数学物理方程 第三章 分离变量法

数学物理方程第二版答案第一章. 波动方程§ 1方程的导出。

定解条件4.绝对柔软逐条而均匀的弦线有一端固定，在它本身重力作用下，此线处于铅垂平衡位置，试导出此线的微小横振动方程。

解：如图2，设弦长为I，弦的线密度为，则x点处的张力T(X)为T(x) g(l x)且T(x)的方向总是沿着弦在x点处的切线方向。

仍以u(x,t)表示弦上各点在时刻t沿垂直于x轴方向的位移，取弦段(x,x x),则弦段两端张力在u轴方向的投影分别为其中(x)表示T(x)方向与x轴的夹角于是得运动方程x, y,t 有二阶连续偏导数。

且(t2 x23 y2) 2(t2x23y2) 23(t2 x2y2)g(l x)sin (x); g(l (x x)) sin (x x) sin tgx.利用微分中值定理，消去[I (x x)]」x再令[I x]」x2ug [(lt xu x)]。

x5.验证u(x, y,t) 在锥t2 2 y >0 中都满足波动方程2u 2 x 证：函数u(x,y,t) 2 2 2在锥t x y >0内对变量即得所证。

§ 2达朗贝尔公式、3.利用传播波法，求解波动方程的特征问题（又称古尔沙问题）解：u(x,t)=F(x-at)+G(x+at) 令 x-at=0 得 (x)=F ( 0)+G ( 2x ) 令 x+at=0 得 (x)=F ( 2x )+G(0)所以F(x)=(-)-G(0).G（x =（；）刊0）. 且 F(0)+G(0)=(0)x at x at x所以u(x,t)=(丁)+ (丁)- (0).即为古尔沙问题的解。

&求解波动方程的初值问题同理 所以(t 2 (t 22U飞x x 2x 2t 22u2u 7t 2 x 2 2u3y 2) 2x 2 y 2 x 2t 2(2t 2 y 252 t 2 x 2 y 2)3t 2 2x 2 x 2 y 2y 252x 2t 2 x 2 2y 252 2t 2 x 2y 22u波的传抪2u 下 ux atx at 0x 2 (x) (x).(0) (0)22u ..—2 tsinx x 0,丄 |t 0t解：由非齐次方程初值问题解的公式得tsin x sin(ttsin x即u(x,t) tsin x 为所求的解。

第三章静电场（5）分离变量法陈德智2011年3月分离变量法之要点•求解区域边界与坐标面平行。

（矩形，圆形，球形等，共11种坐标系可解）•微分方程和部分边界条件皆为齐次。

（便于叠加）•将方程分解为若干只与某个坐标相关的函数的乘积，求解本征值问题。

•利用边界条件和本征函数的正交性确定系数。

分离变量法举例1：栅极的静电场设栅网与极板均为无限大，栅网只有平行的格线组成，栅格宽度为a。

栅网平面上的电位呈周期性分布，可用Fourier级数表示。

2nπ分离变量法举例1：栅极的静电场电位分布212(1)cos()nxannx n y U U ed aππϕ∞−==−+∑分离变量法举例2：尖角/凹陷处的静电场接地的两平面导体形成一定夹角α ，在远处有一些电荷或带电体，分析夹角附近的场分布。

构建模型：设远处有一同心圆弧形导体，电位为U。

（这样假设是为了解题方便；远处的场不是关心的所在）0100(sin cos )ρφραραα=−+⎜⎟⎝⎠E e e 0ρ→当απ<0πααρ−→如果0100(sin cos )ρφραραα=−+⎜⎟⎝⎠E e e 0ρ→当απ=1πααρ−→如果010004(sin cos )4y U U ρφφφρπρπ=−+=−E e e e01004(sin cos )U πααρφρπφπφραραα−⎛⎞=−+⎜⎟⎝⎠E e e 0ρ→当πααρ−→∞απ>如果尖劈局部电场分布（右图电力线按反方向绘制）尖劈电场分布的ANSYS有限元计算结果采用ANSYS计算尖劈电场分布的两种有限元网格分离变量法学过数学物理方程的人会有这样的经验，使用分离变量法求解边值问题是相当麻烦的。

可是，当你看到那么复杂的电磁场问题，通过一步步的推导，得出了美妙的结果，会产生一种发自内心的愉悦。

要知道，这些问题的解决，曾经想破了无数最聪明的脑袋，是数学物理史上了不起的成就，——而现在，它属于你了。

其次，虽然过程有些繁琐，但是不难，因为解题的步骤都大同小异。

数学物理方程 李明奇主编 电子科技大学出版社2-3章部分习题答案习题2.14.一根长为L 、截面面积为1的均匀细杆，其x=0端固定，以槌水平击其x=L 端，使之获得冲量I 。

试写出定解问题。

解：由Newton 定律： tt x x Sdxu t x YSu t dx x SYu ρ=-+),(),(，其中，Y 为杨氏模量，S 为均匀细杆的横截面积，x u 为相对伸长率。

化简之后，可以得到定解问题为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-==========)(|,0|0|,0|)/(0002L x I u u u u u a u Y u t t t L x x x xx xx tt δρρ。

习题2.23.设物体表面的绝对温度为u ，它向外辐射出去的热量，按斯特凡-波尔兹曼定律正比于4u ，即dSdt ku dQ 4=，设物体与周围介质之间，只有热辐射而无热传导，周围介质的绝对温度为已知函数),,,(t z y x ϕ，。

试写出边界条件。

解：由Fourier 热传导实验定律dSdt nuk dQ ∂∂-=1，其中1k 称为热传导系数。

可得dSdt u k dSdt n uk )(441ϕ-=∂∂-，即可得边界条件：)(441ϕ--=∂∂u k k nus。

习题2.34.由静电场Gauss 定理⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅VsdV dS E ρε01，求证：0ερ=⋅∇E ，并由此导出静电势u 所满足的Poisson 方程。

证明：⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=⋅=⋅VVsdV dV divE dS E ρε01，所以可以得到：0ερ=divE 。

由E divE ⋅∇=与u E -∇=，可得静电势u 所满足的Poisson 方程：02ερ-=∇u 。

习题2.42.求下列方程的通解：（2）：;032=-+yy xy xx u u u （5）：;031616=++yy xy xx u u u 解：（2）：特征方程：03)(2)(2=--dxdydx dy 解得：1-=dx dy 和3=dxdy。

固有函数法和分离变量法解释说明引言1.1 概述在科学和工程领域中，解决不同类型的数学方程是非常重要的。

其中，固有函数法和分离变量法是两种常见的求解数学方程的方法。

这两种方法在特定情况下都能够提供有效的解决方案，并且在不同领域都有广泛应用。

1.2 文章结构本文将首先介绍固有函数法，包括其理论基础、应用领域以及优缺点。

接着，我们将详细探讨分离变量法，包括其原理解释、实际应用和算法步骤。

然后，我们将比较这两种方法的共同点和不同之处，并提出适用于不同场景的推荐应用。

最后，我们将总结固有函数法和分离变量法的特点和应用价值，并展望未来研究方向与发展趋势。

1.3 目的本文旨在全面深入地介绍固有函数法和分离变量法这两种求解数学方程的方法。

通过对其理论基础、实际应用和优缺点的分析，我们希望读者能够了解到这些方法各自适用于哪些情境，并能够根据具体需求进行选择。

此外，我们也将对这两种方法的研究方向和未来发展进行展望，以期为相关领域的进一步探索提供参考和启示。

2. 固有函数法2.1 理论基础固有函数法是一种数学方法，用于求解偏微分方程（PDE）中的边值问题。

它的核心思想是将待求解的函数表示为问题域内各个位置上的局部特征函数的线性组合形式。

根据泛函分析理论，我们知道一个完备希尔伯特空间中的任何一个元素，都可以用这个空间中的一组正交归一基作展开。

在固有函数法中，将问题域划分成有限或无限多个小区域，并在每个小区域内寻找满足特定边界条件和内部微分方程条件的局部特征函数。

这些局部特征函数通常由常微分方程组成。

固有函数法通过对不同特征函数进行线性叠加来逼近真实解，其中每个特征函数都含有未知系数。

通过确定这些系数，我们可以构造出满足整个问题条件的唯一解。

2.2 应用领域固有函数法广泛应用于物理学和工程学领域中独立变量是时间、空间或它们的某种组合的偏微分方程求解。

例如，在传热学、振动力学和电磁学中，固有函数法被用于求解热传导方程、波动方程和泊松方程等问题。