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第一章 数学物理方程概述数学物理方程，其定义是研究反映物理规律的数学方程。
由于一般的物理量基本都具有多个变量()t z y x ,,,，因此，它所满足的微分方程属于偏微分方程。
本章的目的，归纳出几个常见物理问题对应的数学物理方程。
§1.1 常见数学物理方程的导出1.1.1 常见的几个偏微分方程波动方程：数学上称双曲型方程，表现为场的波动性。
热传导方程或扩散方程：数学上称抛物型方程，表现为不可逆的输运过程。
拉普拉斯（Laplace ）方程和泊松方程：数学上称椭圆型方程，表现为场的稳定分布。
()⎪⎩⎪⎨⎧−=∇=∇zy x u u ,,022ρ其中，算符z y x e ze y e x ˆˆˆ∂∂+∂∂+∂∂=∇，∇⋅∇=∇=Δ2称为拉普拉斯算子。
直角坐标系下， ()xx u xux u =∂∂=∇222一维yy xx u u y uxu y x u +=∂∂+∂∂=∇22222),( 二维 ()zz yy xx u u u zuy u x u z y x u ++=∂∂+∂∂+∂∂=∇2222222,, 三维1.1.2 常见数学物理方程的导出一、波动方程的导出1、弦的横振动如图1所示，一根拉紧的弦在平衡位置（x 轴）附近做横向微小振动()1<<α。
已知弦的线密度为ρ，作用于弦单位长度的外力为()t x F ,，方向垂直x 轴，弦上的张力为T ，()t x u ,表示弦上x 点在时刻t 的距离平衡位置的垂直位移。
推导弦横向振动所满足的方程。
图1 弦的横振动将弦上任意一小段()x x x Δ+,作为研究对象，由牛顿第二定律，小弦纵向和横向的运动方程分别为⎪⎩⎪⎨⎧∂∂⋅Δ=Δ+−=2211222211sin sin cos cos t ul l F T T T T ραααα由于弦的振动幅度比较小（α较小），所以有如下近似条件： T T T ==⇒≈=21111cos cos αα,T 为常数； x x u ∂∂=⇒==1111sin sin tan αααα，xx xuΔ+∂∂=2sin α；弦长x dx x u l xx xΔ≈⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+=Δ∫Δ+21。
数学物理方程的解析解法在数学和物理领域，解析解法是一种重要的方法，用于求解各种数学物理方程。
与数值解法相比，解析解法能够给出方程的精确解，对于深入理解问题的本质和推导更深层次的结论非常有帮助。
本文将介绍几种常见的数学物理方程解析解法，并探讨其应用。
一、一阶常微分方程的解析解法一阶常微分方程是描述许多物理现象的重要工具，其解析解法可以通过分离变量、齐次线性微分方程、一阶线性非齐次微分方程、可降阶的方程等方法来求解。
1. 分离变量法分离变量法适用于可将微分方程写成dy/dx=f(x)g(y)的形式。
通过将方程两边同时对x和y进行积分，将方程分离成两个单独的积分方程，再通过求解这些积分方程得到最终解。
2. 齐次线性微分方程法齐次线性微分方程形式为dy/dx=f(ax+by)，其中a和b为常数。
通过令y=vx，将原微分方程转换成常数系数线性微分方程，然后利用常数系数线性微分方程的求解方法，求解得到最终解。
3. 一阶线性非齐次微分方程法一阶线性非齐次微分方程可写成dy/dx+p(x)y=q(x)的形式。
通过求解对应的齐次线性微分方程的通解，再通过变量分离法求解非齐次线性微分方程特解，最后将通解和特解相加得到最终解。
4. 可降阶的微分方程法可降阶的微分方程法适用于微分方程可以通过降低微分方程的阶数来求解的情况。
通过采用变量替换的方法，将高阶微分方程转化为一阶微分方程，然后利用一阶微分方程的解析解法求解。
二、二阶常微分方程的解析解法二阶常微分方程常见于描述自由振动、电路分析、传热过程等物理问题。
解析解法可以通过特征根法、常系数非齐次线性微分方程法等方法来求解。
1. 特征根法特征根法适用于形如d²y/dx²+p(x)dy/dx+q(x)y=f(x)的二阶常微分方程。
通过假设y=e^(mx)，将方程代入原方程得到特征方程，然后求解特征方程的根，再根据特征根的求解结果构造齐次解和非齐次解，最终得到最终解。
第1章 数学物理方程的定解问题§1.1 数学物理方程的一般概念本节讨论：①数学物理方程的基本概念，②三类基本方程的数学表示，③一些简单解法▲数学物理方程的任务与特点 数学物理方程（亦称数理方程）在数学上为二阶偏微分方程。
它的任务有两个方面：①寻找数学定解问题的求解方法，给出解的表达式和计算方法；②通过理论分析得出问题的通解或某些特解的一般性质。
数学物理方程有如下特点：①它紧密地、直接地联系物理学、力学与工程技术中的许多问题。
②它广泛地运用数学物理中许多的技术成果。
如：数学中的复变函数、积分变换、常微分方程、泛函分析、广义函数等等，物理学中的力学、电学、磁学、热力学、原子物理学、振动与波、空气动力学等等。
⒈ 一些基本概念数学物理方程是物理过程中的一些偏微分方程。
由于物理过程是十分复杂的，故它们的数学表达式也是十分广泛的。
本书不能将众多的数学物理方程一一讨论，仅讨论一些常用的二阶线性微分方程。
一般而言，二阶线性偏微分方程可写为2,11nn ij i i j i i j i u u Lu a b cu f x x x ==∂∂=++=∂∂∂∑∑ （1.1.1） 式中：自变量),,(1n x x x ⋅⋅⋅=，系数ij a 、i b 、c 为x 的函数或为常数，并且ji ij a a =。
由于式中关于未知函数u 的导数最高为二阶导数，故方程称为二阶微分方程；同样，由于x 为n 维向量，方程也称为n 维方程；由于方程中对u 的各阶偏导数为线性的，故称为线性方程，否则就称为非线性方程。
若系数ij a 、i b 、c 均为常数，则称为常系数方程，否则称为变系数方程；若0≡f ，则称为齐次方程，反之称为非齐次方程。
▲方程的数学形式 在所有的自变量i x 中，时间变量t 常常被使用，由于它的独特性，人们常常直接用t 表示而不置于i x 之中，关于t 的导数式为：22u u L u a b t t t∂∂=+∂∂ (1.1.2) 故上述方程可改写为：f Lu u L t += (1.1.3)上述方程习惯上也称为n 维方程。
第一章．波动方程§1方程的导出。
定解条件1．细杆（或弹簧）受某种外界原因而产生纵向振动，以u(x,t)表示静止时在x 点处的点在时刻t 离开原来位置的偏移，假设振动过程发生的张力服从虎克定律，试证明满足方程),(t x u ()⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∂∂x u E x t u x t ρ其中为杆的密度，为杨氏模量。
ρE 证：在杆上任取一段，其中两端于静止时的坐标分别为与。
现在计算这段杆在时x +x x ∆刻的相对伸长。
在时刻这段杆两端的坐标分别为：t t ),();,(t x x u x x t x u x ∆++∆++其相对伸长等于),()],([)],([t x x u xxt x u x t x x u x x x ∆+=∆∆−+−∆++∆+θ令，取极限得在点的相对伸长为。
由虎克定律，张力等于0→∆x x x u ),(t x ),(t x T ),()(),(t x u x E t x T x =其中是在点的杨氏模量。
)(x E x 设杆的横截面面积为则作用在杆段两端的力分别为),(x S ),(x x x ∆+x u x S x E )()(x u x x S x x E t x )()();,(∆+∆+).,(t x x ∆+于是得运动方程tt u x x s x ⋅∆⋅)()(ρx ESu t x =),(x x x x x ESu x x |)(|)(−∆+∆+利用微分中值定理，消去，再令得x ∆0→∆x tt u x s x )()(ρx∂∂=x ESu ()若常量，则得=)(x s =22)(tu x ∂∂ρ)((x u x E x ∂∂∂∂即得所证。
2．在杆纵向振动时，假设(1)端点固定，(2)端点自由，(3)端点固定在弹性支承上，试分别导出这三种情况下所对应的边界条件。
解：(1)杆的两端被固定在两点则相应的边界条件为l x x ==,0.0),(,0),0(==t l u t u (2)若为自由端，则杆在的张力|等于零，因此相应的边l x =l x =xux E t l T ∂∂=)(),(l x =界条件为|=0xu∂∂l x =同理，若为自由端，则相应的边界条件为∣0=x xu∂∂00==x (3)若端固定在弹性支承上，而弹性支承固定于某点，且该点离开原来位置的偏移l x =由函数给出，则在端支承的伸长为。
数学物理方程的求解方法在物理学和应用数学中，存在着一类与现实问题相关的方程，它们需要复杂的数学模型来解决。
求解这些方程的方法涉及到很多的数学和物理知识，但是，这些方法的应用已经被广泛推广，用于生产、科研和其他多种领域。
下面，我们将介绍数学物理方程的求解方法。
1. 偏微分方程偏微分方程的求解是数学物理学中的重要组成部分，它是解决现代物理和工程学问题的关键手段之一。
偏微分方程可以准确描绘许多物理现象。
例如，波动、热传递、电磁场、量子力学、天体物理等等。
尽管这些领域涉及到的具体问题非常复杂，但是求解广义的偏微分方程可以解决许多具体问题。
2. 分析方法分析方法是求解偏微分方程的一种常用方法，它可以使用常见的分析工具来解决一系列方程。
这些方法包括计算机抽样、傅里叶分析、特征坐标、极化等。
此外，分析方法还具有广泛的应用，例如，在神经网络算法中，人们使用分析技术来构建一个预测模型。
3. 数值方法数值方法是应用数学和计算机科学的一个组成部分。
数值方法的实现是通过离散化和工程算法等方法对方程进行求解。
其中最常用的方法是有限元法、有限差分法和有限体积法。
数值方法的优点在于，它能够求解一些不适合通过分析求解的方程。
因此，它在许多领域，尤其是物理学和生命科学中得到广泛应用。
4. 广义函数广义函数（也被称为绿函数）的应用在解析和数值方法中非常广泛。
它是在偏微分方程中定义的。
随着研究的深入，广义函数已经成为一种广泛接受的数学工具。
总之，数学物理方程的解决方法是多种多样的。
有些问题可能只有通过求解一系列偏微分方程才能解决，而有些问题则可以通过简单的分析或数值方法来解决。
通过这些方法，人们可以建立更好的模型，预测未来的变化，并应用于许多领域。
最终，数学物理方程的求解方法将推动我们生产和生活的发展。
