}\lambda _n=( \frac{n\pi}{l} )^2 \\ X_n(x)=B_n\sin\frac{n\pi}{l}x,n=1,2,3... \end{matriz} \Correcto.{ yon=(yo)2Xn( X )=Bnpecadoyox ,norte=1 ,2 ,3 ...
      1. pecado ⁡ norte π lxn = 1 ∞ {\sin\frac{n\pi}{l}x}_{n=1}^\inftypecadoyoXnorte = 1
      2. C norte = 2 l ∫ 0 si ( x ) sin ⁡ norte π lxdx C_n=\frac{2}{l}\int_0^lf(x)\sin\frac{n\pi}{l}xdxCn=yo20yof ( x )pecadoyox re x

2.1.2 Teoría del Problema de Valores Propios

  • SLecuaciónddx ( k ( x ) dydx ) − q ( x ) y ( x ) + λ ρ ( x ) y ( x ) = 0 , x ∈ ( a , b ) \frac{d}{dx}(k( x) \frac{dy}{dx})-q(x)y(x)+\lambda\rho(x)y(x)=0,x\in(a,b)d xre( k ( x )d xdy _)q ( ​​x ) y ( x )+λ ρ ( x ) y ( x )=0 ,X( un ,segundo )
    • Valores propios: condición de contorno menor, periodicidad, condición de contorno natural
    • k ( x ) = ρ ( x ) = 1 , q ( x ) = 0 k(x)=\rho(x)=1,q(x)=0k ( x )=pag ( x )=1 ,q ( ​​x )=0 :y ′ ′ ( x ) + λ y ( x ) = 0 y''(x)+\lambda y(x)=0y′′ (x)+λ y ( x )=0
    • k ( x ) = ρ ( x ) = x , q ( x ) = norte 2 xk(x)=\rho(x)=x,q(x)=\frac{n^2}{x}k ( x )=pag ( x )=x ,q ( ​​x )=Xnorte2: x 2 y ′ ′ ( x ) + xy ′ ( x ) + ( λ x 2 − norte 2 ) y ( x ) = 0 x^2y''(x)+xy'(x)+(\lambda x^ 2-n^2)y(x)=0X2 años′′ (x)+x y (x)+( λ x2norte2)y(x)=0
    • k ( x ) = 1 − x 2 , ρ ( x ) = 1 , q ( x ) = 0 k(x)=1-x^2,\rho(x)=1,q(x)=0 k ( x )=1X2 ,pag ( x )=1 ,q ( ​​x )=0 :( 1 − x ) 2 y ′ ′ ( x ) − 2 xy ′ ( x ) + λ y ( x ) = 0 (1-x)^2y''(x)-2xy'(x)+\lambda y(x)=0( 1x )2 años′′ (x)2 x y (x)+λ y ( x )=0
    1. Hay valores propios reales contables -> secuencia monótonamente creciente 0 ≤ λ 1 ≤ λ 2 ≤ . . . ≤ λ n ≤ {0\leq\lambda_1\leq\lambda_2\leq...\leq\lambda_n\leq}0yo1yo2...yon
      funciones propias contables{ yx ( x ) } , n = 1 , 2 , 3... \{y_x(x)\}, n=1,2,3...{ yx( x )} ,norte=1 ,2 ,3...
    2. Todos los valores propios son no negativos λ n ≥ 0 , n = 1 , 2 , 3... \lambda_n\geq 0, n=1,2,3...yon0 ,norte=1 ,2 ,3...
    3. Sistema de función característica { yn ( x ) } n = 1 n = ∞ \{y_n(x)\}_{n=1}^{n=\infty}{ yn( X ) }norte = 1n = L ρ 2 [ a , b ] L_\rho^2[a,b] Lr2[ un ,b ] en la función de pesoρ ( x ) \rho(x)ρ ( x )的正交系∫ ab ρ ( x ) yn ( x ) ym ( x ) dx = { 0 norte ≠ metro ∣ ∣ yn ∣ ∣ 2 2 norte = metro \int_a^b\rho(x)y_n( x)y_m(x)dx=\left\{\begin{matriz}0 &n\neq m \\||y_n||_2^2 &n=m\end{matriz}\right.asegundop ( x ) yn(x)ym( x ) re x={ 0∣∣ yn22norte=metronorte=m
    4. Sistema de función característica { yn ( x ) } n = 1 n = ∞ \{y_n(x)\}_{n=1}^{n=\infty}{ yn( X ) }norte = 1n = L ρ 2 [ a , b ] L_\rho^2[a,b] Lr2[ un ,b ] en la función de pesoρ ( x ) \rho(x)El sistema completo de ρ ( x )

2.1.3Matlab

  • Ecuación diferencial ordinaria de segundo orden
    Encuentre d 2 ydx 2 + y = 1 − x 2 π \frac{d^{2} y}{dx^{2}}+y=1-\frac{x^{2}}{ \Pi}d x2d2 años+y=1PiX2Solución general
    • y=dsolve('D2y+y=1-x^2/pi','x')
      
    { d 2 y d x 2 + y = 1 − x 2 π y ( 0 ) = 0.2 , y ′ ( 0 ) = 0.5 \left\{\begin{array}{l}\frac{d^{2} y}{d x^{2}}+y=1-\frac{x^{2}}{\pi} \\y(0)=0.2, y^{\prime}(0)=0.5\end{array}\right. { d x2d2 años+y=1PiX2y(0)=0.2 ,y (0)=0.5solución especial, dibujo
    • y=dsolve('D2y+y=1-x^2/pi','y(0)=0.2,Dy(0)=0.5','x')
      ezplot(y),aixs([-3 3 -0.5 2])
      
  • 常微分方程组{ dudt = 3 u − 2 vdvdt + v = 2 u \left\{\begin{array}{l}\frac{du}{dt}=3 u-2 v \\\frac{dv} {dt}+v=2 u\end{matriz}\right.{ dt _de _=3 tu2v _dt _d v+en=2 y
    1. Buscar una solución general
    • [u,v]=dsolve('Du=3*u-2*v','Dv+v=2*u')
      
    2. Para satisfacer las condiciones iniciales u ( 0 ) = 1 , v ( 0 ) = 0 u(0)=1, v(0)=0en ( 0 )=1 ,en ( 0 )=0 solución especial
    • [u,v]=dsolve('Du=3*u-2*v','Dv+v=2*u','u(0)=1,v(0)=0','t')
      

2.2 Ecuación de onda unidimensional, solución de ecuación de calor unidimensional

2.2.1 Ecuación de onda unidimensional

{ ∂ 2 tu ∂ t 2 = un 2 ∂ 2 tu ∂ X 2 0 < X ​​< l , t > 0 tu ∣ X = 0 = tu ∣ X = l = 0 tu ∣ t = 0 = ϕ ( X ) , ∂ u ∂ t ∣ t = 0 = ψ ( x ) \left\{\begin{array}{l} \frac{\partial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{t}^{2 }}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\partial^{2} \boldsymbol{u}}{\partial \boldsymbol{x}^{2}} \quad 0<\boldsymbol{x}< \boldsymbol{l}, \boldsymbol{t}>0 \\ \left.\boldsymbol{u}\right|_{\boldsymbol{x}=0}=\left.\boldsymbol{u}\right|_{ \boldsymbol{x}=l}=0 \\ \left.\boldsymbol{u}\right|_{t=0}=\phi(\boldsymbol{x}),\left.\frac{\parcial \boldsymbol {u}}{\\boldsymbol{t}}\right|_{t=0}=\psi(\boldsymbol{x}) \end{matriz}\right. t22 y=a2x22 y0<X<yo ,t>0tux =0=tux =l=0tut = 0=ϕ ( x ) ,t tu t = 0=ψ ( x )
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  • un ( x , t ) u_n(x,t)enn( X ,t ) es sinusoidal en cualquier momento
    • t = t 0 t=t_0t=t0 un ( x , t 0 ) u_n(x,t_0)enn( X ,t0) es una sinusoide cuya amplitud varía con el tiempo
    • x = x 0 x = x_0X=X0 un ( x 0 , t ) u_n(x_0,t)enn( X0,t ) Vibración armónica simple
  • Tiempo determinado arbitrariamente un ( x , t ) = A n ′ sin ⁡ norte π lx u_{n}(x, t)=A_{n}^{\prime} \sin \frac{n \pi}{l} xenn( X ,t )=AnortepecadoyoX
    • n+1 n+1norte+1 cero,nnn个极值点, tu1 , tu 2 , tu 3 u_1,u_2,u_3en1,en2,en3es una serie de ondas estacionarias

2.2.2 Método de solución de la ecuación de calor unidimensional

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2.3 El método de solución del problema de solución definida de la ecuación de Laplace

2.3.1 Laplace en el sistema de coordenadas cartesianas

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2.3.2 La solución del problema de solución definida de Laplace en dominio circular bidimensional

  1. 定解问题∂ 2 tu ∂ x 2 + ∂ 2 tu ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}^{2}}+\frac{ \parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{y}^{2}}=0x22 y+año22 y=0
  2. Racionalización { x = ρ cos ⁡ θ y = ρ sin ⁡ θ , 0 ≤ θ ≤ 2 π \left\{\begin{array}{l}x=\rho \cos \theta \\y=\rho\; sin \theta,\end{matriz}\quad 0 \leq \theta \leq 2 \pi\right.{ X=rporqueiy=rpecadoyo ,0i14:00 _
  3. ∂ tu ∂ x = ∂ tu ∂ ρ ∂ ρ ∂ x + ∂ tu ∂ θ ∂ θ ∂ x = v \frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}}=\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \rho} \frac{\parcial \rho}{\parcial \boldsymbol{x}}+\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \theta} \frac{ \parcial \theta}{\parcial \boldsymbol{x}}=\boldsymbol{v}x tu=ρ tux ρ+θ tux θ=v代入得 $ \begin{array}{l}\frac{1}{\rho} \frac{\partial}{\partial \rho}\left(\rho \frac{\partial \boldsymbol{u}}{ \parcial \rho}\right)+\frac{1}{\rho^{2}} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \theta^{2}}=0 \ \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \rho^{2}}+\frac{1}{\rho} \frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \ rho}+\frac{1}{\rho^{2}} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \theta^{2}}=0\end{matriz} $

2.4 Ecuaciones no homogéneas

波方程{ ∂ 2 tu ∂ t 2 = un 2 ∂ 2 tu ∂ X 2 + F ( X , t ) , 0 < X ​​< l , t > 0 tu ∣ X = 0 = tu ∣ X = l = 0 tu ∣ t = 0 = ϕ ( x ) , ∂ tu ∂ t ∣ t = 0 = Ψ ( x ) \left\{\begin{array}{l}\frac{\partial^{2} \boldsymbol{u}}{ \boldsymbol{t}^{2}}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}^{2}} +\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{t}), \quad 0<\boldsymbol{x}<\boldsymbol{l}, \boldsymbol{t}>0 \\\left.\boldsymbol {u}\right|_{\boldsymbol{x}=0}=\left.\boldsymbol{u}\right|_{\boldsymbol{x}=l}=0 \\\left.\boldsymbol{u} \right|_{t=0}=\phi(\boldsymbol{x}),\left.\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{t}}\right|_{t= 0}=\varPsi(\boldsymbol{x})\end{matriz}\right. t22 y=a2x22 y+f ( x ,t ),0<X<yo ,t>0tux =0=tux =l=0tut = 0=ϕ ( x ) ,t tu t = 0=Ψ ( x )
拆解u ( x , t ) = v ( x , t ) + w ( x , t ) u(x,t)=v(x,t)+w(x,t)tu ( x ,t )=v ( x ,t )+w ( x ,t )

2.4.1 Método de funciones propias

ecuación de onda

{ ∂ 2 v ∂ t 2 = un 2 ∂ 2 v ∂ X 2 + F ( X , t ) v ∣ X = 0 = v ∣ X = l = 0 v ∣ t = 0 = 0 , ∂ v ∂ t ∣ t = 0 = 0 \left\{\begin{matriz}{l}\frac{\parcial^{2} v}{\parcial t^{2}}=a^{2} \frac{\parcial^{2 } v}{\parcial x^{2}}+f(x, t) \\\left.v\right|_{x=0}=\left.v\right|_{x=l}=0 \\\left.v\right|_{t=0}=0,\left.\frac{\parcial v}{\parcial t}\right|_{t=0}=0\end{matriz}\ Correcto. t22v _=a2x22v _+f ( x ,t )v x = 0=v x = l=0v t = 0=0 ,t∂v _ t = 0=0

  1. Ecuación homogénea + condición de frontera homogénea { ∂ 2 v ∂ t 2 = a 2 ∂ 2 v ∂ x 2 v ∣ x = 0 = v ∣ x = l = 0 \left\{\begin{array}{l}\ frac{ \parcial^{2} \boldsymbol{v}}{\parcial \boldsymbol{t}^{2}}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{v }} {\\boldsymbol{x}^{2}} parcial \\\left.\boldsymbol{v}\right|_{\boldsymbol{x}=0}=\left.\boldsymbol{v}\right|_{ \boldsymbol{x}=l}=0\end{matriz}\right.{ t22v _=a2x22v _v x = 0=v x = l=0
    1. Problema de valores propios { X ′ ′ ( x ) + λ X ( x ) = 0 X ( 0 ) = X ( l ) = 0 \left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{X}^{\prime \ primo}(\boldsymbol{x})+\lambda \boldsymbol{X}(\boldsymbol{x})=0 \\\boldsymbol{X}(0)=\boldsymbol{X}(\boldsymbol{l}) = 0\end{matriz}\right.{ X′′ (x)+λ X ( x )=0X ( 0 )=X ( l )=0
      1. Función característica X n ( x ) = segundo norte sin ⁡ norte π lx , n = 1 , 2 , . . . X_n(x)=B_n\sin\frac{n\pi}{l}x,n=1,2 ,...Xn( X )=Bnpecadoyox ,norte=1 ,2 ,...
      2. Supongamos que la solución de la ecuación no homogénea v ( x , t ) = ∑ n = 1 ∞ vn ( t ) sin ⁡ norte π lxv(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}v_n(t)\ sin \frac{n\pi}{l}xv ( x ,t )=norte = 1enn( t )pecadoyoX
  2. f ( x , t ) f(x, t)f ( x ,t ) según la secuencia defunciones propias { sin ⁡ norte π lx } n = 1 ∞ \{\sin\frac{n\pi}{l}x\}_{n=1}^{\infty}{ pecadoyoX }norte = 1Expandir en forma de serie
    1. f ( X , t ) = ∑ norte = 1 ∞ fn ( t ) pecado ⁡ norte π lxf(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(t)\sin\frac{n\ pi}{l}xf ( x ,t )=norte = 1Fn( t )pecadoyoX
    2. fn ( t ) = 2 l ∫ 0 lf ( x , t ) pecado ⁡ norte π lxdx f_n(t)=\frac{2}{l}\int_0^lf(x,t)\sin\frac{n\pi {l}xdxFn( t )=yo20yof ( x ,t )pecadoyox re x
  3. Los resultados anteriores se llevan a la ecuación no homogénea
    1. inserte la descripción de la imagen aquí
    2. Obtenga el problema de la ecuación diferencial ordinaria { vn ′ ′ ( t ) + ( norte π al ) 2 vn ( t ) = fn ( t ) vn ( 0 ) = 0 , vn ′ ( 0 ) = 0 \left\{\begin{ matriz {l}v_{n}^{\prime \prime}(t)+\left(\frac{n \pi a}{l}\right)^{2} v_{n}(t)=f_ { n}(t) \\v_{n}(0)=0, \quad v_{n}^{\prime}(0)=0\end{matriz}\right.{ ennorte′ ′( t )+(yonπa)2enn( t )=Fn( t )enn( 0 )=0 ,ennorte( 0 )=0
    3. Transformada de Laplace
      1. vn ( t ) = ln π un ∫ 0 tfn ( τ ) pecado ⁡ norte π un ( t − τ ) ld τ \boldsymbol{v}_{n}(t)=\frac{l}{n \pi a} \int_{0}^{t} f_{n}(\tau) \sin \frac{n \pi a(t-\tau)}{l} d \tauenn( t )=nπayo0tFn( t )pecadoyonpa ( t - τ )d τ
      2. v ( X , t ) = ∑ norte = 1 ∞ ln π un ∫ 0 tfn ( τ ) pecado ⁡ norte π un ( t − τ ) ld τ pecado ⁡ norte π lx \boldsymbol{v}(\boldsymbol{x} \ boldsymbol{t})=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{l}{\boldsymbol{n} \pi a} \int_{0}^{t} f_{n}(\tau ) \sin \frac{n \pi a(t-\tau)}{l} d \tau \sin \frac{n \pi}{l} \boldsymbol{x}v ( x ,t )=norte = 1n πayo0tFn( t )pecadoyonpa ( t - τ )d τpecadoyox
        Matlab Resolución de ecuaciones diferenciales ordinarias de segundo orden
syms V n a L 
S=dsolve(`D2V+(n*pi*a/L)^2*V=5`,`V(0)=0,DV(0)=0`,`t`)
pretty(simple(S))

ecuación de calor

{ ∂ tu ∂ t = una 2 ∂ 2 tu ∂ X 2 + pecado ⁡ ω t 0 < X ​​< l , t > 0 ∂ tu ∂ X ∣ X = 0 = ∂ tu ∂ X ∣ X = l = 0 tu ∣ t = 0 = 0 \left\{\begin{array}{l} \frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{t}}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\ parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}^{2}}+\sin \omega \boldsymbol{t} \quad 0<\boldsymbol{x}<\boldsymbol{l}, \boldsymbol{t}>0 \\ \left.\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}}\right|_{x=0}=\left.\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}}\right|_{x=l}=0 \\ \left.\boldsymbol{u}\right|_{t=0}=0 \end{ matriz}\derecho. t tu=a2x22 y+pecadot _0<X<yo ,t>0x tu x = 0=x tu x = l=0tut = 0=0

  1. 齐次方程+齐次边界条件{ ∂ tu ∂ t = un 2 ∂ 2 tu ∂ x 2 ∂ tu ∂ x ∣ x = 0 = ∂ tu ∂ x ∣ x = l = 0 \left\{\begin{array} {l}\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{t}}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{u}}{\ \boldsymbol{x}^{2}} parcial \\\left.\frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}}\right|_{x=0}=\left.\ frac{\parcial \boldsymbol{u}}{\parcial \boldsymbol{x}}\right|_{x=l}=0\end{matriz}\right.{ t tu=a2x22 yx tu x = 0=x tu x = l=0
    1. Problema de valores propios { X ′ ′ ( x ) + λ X ( x ) = 0 X ′ ( 0 ) = X ′ ( l ) = 0 \left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{X}^ {\ primo \prime}(\boldsymbol{x})+\lambda \boldsymbol{X}(\boldsymbol{x})=0 \\\boldsymbol{X}^{\prime}(0)=\boldsymbol{X }^ {\prime}(\boldsymbol{l})=0\end{matriz}\right.{ X′′ (x)+λ X ( x )=0X (0)=X (l)=0
    2. Función característica X n ( x ) = A n cos ⁡ n π lx , n = 0 , 1 , 2 , . . . X_n(x)=A_n\cos\frac{n\pi}{l}x,n=0 ,1,2,...Xn( X )=Anporqueyox ,norte=0 ,1 ,2 ,...
    3. Sea una solución de ecuación no homogénea u ( x , t ) = ∑ n = 1 ∞ un ( t ) cos ⁡ n π lxu(x,t)=\sum_{n=1}^\infty u_n(t)\cos\ frac{ n\pi}{l}xtu ( x ,t )=norte = 1enn( t )porqueyoX
  2. sin ⁡ peso \sin pesopecadowt según la secuencia defunciones propias { cos ⁡ norte π lx } n = 0 ∞ \{\cos\frac{n\pi}{l}x\}_{n=0}^\infty{ porqueyoX }norte = 0Expandir en forma de serie
    1. sin ⁡ wt = F 0 + ∑ norte = 1 ∞ fn ( t ) porque ⁡ norte π lx \sin wt=f_0+\sum_{n=1}^\infty f_n(t)\cos\frac{n\pi}{ l}xpecadopeso=F0+norte = 1Fn( t )porqueyoX
      1. f 0 ( t ) = 1 l ∫ 0 l sin ⁡ wtdx = sin ⁡ wt f_0(t)=\frac{1}{l}\int_0^l\sin wtdx=\sin wtF0( t )=yo10yopecadopeso d x=pecadopeso
      2. fn ( t ) = 2 l ∫ 0 l sin ⁡ wt cos ⁡ norte π lxdx = 0 f_n(t)=\frac{2}{l}\int_0^l\sin wt\cos\frac{n\pi}{ l}xdx=0Fn( t )=yo20yopecadopesoporqueyox re x=0
  3. Sustituir en la ecuación no homogénea para obtener
    1. inserte la descripción de la imagen aquí
    2. 得常微分方程问题{ un ′ ( t ) + ( n π al ) 2 un ( t ) = fn ( t ) un ( 0 ) = 0 \left\{\begin{array}{l}u_{n}^ {\prime}(t)+\left(\frac{n \pi a}{l}\right)^{2} u_{n}(t)=f_{n}(t) \\u_{n} (0)=0\end{matriz}\right.{ ennorte( t )+(yonπa)2enn( t )=Fn( t )enn( 0 )=0
      1. n=0 n=0norte=0{ u 0 ′ ( t ) = sin ⁡ wtu 0 ( 0 ) = 0 \left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{u}_{0}^{\prime}(\boldsymbol{t })=\sin \boldsymbol{w} \boldsymbol{t} \\\boldsymbol{u}_{0}(0)=0\end{matriz}\right.{ en0( t )=pecadowt _en0( 0 )=0
        1. tu 0 ( t ) = − 1 w porque ⁡ wt + C tu 0 ( 0 ) = 0 } ⇒ tu 0 ( t ) = 1 w ( 1 − porque ⁡ wt ) \left.\begin{array}{c}u_ {0}(t)=-\frac{1}{w} \cos w t+C \\u_{0}(0)=0\end{array}\right\} \Rightarrow u_{0}(t )=\frac{1}{w}(1-\cos wt)en0( t )=en1porquepeso+Cen0( 0 )=0}en0( t )=en1( 1porquepeso )
      2. n ≠ 0 n\neq 0norte=0{ un ′ ( t ) + ( norte π al ) 2 un ( t ) = 0 un ( 0 ) = 0 \left\{\begin{array}{l}u_{n}^{\prime}(t )+\left(\frac{n \pi a}{l}\right)^{2} u_{n}(t)=0 \\u_{n}(0)=0\end{matriz}\right .{ ennorte( t )+(yonπa)2enn( t )=0enn( 0 )=0
        1. un ( t ) = C mi − un 2 norte 2 π 2 l 2 tun ( 0 ) = 0 } ⇒ un ( t ) ≡ 0 \left.\begin{array}{l}u_{n}(t)=C e^{-a^{2} \frac{n^{2} \pi^{2}}{l^{2}} t} \\u_{n}(0)=0\end{matriz}\ derecha\} \Rightarrow u_{n}(t) \equiv 0enn( t )=este _un2yo2norte14:00 _2tenn( 0 )=0}enn( t )0
    3. tu ( X , t ) = ∑ norte = 0 ∞ un ( t ) porque ⁡ norte π lxu(x,t)=\sum_{n=0}^\infty u_n(t)\cos\frac{n\pi} {l}xtu ( x ,t )=norte = 0enn( t )porqueyoX

2.5 Tratamiento de condiciones de contorno no homogéneas

2.4波方程u ( x , t ) = v ( x , t ) + w ( x , t ) u(x,t)=v(x,t)+w(x,t)tu ( x ,t )=v ( x ,t )+w ( x ,t )

  1. v en el límite satisface v ( o , t ) = 0 , v ( l , t ) = 0 v(o,t)=0,v(l,t)=0v ( o ,t )=0 ,v ( yo ,t )=0 entonces w satisfacew ( 0 , t ) = u 1 ( t ) , w ( l , t ) = u 2 ( t ) w(0,t)=u_1(t),w(l,t)= u_2( t)en ( 0 ,t )=en1( t ) ,w ( yo ,t )=en2( t )
  2. w形式w ( x , t ) = A ( t ) x + segundo ( t ) w(x,t)=A(t)x+B(t)w ( x ,t )=un ( t ) x+segundo ( t )
    1. 满足{ w ( X , t ) = UN ( t ) X + segundo ( t ) w ( 0 , t ) = tu 1 ( t ) , w ( l , t ) = tu 2 ( t ) \left\{\begin {matriz}{l}w(x, t)=A(t) x+B(t) \\w(0, t)=u_{1}(t), w(l, t)=u_{2 }(t)\end{matriz}\right.{ w ( x ,t )=un ( t ) x+segundo ( t )en ( 0 ,t )=en1( t ) ,w ( yo ,t )=en2( t )
    2. 解得{ UN ( t ) = tu 2 ( t ) − tu 1 ( t ) l segundo ( t ) = tu 1 ( t ) \left\{\begin{array}{l}A(t)=\frac{ u_2(t)-u_1(t)}{l} \\B(t)=u_1(t)\end{matriz}\right.{ un ( t )=yoen2( t ) - tu1( t )segundo ( t )=en1( t )
    3. ∴ w ( x , t ) = tu 2 ( t ) − tu 1 ( t ) lx + tu 1 ( t ) \por lo tanto w(x,t)=\frac{u_2(t)-u_1(t)}{l }x+u_1(t)w ( x ,t )=yoen2( t ) - tu1( t )X+en1( t )
  3. eninserte la descripción de la imagen aquí
    1. v ( x , t ) v(x, t)v ( x ,t )满足{ ∂ 2 v ∂ t 2 = un 2 ∂ 2 v ∂ X 2 + F 1 ( X , t ) v ∣ X = 0 = 0 , v ∣ X = l = 0 v ∣ t = 0 = ϕ 1 ( x ) , ∂ v ∂ t ∣ t = 0 = ψ 1 ( x ) \left\{\begin{array}{l}\frac{\parcial^{2} \boldsymbol{v}}{\parcial \boldsymbol {t}^{2}}=\boldsymbol{a}^{2} \frac{\parcial^{2} \boldsymbol{v}}{\parcial \boldsymbol{x}^{2}}+\boldsymbol{ f}_{1}(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{t}) \\\left.\boldsymbol{v}\right|_{x=0}=0,\left.\quad \boldsymbol{v }\right|_{x=l}=0 \\\left.\boldsymbol{v}\right|_{t=0}=\phi_{1}(\boldsymbol{x}),\left. \frac{\parcial \boldsymbol{v}}{\parcial \boldsymbol{t}}\right|_{t=0}=\psi_{1}(\boldsymbol{x})\end{array}\right. t22v _=a2x22v _+F1( X ,t )v x = 0=0 ,v x = l=0v t = 0=ϕ1( X ) ,t∂v _ t = 0=pags1( x )enF 1 ( X , t ) = F ( X , t ) - tu 2 ′ ′ ( t ) - tu 1 ′ ′ ( t ) lx - tu 1 ′ ′ ( t ) ϕ 1 ( X ) = ϕ ( X ) - tu 1 ( 0 ) − tu 2 ( 0 ) − tu 1 ( 0 ) lx ψ 1 ( X ) = ψ ( X ) − tu 1 ′ ( 0 ) − tu 2 ′ ( 0 ) − tu 1 ′ ( 0 ) lx \begin{array}{l} f_{1}(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{t})=\boldsymbol{f}(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{t})-\frac{\boldsymbol {u}_{2}^{\prime \prime}(\boldsymbol{t})-\boldsymbol{u}_{1}^{\prime \prime}(\boldsymbol{t})}{\boldsymbol{ l}} \boldsymbol{x}-\boldsymbol{u}_{1}^{\prime \prime}(\boldsymbol{t}) \\ \phi_{1}(\boldsymbol{x})=\phi( \boldsymbol{x})-\boldsymbol{u}_{1}(0)-\frac{\boldsymbol{u}_{2}(0)-\boldsymbol{u}_{1}(0)}{ \boldsymbol{l}} \boldsymbol{x} \\ \psi_{1}(\boldsymbol{x})=\psi(\boldsymbol{x})-\boldsymbol{u}_{1}^{\prime} (0)-\frac{\boldsymbol{u}_{2}^{\prime}(0)-\boldsymbol{u}_{1}^{\prime}(0)}{\boldsymbol{l}} \boldsymbol{x} \end{matriz}F1( X ,t )=f ( x ,t )yoen2′ ′( t ) - tu1′ ′( t )Xen1′ ′( t )ϕ1( X )=ϕ ( x )en1( 0 )yoen2( 0 ) tu1( 0 )Xpags1( X )=ψ ( x )en1( 0 )yoen2( 0 ) tu1( 0 )x

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