数学物理方程分离变量法介绍幻灯片.ppt

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1、数学物理方程分离变量法介绍第1页，共24页，编辑于2022年，星期六Clearly,x,t 是相互独立的变量，这个方程的两边互不统属，而各自独立变化。故比只能为一常数！由分离变量，波动方程（偏微分方程）变为常微分方程组：和B.(1)的解：第2页，共24页，编辑于2022年，星期六(2)(3)非零解：本征值：本征函数：本征值方程C2是积分常数。第3页，共24页，编辑于2022年，星期六C.A、B 是积分常数。D.由初始条件：第4页，共24页，编辑于2022年，星期六小结分离变量：边值确定本征值函数：初值确定叠加系数：注意：边界值等于零（齐次边界条件）是确定本征函数的根本。第5页，共24页，编辑于

2、2022年，星期六（二）例例1磁致伸缩换能器两端自由得均匀细杆。自由：振动传递给外界A.分离变量：和B.第6页，共24页，编辑于2022年，星期六C.D.由初始条件：第7页，共24页，编辑于2022年，星期六固定自由自由自由自由固定固定固定一、二类边界条件决定的驻波第8页，共24页，编辑于2022年，星期六例2:单簧管，均匀细管。研究管内空气柱的声振动，纵振动。一端固定，另一端自由。求本征振动。不需要初始条件。A.分离变量：和和第9页，共24页，编辑于2022年，星期六B.和和C.K=0：基频。K0：谐频第10页，共24页，编辑于2022年，星期六例3细杆热传导。初始均匀温度为 ，保持一端温度

3、不变，另一端有恒定热流 流入。解：第一类边界条件第二类边界条件非齐次（不为零）边界条件。无法直接根据边界条件确定本征函数。解齐次边界条件的通解非齐次边界条件的特解A.非齐次边界条件的特解：齐次边界条件的通解:设解：则第11页，共24页，编辑于2022年，星期六初始条件：B.分离变量和C.与上题同D.*第12页，共24页，编辑于2022年，星期六E.“和”是迅速衰减的部分。近似：只保留 k=0 项。第13页，共24页，编辑于2022年，星期六例4如图，散热片横截面为矩形。温度满足 。求稳定 温度分布。解：稳定分布温度满足拉氏方程：边界条件：从数学上讲，边界条件与初始条件并无区别，都是确定积分常数

4、的代数公式。尽管本题只涉及边界条件，但可将其一视为初始条件。令：显然，A.分离变量：第14页，共24页，编辑于2022年，星期六和B.C.第15页，共24页，编辑于2022年，星期六第16页，共24页，编辑于2022年，星期六例7:求电场强度解：建立如右图坐标系，Z-轴沿导线。导线 无限长导线的情况，可将电场看作沿z 方向不变。只需要研究 x-y 平面的状态 平面问题。导线的存在，如何改变电场？第17页，共24页，编辑于2022年，星期六真空静电势满足拉普拉斯方程：或边界条件方程云、地、导线。导线的表面是等势面，取其为电势零点：a为导线半径云、地在无穷远处，由定义 ，可得，地：无穷远处电场强度。云：根据导线的边界条件，本题应取平面极座标 ，座标原点在导线中心。第18页，共24页，编辑于2022年，星期六分离变量自然周期边界条件或第19页，共24页，编辑于2022年，星期六定解第20页，共24页，编辑于2022年，星期六电场强度第21页，共24页，编辑于2022年，星期六讨论：电场中，第一项是无导线时的均匀电场。第二项为平面上圆型电荷的电场，即导线所带电荷的影响。第三项为导线的影响。当导线上无电荷时，A点与B点的电场为C点电场强度：第22页，共24页，编辑于2022年，星期六第23页，共24页，编辑于2022年，星期六第24页，共24页，编辑于2022年，星期六