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1、数学物理方程分离变量法第1页，本讲稿共50页基本思想：基本思想：（1）求出具有变量分离形式且满足边界条件的）求出具有变量分离形式且满足边界条件的解解;特点：特点：偏微分方程化为常微分方程偏微分方程化为常微分方程（2）由）由叠加原理叠加原理作出这些解的作出这些解的线性组合线性组合；特点：特点：叠加原理叠加原理（3）由其余的定解条件）由其余的定解条件确定叠加系数确定叠加系数。适用范围：适用范围：波动问题、热传导问题、稳定场问题等波动问题、热传导问题、稳定场问题等第2页，本讲稿共50页实根实根 特特 征征 根根通通 解解求方程的通解的步骤为：求方程的通解的步骤为：(1)写出微分方程的写出微分方程的特
2、征方程特征方程 (2)求出特征根求出特征根 ，(3)根据特征根的情况按下表写出所给微分方程根据特征根的情况按下表写出所给微分方程的通解。的通解。二阶常系数齐次线性微分方程二阶常系数齐次线性微分方程第3页，本讲稿共50页 特特 征征 根根通通 解解求方程的通解的步骤为：求方程的通解的步骤为：(1)写出微分方程的写出微分方程的特征方程特征方程 (2)求出特征根求出特征根 ，(3)根据特征根的情况按下表写出所给微分方程根据特征根的情况按下表写出所给微分方程的通解。的通解。二阶常系数齐次线性微分方程二阶常系数齐次线性微分方程第4页，本讲稿共50页解解：步骤：步骤1，求出具有变量分离形式且满足边界条件的
3、求出具有变量分离形式且满足边界条件的解解。令令带入方程：带入方程：令令带入边界条件带入边界条件1 求两端固定的弦自由振动的规律求两端固定的弦自由振动的规律一一 有界弦的自由振动有界弦的自由振动第5页，本讲稿共50页分情况讨论：1）2）3）令 ，为非零实数 特征值问题特征值与特征函数第6页，本讲稿共50页步骤步骤2，叠加原理做出叠加原理做出解的线性组合解的线性组合。第7页，本讲稿共50页步骤步骤3，其余的定解条件求出其余的定解条件求出系数系数。第8页，本讲稿共50页分离变量求特征值和特征函数求另一个函数求通解确定常数分离变量法可以求解具有齐次边界条件的齐次偏微分方程。第9页，本讲稿共50页2 解
4、的性质 x=x0时：其中：驻波法 t=t0时：第10页，本讲稿共50页第11页，本讲稿共50页第12页，本讲稿共50页例1：设有一根长为10个单位的弦，两端固定，初速为零，初位移为 ，求弦作微小横向振动时的位移。解：第13页，本讲稿共50页第14页，本讲稿共50页第15页，本讲稿共50页第16页，本讲稿共50页弦的振动振幅放大100倍，红色、蓝色、绿色分别为n=1,2,3时的驻波。第17页，本讲稿共50页解：例2求下列定解问题第18页，本讲稿共50页第19页，本讲稿共50页第20页，本讲稿共50页初始条件第21页，本讲稿共50页若l=1,a=10时的震动。第22页，本讲稿共50页上述方程实际是
5、个单簧管振动模型直径均匀的细管，一端封闭，一端开放第23页，本讲稿共50页例3 求下列定解问题解：第24页，本讲稿共50页第25页，本讲稿共50页第26页，本讲稿共50页第27页，本讲稿共50页令令带入方程：带入方程：令令例例4 求下列定解问题求下列定解问题解：解：二二 有限长杆上的热传导有限长杆上的热传导第28页，本讲稿共50页第29页，本讲稿共50页第30页，本讲稿共50页三三 拉普拉斯方程的定解问题拉普拉斯方程的定解问题1 1 直角坐标系下的拉普拉斯问题直角坐标系下的拉普拉斯问题解：解：矩形区域第31页，本讲稿共50页第32页，本讲稿共50页第33页，本讲稿共50页第34页，本讲稿共50
6、页解：令，解：令，2 2 圆域内的拉普拉斯问题圆域内的拉普拉斯问题圆形区域第35页，本讲稿共50页第一步：求满足齐次方程、周期边值条件和原第一步：求满足齐次方程、周期边值条件和原点约束条件的变量分离形式的解点约束条件的变量分离形式的解把上式代入把上式代入微分方程微分方程可得：可得：即即从而，我们可得到常微分方程：从而，我们可得到常微分方程：第36页，本讲稿共50页 与与：周期本征值问题周期本征值问题欧拉方程欧拉方程再利用定解条件可得：再利用定解条件可得：第37页，本讲稿共50页第二步：求解周期本征值问题和欧拉方程第二步：求解周期本征值问题和欧拉方程第38页，本讲稿共50页第三步：利用叠加原理和
7、边界条件求得原定解问题的第三步：利用叠加原理和边界条件求得原定解问题的解解再利用边界条件，有再利用边界条件，有:第39页，本讲稿共50页例例5 求下列定解问题求下列定解问题解：解：第40页，本讲稿共50页欧拉方程 令第41页，本讲稿共50页其它为零第42页，本讲稿共50页第43页，本讲稿共50页四四 非齐次方程的解法非齐次方程的解法求下列定解问题求下列定解问题方程是非齐次的，是否可以用分离变量法？方程是非齐次的，是否可以用分离变量法？非齐次方程的求解思路非齐次方程的求解思路用分解原理得出对应的齐次问题用分解原理得出对应的齐次问题解出齐次问题解出齐次问题求出任意非齐次特解求出任意非齐次特解叠加成非齐次解叠加成非齐次解思考思考第44页，本讲稿共50页令：令：第45页，本讲稿共50页令：令：为什么？为什么？第46页，本讲稿共50页第47页，本讲稿共50页例6 求下列定解问题解：先解对应的齐次问题第48页，本讲稿共50页第49页，本讲稿共50页第50页，本讲稿共50页