天津大學化工數(shù)學偏微分方程演示文檔

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第七章：偏微分方程,,一、 幾個基本概念,,例：,1、方程的階數(shù),,方程中出現(xiàn)的最高階導數(shù)的階數(shù)即為方程的階數(shù),,一階,,二階,,,,,,2、線性、非線性、擬線性,,,,,方程經(jīng)過有理化并消去分式后，若方程中沒有未知函數(shù)及其偏導數(shù)的乘積或冪等非線性項，稱該方程為線性,線性：,擬線性：,在非線性方程中，如果未知函數(shù)的所有最高階導數(shù)不是非線性，則稱此方程為擬線性,完全非線性：,除擬線性之外的非線性方程,,,,,二階，線性,二階，擬線性,二階，完全非線性,,,,,3、齊次、非齊次,,,,不含有未知函數(shù)及其偏導數(shù)的項,自由項：,自由項為零的方程,齊次方程：,自由項不為零的方程,非齊次方程：,非齊次,齊 次,,,,,,,,二、 二階線性偏微分方程的分類,,，,設(shè),則二階線性偏微分方程一般可表示為：,,A,B,C,D,E,G,f 都是x,y的函數(shù),,,二階線性方程的分類 ：,為方程中自變量域內(nèi)任意一點，,,則分類判別條件如下：,（?。┤粼邳cM處有：,,則方程在該點處為雙曲線型,例如,,（ⅱ）若在點M處有：,,則方程在該點處為拋物線型,例如,,波動方程,熱傳導方程,,,,,,,,,,,,（ⅲ）若在點M處有：,則方程在該點處為橢圓型,例如,,,,例1：判別下列方程的分類,當 ，即 異號，M點在二、四象限內(nèi)，,,該區(qū)域內(nèi)方程是雙曲型,當 ，即 同號，M點在一、三象限內(nèi)，,該區(qū)域內(nèi)方程是橢圓型,當x或y為零，方程在x或y軸上是拋物型,拉普拉斯方程,,,,,,,,三、三種典型方程的建立,建立理論模型的原則步驟,① 抽象出系統(tǒng)的物化模型并簡化、假設(shè),② 確定輸入、輸出變量和模型參數(shù)，建立數(shù)學模型,③ 模型 求解,④ 檢驗和修正所得的模型,,,,,,,,1、均勻弦的微小橫振動方程的建立,設(shè)有一根均勻柔軟的細弦，張緊后兩端固定如圖， 給弦以擾動，使其產(chǎn)生振動。,確定弦上各點振動規(guī)律，即 確定位移 滿足的方程。,,,,,,,,,,,解：取一小微元段 ，分析受力情況,,x 方向：,u 方向：,,,,,,A,B,T1,T2,,,,,,,,,0,x,x＋Δx,x,u,α1,α2,,G,,(1),(2),,,,,,,簡化假設(shè),（1）弦是均勻的，所以質(zhì)量均布，設(shè)單位長度弦的質(zhì)量為 kg/m,（5）弦是絕對柔軟的，不能抗彎，因此弦上各點張力與該點切 線方向一致。,,（2）弦的細小的，自重相比于張力顯得很小，可以忽略。,（3）振動方向與弦長方向相垂直，且振動保持在一固定平面內(nèi),（4）振動是微小的，即弦上各點位移及弦的彎曲斜率很小,微元段的質(zhì)量：,G = 0,x 方向無運動，即：,無外力的均勻弦微小橫振動方程,—— 齊次一維波動方程,x 方向：,u 方向：,,F(x,t),x 方向：,u 方向：,假設(shè)振動過程中， 除了張力外， 還有其它外力作用，,設(shè)單位長度弦上的橫向外力為,,弦的強迫振動方程,——非齊次一維波動方程,,,,,2、熱傳導方程,一根長為l的均勻細桿側(cè)面是絕熱，橫截面積足夠小以至,在任何時刻都可以把斷面上所有點的溫度看作是相同。,設(shè)桿的截面積為S，比熱為C，導熱系數(shù)為k，密度為ρ。,,,試確定溫度分布函數(shù) 滿足的方程。,,,,,x=0,x=l,,,,,,,x,x+Δx,,0,熱量衡算：輸入－輸出＋產(chǎn)生＝累計,一維熱傳導方程:,,,,,,x處輸入的熱速率:,x＋Δx處輸出的熱速率:,微元段累計的熱速率:,,,,,,一維熱傳導方程,,一維波動方程,（無外力）,（有外力）,（無內(nèi)熱源）,,,,,三維熱傳導方程,,若物體內(nèi)部有一個熱流，,,,,,T(x,y,z,t),,,,,,,,,,,,,,,其分布函數(shù)為,M(x,y,z),3、穩(wěn)態(tài)方程（拉普拉斯方程）,熱傳導持續(xù)進行下去，如果達到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度的空間 分布不再變動，即,,則方程,變?yōu)?,,穩(wěn)態(tài)濃度分布方程,穩(wěn)態(tài)溫度分布方程,,,,,,三種典型方程,,,是方程,,其中f 是任意函數(shù) ,如,,,,,,的通解,可以驗證,對于方程：,可以驗證,為其通解,泛定方程,暫停：休息,四、定解條件和定解問題,1、初始條件（I.C.)：,初始時刻的狀態(tài),,,（一）定解條件,例1 對于弦的微小橫振動問題，假設(shè)初始速度為零， 初始位移符合正弦函數(shù),,,,,初始條件給定的是整個系統(tǒng)的狀態(tài)，而不是某個局部 （如入口、出口等）的狀態(tài)。,特別注意：,應(yīng)是位置坐標的函數(shù)。,（1）第一類邊界條件—已知函數(shù),直接給出未知函數(shù) 在邊界 上的值,,,,（狄里赫利（Dirichlet））,,例2 一根弦長為l ，兩端固定進行微小橫振動 ，建立其邊界條件。,2、邊界條件（B.C.）,,,例3 細桿導熱問題中，桿長l，兩端分別保持溫度 T1和T2 ，建立邊界條件。,,,（2）第二類邊界條件—已知導數(shù),（牛曼（Noumann）條件）,例4 細桿導熱問題中，桿長l，一端絕熱，另一端有恒定熱流q輸入，試建立邊界條件。,,,,,,,,x=0,x=l,,,,,熱流輸出怎樣？？,（3）第三類邊界條件——混合邊界條件,給出邊界上函數(shù)值與其法向?qū)?shù)構(gòu)成的線性關(guān)系,,（Robin條件）,,例4 細桿導熱問題中，桿長l，一端溫度為T0，另一端與溫度為T1的環(huán)境進行對流熱交換，試建立邊界條件。,,,,,x=0,x=l,,,,,,（4）積分—微分邊界條件,（5）銜接條件,,,內(nèi)外層壁：,,,,,,,,,,,,,,,（二）定解問題,初值問題：,只有初始條件，沒有邊界條件的定解問題,邊值問題：,沒有初始條件，只有邊界條件的定解問題,混合問題：,既有初始條件又有邊界條件的定解問題,定解問題,,泛定方程（P.D.E),定解條件,,初始條件（B.C.）,邊界條件（I.C.）,五、線性迭加原理,所謂迭加：即幾種不同因素綜合作用于系統(tǒng)，產(chǎn)生 的效果等于各因素獨立作用產(chǎn)生的效果之總和,線性迭加原理：,,則級數(shù) 也是該方程之解,,,假設(shè)函數(shù),是線性齊次微分方程,的特解。,（i=1，2……）,,,,,,,,,,,,六、分離變量法,例1、設(shè)兩端固定的有界弦微小自由橫振動過程， 初始位移為φ(x)，初始速度為ψ（x）,,解：（1）分離變量,,設(shè),（1）,（2）,（3）,（4）,到33頁,,代入方程式（1）得,分離變量得,,=,設(shè),于是可得到兩個常微分方程,,,到35頁,,=,,,=,+,,,,,,,,,,,對于二階線性常系數(shù)常微分方程：,,,先求特征方程的解：,分三種情況,（?。┨卣鞣匠痰母鵵1,r2為實數(shù)時,復 習,,,,（ⅱ）特征方程的根r1=r2=r為重實數(shù)時,（ⅲ）特征方程的根為復數(shù)，即 r1=α+βi r2= α - β i,,返回31頁,,,,,,由邊界條件式（2）知,,,,,因為,所以只能,（5）,（6）,,,,,,（?。┰O(shè)λ>0，則方程式（5）通解為,（5）,,,由,,,由,,,,（2）解定解問題,——解固有值問題,到37頁,,,解上述線性代數(shù)方程組得：,即,,所以,,（ⅱ）設(shè)λ =0，方程（5）通解為,,由,,由,,,,,,即,所以,（ⅲ）設(shè)λ <0，,,令 ，,此時通解為,,由,,由,,,,,,,,,,,因為B不能為零，所以只能,,,所以,,－稱為固有值（或本征值）,---稱為固有函數(shù)（或本征函數(shù)）,（7）,返回36頁,返回54頁,（3）求解不構(gòu)成本征問題的常微分方程的通解,（6）,將 代入上式,,（8）,將式（7）與式（8）相乘，得到一組特解,,其中， 是任意常數(shù),,（8）,（7）,,,,,,,（4）應(yīng)用線性疊加原理求,,,（5）由傅里葉級數(shù)確定系數(shù),,,（9）,暫停：休息,復習,f(x)在〔－l，l〕區(qū)間上的傅里葉展開式：,在〔0，l〕區(qū)間上的只有余弦項的傅里葉展開式：,在〔0，l〕區(qū)間上的只有正弦項的傅里葉展開式：,傅里葉展開是基于三角函數(shù)的正交性,,,,,,,根據(jù)正交性可直接確定系數(shù)：,,,,（10）,,,,,,,,至此， （9）～（11）即構(gòu)成了例1中定解問題的解,（11）,總結(jié)分離變量求解的關(guān)鍵點,1、假設(shè),代入齊次方程進行分離變量；,2、分離齊次邊界條件，組構(gòu)本征值問題，并求解確定 本征值本征函數(shù)；,3、求解另外一個常微分方程；,4、用線性疊加原理寫出問題的解；,5、代入初始條件，并用傅里葉展開法確定解中的常數(shù)。,例 2 一維導熱問題（第三邊值條件）,長為l 的均勻細桿，其側(cè)面（圓弧面）絕熱，桿的一端保持在0℃狀態(tài)下，另一端則與溫度為0℃環(huán)境介質(zhì)進行自由熱交換。假設(shè)初始時刻溫度分布為φ(x)。試確定桿上各點溫度隨時間變化規(guī)律。,,,（1）,（2）,（3）,（4）,到第52頁,（1）分離變量，設(shè),,,,代入方程（1）得：,于是得：,（5）,（6）,比較波動問題得到兩個常微分方程 ：,,,,返回上一頁,由邊界條件式（2）（3）知,,,（2） 解本征值問題,（7）,（8）,式（5）與式（7）、式（8）構(gòu)成本征值問題,,,,,,,同前述同樣方法討論本征值λ的三種取值情況,經(jīng)討論僅當λ<0時才有非零解,,設(shè),于是方程式（5）通解為,,由式（7）得,由式（8）得,,,,則,,,即,,,得本征值,(n =1，2，3… ),得本征函數(shù),,（,(3） 將本征值代入式（6）并求解,,（4）由線性迭加原理得定解問題級數(shù)形式解,,,,(Cn =BnAn),（5）確定系數(shù),,,由初始條件,,,由本證函數(shù)的正交性,,,,,,,,,,,例 3、求解穩(wěn)態(tài)問題,,解：（1）分離變量,,設(shè),（1）,（2）,（3）,,能否用分離變量法 求解？？？,能?。?,代入方程式（1）得,分離變量得,,=,設(shè),于是可得到兩個常微分方程,,,—,由邊界條件（3）,,（5）,（6）,,（5）,,,（2）解本征值問題,,,憑經(jīng)驗當λ <0，時有非零解,令,由,,由,,因為B不能為零能,,,,,,,,,,,,所以,,（7）,,（3）求解不構(gòu)成本征問題的常微分方程的通解,,（6）,,將 代入上式,,,（8）,,（,將式（7）與式（8）相乘，得到一組特解,,其中， 是任意常數(shù),,,,,,,,（4）應(yīng)用線性疊加原理求,,,（5）由傅里葉級數(shù)確定系數(shù),,,,（9）,（10）,（9）,,n 為偶數(shù)時,n 為奇數(shù)時,1、只能用分離變量法直接求解齊次方程、 齊次邊界定解問題,2、本征值和本征函數(shù)由邊界條件類型確定,3、另外一個二階常微分方程的形式及解 由泛定方程的類型確定,總 結(jié),（b）,（c）,,,（d）,,,,,,,,（a）,一維波動問題,一維熱傳導問題,二維穩(wěn)態(tài)問題,暫停：休息,,七、非齊次邊界的處理,方法： 將定解問題（A）轉(zhuǎn)化為齊次邊界問題,（A）,,設(shè),使 滿足相應(yīng)的齊次邊界條件，即,,,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,,則,,設(shè),由條件式（6）確定：,（6）,（7）,,,則,由條件式（7）確定：,將以上結(jié)果代入,,（B）,,（a）,,（a）,（b）,,,（c）,,,（d）,,,則V（x,t）滿足的定解問題為：,設(shè),,例4,設(shè)一均勻細桿，初始時全桿有一均一溫度 ，然后 使其一端保持不變溫度 ，另一端則有恒定的熱流 輸入，試求溫度分布規(guī)律。,,,解：問題可由下述數(shù)學形式表述,（1）,（2）,（3）,,設(shè),,使,,則,,,設(shè),則由式（6）求得,,（4）,（5）,（6）,（7）,,,則,代入原問題得,,,,設(shè),,,W（x,t）,,,,由經(jīng)驗，知 唯 時有解,,,設(shè),則,,由邊界，得,,,所以,,（,=0，1，2……）,（n = 0，1，2……）,,于是固有函數(shù)為,,,,最后由初始條件定常數(shù),,,,,暫停：休息,八、非齊次的泛定方程,,,設(shè),,,,,,,,,,例 5 兩端固定的弦的強迫振動問題,,=0,,,設(shè),解:,,,,而,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,轉(zhuǎn)到82頁,（b）,（c）,,,（d）,,,,,,,,（a）,返回上一頁,將式（4），式（5）代入式（1）得,,所以,,,將式（3）,,,,,,代入所設(shè)：,,,這里,（5）,（6）,（7）,（8）,根據(jù)傅立葉展開,于是有：,,,,,,因已設(shè),,,,設(shè),,則,（6）,對方程式（6）兩邊拉氏變換,,,,由卷積定理知,,=,,,,,暫停：休息,例 6 用本征函數(shù)系展開法解非齊次熱傳導問題,,,,,解：,,,（1）,（2）,（3）,,,,,將上兩式代入方程式（1）得,,,,,＝0,由初始條件式（3）,,,,于是方程（5）解為,,所以：,,最終解為,（4）,（5）,,,于是方程（4）解為,,★ 重點掌握的內(nèi)容： 拉氏變換的定義和前5條性質(zhì)；三種常用求解逆變換的方法；應(yīng)用－求解常微分方程，積分-微分方程的方法。,★ 本章主要內(nèi)容： 1、拉氏變換的概念和性質(zhì)； 2、求拉氏逆變換的方法； 3、拉氏變化的應(yīng)用，如何求解微分、積分方 程、差分方程等。,第五章：拉普拉斯變換,第六章：場論初步,★ 本章重點內(nèi)容： 1、方向?qū)?shù)、通量、環(huán)量的概念及計算； 2、梯度、散度、旋度的概念及計算； 3、散度定理、斯托克斯定理； 4、無源場、有勢場（勢函數(shù)）、調(diào)和場（調(diào)和函數(shù)）概念、性質(zhì)及計算； 5、會用用場論方法簡單的建模，重點是課上講的例題。,第七章：偏微分方程,★ 本章重點內(nèi)容： 1、會用分離變量法求解二階齊次方程、齊次邊界問題； 2、會建立簡單的方程（類似三種典型方程）和定解條件； 3、掌握方程的分類和線性性判別； 4、了解非齊次邊界處理方法和非齊次方程的本征函數(shù)求解方法,2012級化工數(shù)學期末考試信息,時間：2014.6.30（第19周周一）？:00—？:00,地點：？樓？,,,,,,,,,,,,,,,（ⅰ）設(shè)λ>0，則方程式（5）通解為,由,,由,,,,解上述線性代數(shù)方程組得：,即,,所以,,（ⅱ）設(shè)λ =0，方程（5）通解為,,由,,由,,即,,,,,,,（ⅲ）設(shè)λ <0，,,令 ，,此時通解為,,由,,由,,所以綜合有：,---稱為固有函數(shù)（或本征函數(shù)）,（7）,返回88頁,,