习题一
1、 求方程0=+x xy u u 的通解.
2、 在矩形域b y a x ≤≤≤≤0,0上求解泊松方程的边值问题。
???????====<<<<-=?====0,00,0)
0,0(0
0b y y a x x u u u u b y a x A u 3、 求二维拉普拉斯方程
=?u 202222=??+??y
u x u 的形如)(r u u =(022≠+=y x r )的解. 提示 把02=?u 写成极坐标形式,就成了常微分方程.
4、 设)(?F ,)(ξG 是任意二次可微函数,21,λλ为常数,且21λλ≠,
验证)()(21y x G y x F u λλ+++=满足方程
0)(2121=++-xx xy yy u u u λλλλ .
5、 已知杆的长度为l ,0=x 的一端绝热,另一端温度保持为0u (0u 为已知数),初始温度为x l
u 0,求解细杆导热问题。 6、 长为的l 均匀杆,两端受压力从而长度缩为εl l 2-,放手后自由振动,求此问题的定解问题.
7、 求解定解问题:
1)?????=-====-0)0,(,2)0,(0),(),0(022x u lx x x u t l u t u u a u t x xx tt l
x t t l x ≤≤≥><<000,0
2)??
???==-===0),1(,0),0()1()0,(,2sin )0,(2t u t u x x x u x x u u a u t xx tt π 0,10>< 9、 求解混合问题 1)??? ????====--β π?),(,0),0() ()0,(2 sin ),(),(4/222t u t u x x u x e t x u a t x u x t a xx t )0,0(>< ()0,(),(,),0() (),(),(2 x g x u B t l u A t u x f t x u a t x u xx t 10、解固定值问题: ???==<<=++0)1()() 1(0'"y e y e x y xy xy λ 第一章曲线论 §1 向量函数 1. 证明本节命题3、命题5中未加证明的结论。 略 2. 求证常向量的微商等于零向量。 证:设,为常向量,因为 所以。证毕3. 证明 证: 证毕4. 利用向量函数的泰勒公式证明:如果向量在某一区间内所有的点其微商为零,则此向量在该区间上是常向量。 证:设,为定义在区间上的向量函数,因为在区间上可导当且仅当数量函数,和在区间上可导。所以,,根据数量函数的Lagrange中值定理,有 其中,,介于与之间。从而 上式为向量函数的0阶Taylor公式,其中。如果在区间上处处有,则在区间上处处有 ,从而,于是。证毕 5. 证明具有固定方向的充要条件是。 证:必要性:设具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,于是。 充分性:如果,可设,令,其中为某个数量函数,为单位向量,因为,于是 因为,故,从而 为常向量,于是,,即具有固定方向。证毕 6. 证明平行于固定平面的充要条件是。 证:必要性:设平行于固定平面,则存在一个常向量,使得,对此式连续求导,依次可得和,从而,,和共面,因此。 充分性:设,即,其中,如果,根据第5题的结论知,具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,任取一个与垂直的单位常向量,于是作以为法向量过原点的平面,则平行于。如果,则与不共线,又由可知,,,和共面,于是, 其中,为数量函数,令,那么,这说明与共线,从而,根据第5题的结论知,具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,作以为法向量,过原点的平面,则平行于。证毕 §2曲线的概念 1. 求圆柱螺线在点的切线与法平面的方程。 解:,点对应于参数,于是当时,,,于是切线的方程为: 法平面的方程为 2. 求三次曲线在点处的切线和法平面的方程。 解:,当时,,, 于是切线的方程为: 法平面的方程为 3. 证明圆柱螺线的切线和轴成固定角。 证: 令为切线与轴之间的夹角,因为切线的方向向量为,轴的方向向量为,则 一、填空题 1.二阶线性偏微分方程xx xy yy x y Au Bu C u D u Eu Fu G +++++=(其中各系数均为x 和y 的函数)在某一区域的性质由式子:24B AC -的取值情况决定,取值为正对应的是( 双曲 )型,取值为负对应的是( 椭圆)型,取值为零对应的是( 抛物 )型。 2.在实际中广泛应用的三个典型的数学物理方程: 第一个叫( 弦自由横振动 ),表达式为(2tt xx u a B u =),属于(双曲)型; 第二个叫( 热传导 ),表达式为( 2t xx u a B u =),属于( 椭圆 )型; 第三个叫(拉普拉斯方程和泊松方程),表达式为(0 x x y y u u +=, (,)xx yy u u x y ρ+=-),属于(椭圆)型; 二、选择题 1.下列泛定方程中,属于非线性方程的是[ B ] (A) 260t xx u u xt u ++=; (B) sin i t tt xx u u u e ω-+=; (C) ( )22 0y xx xxy u x y u u +++=; (D) 340t x xx u u u ++=; 2. 下列泛定方程中,肯定属于椭圆型的是[ D ] (A)0xx yy u xyu +=; (B) 22x xx xy yy x u xyu y u e -+=; (C)0xx xy yy u u xu +-=; (D)()()()22sin sin 2cos xx xy yy x u x u x u x ++=; 3. 定解问题 ()()( )()()()2,0,00,,0 ,0,,0tt xx x x t u a u t x l u t u l t u x x u x x ?φ?=>< ==??==?的形式解可写成[ D ] (A) ()01 ,cos cos 2 n n a n at n x u x t a l l ππ∞ == + ∑ (B) ()001 ,cos cos n n n at n x u x t a b t a l l ππ∞ ==++∑ 第七章数学物理定解问题 1.研究均匀杆的纵振动。已知 x0端是自由的,则该端的边界条件为__。2.研究细杆的热传导,若细杆的x0 端保持绝热,则该端的边界条件为。3.弹性杆原长为 l ,一端固定,另一端被拉离平衡位置 b 而静止,放手任其振动,将其平衡位置选在 x 轴上,则其边界条件为u x 0 0 , u x l 0。 4.一根长为 l 的均匀弦,两端 x0 和 x l 固定,弦中张力为T0。在 x h 点,以横向力F0拉 弦,达到稳定后放手任其振动,该定解问题的边界条件为___ f(0)=0,f(l)=0;_____。 5、下列方程是波动方程的是D。 A u tt a2u xx f ; B u t a2u xx f ; C u t a2u xx; D u tt a2u x。 6、泛定方程u tt a2u xx0要构成定解问题,则应有的初始条件个数为B。 A 1 个; B 2 个; C 3 个; D 4 个。 7.“一根长为 l 两端固定的弦,用手把它的中u h u 点朝横向拨开距离 h ,(如图〈 1〉所示)然后放0x l / 2 手任其振动。”该物理问题的初始条件为 ( D)。图〈 1〉 2h x, x[0, l ] u t h A .u t l2 l B.0 o u t0 2h(l x), x, l ]t 0 l [ 2 2h l x, x [ 0,] u t l2 C.u t0h D.02h l (l x), x [,l ] l2 u t t00 8.“线密度为,长为 l 的均匀弦,两端固定,开始时静止,后由于在点x0(0 x0l ) 受谐变力 F0 sin t 的作用而振动。”则该定解问题为(B)。 u tt a2 u xx F0 sin t(x x ) ,(0x l ) A . u 数学物理方法习题解答 一、复变函数部分习题解答 第一章习题解答 1、证明Re z 在z 平面上处处不可导。 证明:令Re z u iv =+。Re z x =,,0u x v ∴==。 1u x ?=?,0v y ?=?, u v x y ??≠??。 于是u 与v 在z 平面上处处不满足C -R 条件, 所以Re z 在z 平面上处处不可导。 2、试证()2 f z z = 仅在原点有导数。 证明:令()f z u iv =+。()2 2222,0f z z x y u x y v ==+ ∴ =+=。 2,2u u x y x y ??= =??。v v x y ?? ==0 ??。 所以除原点以外,,u v 不满足C -R 条件。而 ,,u u v v x y x y ???? , ????在原点连续,且满足C -R 条件,所以()f z 在原点可微。 ()00 00x x y y u v v u f i i x x y y ====???????? '=+=-= ? ?????????。 或:()()()2 * 00 0lim lim lim 0z z x y z f z x i y z ?→?→?=?=?'==?=?-?=?。 2 2 ***0* 00lim lim lim()0z z z z z z z zz z z z z z z z z =?→?→?→+?+?+??==+??→???。 【当0,i z z re θ≠?=,*2i z e z θ-?=?与趋向有关,则上式中**1z z z z ??==??】 3、设333322 ()z 0 ()z=0 0x y i x y f z x y ?+++≠? =+??? ,证明()z f 在原点满足C -R 条件,但不可微。 证明:令()()(),,f z u x y iv x y =+,则 ()332222 22 ,=0 0x y x y u x y x y x y ?-+≠? =+?+??, 332222 22 (,)=0 0x y x y v x y x y x y ?++≠? =+?+?? 。 3 300(,0)(0,0)(0,0)lim lim 1x x x u x u x u x x →→-===, 3300(0,)(0,0)(0,0)lim lim 1y y x u y u y u y y →→--===-; 3300(,0)(0,0)(0,0)lim lim 1x x x v x v x v x x →→-===, 3300(0,)(0,0)(0,0)lim lim 1y y x v y v y v y y →→-===。 (0,0)(0,0),(0,0)(0,0)x y y x u v u v ∴ = =- ()f z ∴ 在原点上满足C -R 条件。 但33332200()(0)() lim lim ()()z z f z f x y i x y z x y x iy →→--++=++。 令y 沿y kx =趋于0,则 333333434322222 0()1(1)1(1) lim ()()(1)(1)(1)z x y i x y k i k k k k i k k k x y x iy k ik k →-++-++-++++-+==+++++ 依赖于k ,()f z ∴在原点不可导。 4、若复变函数()z f 在区域D 上解析并满足下列条件之一,证明其在区域D 上 数理方程第二版课后 习题答案 第一章曲线论 §1 向量函数 1. 证明本节命题3、命题5中未加证明的结论。 略 2. 求证常向量的微商等于零向量。 证:设,为常向量,因为 所以。证毕 3. 证明 证: 证毕4. 利用向量函数的泰勒公式证明:如果向量在某一区间内所有的点其微商为零,则此向量在该区间上是常向量。 证:设,为定义在区间上的向量函数,因为 在区间上可导当且仅当数量函数,和在区间上可导。所以,,根据数量函数的Lagrange中值定理,有 其中,,介于与之间。从而 上式为向量函数的0阶Taylor公式,其中。如果在区间上处处有,则在区间上处处有 ,从而,于是。证毕 5. 证明具有固定方向的充要条件是。 证:必要性:设具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,于是。充分性:如果,可设,令,其中为某个数量函数,为单位向量,因为,于是 因为,故,从而 为常向量,于是,,即具有固定方向。证毕 6. 证明平行于固定平面的充要条件是。 证:必要性:设平行于固定平面,则存在一个常向量,使得,对此式连续求导,依次可得和,从而,,和共面,因此。 充分性:设,即,其中,如果,根据第5题的结论知,具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,任取一个与垂直的单位常向量,于是作以为法向量过原点的平面,则平行于。如果,则与 不共线,又由可知,,,和共面,于是,其中,为数量函数,令,那么,这说明与共线,从而,根据第5题的结论知,具有固定方向,则可表示为,其中为某个数量函数,为单位常向量,作以为法向量,过原点的平面,则平行于。证毕 §2曲线的概念 1. 求圆柱螺线在点的切线与法平面的方程。 解:,点对应于参数,于是当时,, ,于是切线的方程为: 例 1.1.1 设v=v(线x,y),二阶性偏微分方程v xy =xy 的通解。 解 原方程可以写成 e/ex(ev/ey) =xy 两边对x 积分,得 v y =¢(y )+1/2 x 2 Y, 其中¢(y )是任意一阶可微函数。进一步地,两边对y 积分,得方程得通解为 v (x,y )=∫v y dy+f (x )=∫¢(y )dy+f (x )+1/4 x 2y 2 =f (x )+g (y )+1/4 x 2y 2 其中f (x ),g (y )是任意两个二阶可微函数。 例1.1.2 即 u(ξ,η) = F(ξ) + G(η), 其中F(ξ),G(η)是任意两个可微函数。 例1.2.1设有一根长为L 的均匀柔软富有弹性的细弦,平衡时沿直线拉紧,在受到初始小扰动下,作微小横振动。试确定该弦的运动方程。 取定弦的运动平面坐标系是O XU ,弦的平衡位置为x 轴,弦的长度为L ,两端固定在O,L 两点。用u(x,t)表示弦上横坐标为x 点在时刻t 的位移。由于弦做微小横振动,故u x ≈0.因此α≈0,cos α≈1,sin α≈tan α=u x ≈0,其中α表示在x 处切线方向同x 轴的夹角。下面用微元法建立u 所满足的偏微分方程。 在弦上任取一段弧'MM ,考虑作用在这段弧上的力。作用在这段弧上的力有力和外力。可以证明,力T 是一个常数,即T 与位置x 和时间t 的变化无关。 事实上,因为弧振动微小,则弧段'MM 的弧长 dx u x x x x ? ?++=?2 1s ≈x ?。 这说明该段弧在整个振动过程中始终未发生伸长变化。于是由Hooke 定律,力T 与时间 t 无关。 因为弦只作横振动,在x 轴方向没有位移,故合力在x 方向上的分量为零,即 T(x+x ?)cos α’-T(x)cos α=0. 由于co's α’≈1,cos α≈1,所以T(X+?x)=T(x),故力T 与x 无关。于是,力是一个 第二章 定解问题与偏微分方程理论 习题2.1 1. 密度为ρ均匀柔软的细弦线x =0端固定,垂直悬挂,在重力作用下,于横向拉它一下,使之作微小的横振动。试导出振动方程。 2. 长为L ,均匀细杆,x = 0端固定,另一端沿杆的轴线方向被拉长b 静止后(在弹性限度内)突然放手,细杆作自由振动。试写出振动方程的定解条件。 3. 长为L 、密度为ρ的底半径为R 的均匀圆锥杆(轴线水平)作纵振动,锥的顶点固定在x =0处。导出此杆的振动方程。 4. 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。 习题2.2 1. 一半径为r ,密度为ρ,比热为c ,热传导系数为k 的匀质圆杆,如同截面上的温度相同,其侧面与温度为u 1的介质发生热交换,且热交换的系数为k 1。试导出杆上温度u 满足的方程。 4. 设有一根具有绝热的侧表面的均匀细杆,它的初始温度为)(x ?,两端满足下列边界条件之一: (1)一端(x =0)绝热,另一端(x = L )保持常温u 0; (2)两端分别有热流密度q 1和q 2进入; (3)一端(x =0)温度为u 1(t ),另一端(x = L )与温度为)(t θ的介质有热交换。 试分别写出上述三种热传导过程的定解问题。 习题2.4 1. 判断下列方程的类型: (1)04=+++++u cu bu au au au y x yy xy xx ; (2)02=+++++u cu bu au au au y x yy xy xx ; (3)02222=+++++u au bu au au au y x yy xy xx ; (4)0=+yy xx xu u 。 2. 求下列方程的通解 (1)0910=++yy xy xx u u u ; (3)0384=++yy xy xx u u u 。 第三章 分离变量法 习题3.1 2. 求解下列定解问题 一 准备(Preliminaries ) A 单摆的数学模型: 牛顿第二定律: F = m a a —物体加速度;F —合外力;m —物体质量 虎克定律: (1) f = –k x ; f —弹力;k —弹性系数; x —弹簧伸长 (2) p = Y ux ; Y —杨氏模量; ux —弹性体相对伸长 付里叶热传导定律: Q —热量;T —温度;κ—热导率 牛顿冷却定律: q = k (u |S – u 0) q —热流密度; u 0—外界温度;u|S —物体温度 B 几个有用的积分公式 2 ()()()2 2 2 (cos sin )cos Re( )sin Im( ) cos sin sin sin cos cos b i x x b a a b i x x b a a b i x x b a a b x x x b b a a a b b b a a a b b b a a a cx e e x i x dx i e e xdx i e e xdx i e x e e xdx x x x x xdx x x x x xdx e dx αβααβααβααααββαββαββαβα αββββ βββββ β+++-+=+=+=+= - =- + = - =??????+∞-∞ ? C 函数的Fourier 展开 θ θ sin 22mg dt d mL -=dT Q dx κ =- {}(21)()sin 2n n X x x L π+??=??? ? 是正交函数系 二 练习(Exercise) P22 ex 2.1 竖直方向合力为零: (1)()cos ()()cos () (2)cos ()cos ()1 T x dx x dx gds T x x x dx x αρααα+++=+≈≈ {}???? ??=x L n x X n πsin )(10(,)()sin ()(,)sin 2n n L n n f x t f t x L L n f t f x t xdx L π π∞ ===∑? 矢量分析与场论,数理方程与特殊函数总复习题 矢量和矢性函数 1、 求下列两个矢量的加法、减法、标量积(点乘)和矢量积(叉乘) k j i A 32++= k j i B 654++= 2、 求下列两个矢性函数的加法、减法、标量积(点乘)和矢量积(叉乘) ()k t j t i t t A ++=sin cos , ()k t j e i t t B t 2++= 3、设k t j i t A 23+-=,k j i B 22+-=,k j t i C -+=3,求() C B A ?? 4、如果 ()k t j t i t t A ++=sin cos ,()k t j e i t t B t 2++= 求 ()dt t A d 和 ()dt t B d 5、如果 ()j i e ???sin cos += ① 求 ()()? ??d e d e =1 , ② 证明 ()?e ⊥()?1e . 6、如果 ()j i e ???cos sin 1+-= 证明 ()()?? ?e d e d -=1 7、求不定积分 ()? ??d e , ()? ??d e 1 。 8、计算不定积分 () ? +???d e 122 . 9、求矢量 k j i r -+=22的单位矢量 0r 。 方向导数和梯度 1、求 k j i l 22++= 的方向余弦 2、写出矢径 k z j y i x r ++=的单位矢径0r ,用方向余弦表示0r 3、求矢性函数 () k z j xy i x z y x l 4232,,+-= 的方向余弦 4、求函数2 2 2 z y x u ++=在() 1,0,1M 处沿k j i l 22++=的方向导数 5、求数量场 z y z x u 2 322+= 在点 () 1,0,2-M 处沿 k z j xy i x l 4232+-= 方向的方向导数 6、求下列数量场的梯度 ① 2 2 2 z y x r ++=, ② ??? ? ? ?++=2 221 1z y x r , ③ 223z xy z x u +-= ③ 3 2 z y x u =, ④ xz yz xy u ++=, ⑥ z y x xy z y x u 623322 2 2 --++++=. 数理方程练习题一(2009研 1. 设(,u u x y =,求二阶线性方程 20u x y ?=?? 的一般解。 解先把所给方程改写为 (0u x y ??=?? 2分两边对x 积分,得 (0((u u dx dx y y y x y ?????==+=????? 4分这里, (y ?是任意函数。再两边对y 积分,得方程的一般解为y ((((u u dy y dy f x f x g y y ??==+=+?? ? 6分这里,(,(f x g y 是任意两个一次可微函数。 2. 设 u f = 满足Laplace 方程 222 2 0u u x y ????+ = 求函数u. 解 : ,.r x r y r x r x r ??===?? ''(,(.u x u y f r f r x r y r ???==?? 3分因此有 222''' 223222 ''' 223 ((((u x y f r f r x r r u y x f r f r y r r ?=+??=+? 3分原方程化为:'''1((0f r f r r += 2分故有 :1212(ln r u f r c c c c ==+= 2分 例1 求Cauchy 问题 2 20 00(,(0,cos tt xx t t t u a u x t u x u x x ==?-=∈?∞??==∈??R R 的解. 解由定理3.1得 22222((1u(x, tcos 221 cos sin x at x at x at x at d a x a t x at a ξξ+-++-=+=++? 例2 求解Cauchy 问题 200cos (,(0,cos 010tt xx t t t u a u t x x t x x u x u x ==?-=∈?∞?≥?? ==??? R 解由公式错误!未找到引用源。得 []00( 0( 数学物理方法习题解答 一、复变函数部分习题解答 第一章习题解答 1、证明Re z 在z 平面上处处不可导。 证明:令Re z u iv =+。Re z x =Q ,,0u x v ∴==。 1u x ?=?,0v y ?=?, u v x y ??≠??。 于是u 与v 在z 平面上处处不满足C -R 条件, 所以Re z 在z 平面上处处不可导。 2、试证()2 f z z = 仅在原点有导数。 证明:令()f z u iv =+。()2 2222,0f z z x y u x y v ==+ ∴ =+=Q 。 2,2u u x y x y ??= =??。v v x y ?? ==0 ??。 所以除原点以外,,u v 不满足C -R 条件。而 ,,u u v v x y x y ???? , ????在原点连续,且满足C -R 条件,所以()f z 在原点可微。 ()00 00 00x x y y u v v u f i i x x y y ====???????? '=+=-= ? ?????????。 或:()()()2 * 00 0lim lim lim 0z z x y z f z x i y z ?→?→?=?=?'==?=?-?=?。 2 2 ***0* 00lim lim lim()0z z z z z z z zz z z z z z z z z =?→?→?→+?+?+??==+??→???。 【当0,i z z re θ≠?=,*2i z e z θ-?=?与趋向有关,则上式中**1z z z z ??==??】 3、设333322 ()z 0 ()z=0 0x y i x y f z x y ?+++≠? =+??? ,证明()z f 在原点满足C -R 条件,但不可微。 证明:令()()(),,f z u x y iv x y =+,则 ()332222 22 ,=0 0x y x y u x y x y x y ?-+≠? =+?+??, 332222 22 (,)=0 0x y x y v x y x y x y ?++≠? =+?+?? 。 3 300(,0)(0,0)(0,0)lim lim 1x x x u x u x u x x →→-===, 3300(0,)(0,0)(0,0)lim lim 1y y x u y u y u y y →→--===-; 3300(,0)(0,0)(0,0)lim lim 1x x x v x v x v x x →→-===, 3300(0,)(0,0)(0,0)lim lim 1y y x v y v y v y y →→-===。 (0,0)(0,0),(0,0)(0,0)x y y x u v u v ∴ = =- ()f z ∴ 在原点上满足C -R 条件。 但33332200()(0)() lim lim ()()z z f z f x y i x y z x y x iy →→--++=++。 令y 沿y kx =趋于0,则 333333434322222 0()1(1)1(1) lim ()()(1)(1)(1)z x y i x y k i k k k k i k k k x y x iy k ik k →-++-++-++++-+==+++++ 依赖于k ,()f z ∴在原点不可导。 4、若复变函数()z f 在区域D 上解析并满足下列条件之一,证明其在区域D 上 1.一根水平放置长度为L 的弦(两端被固定) ,其单位长 度的重力为ρ g ,其ρ 中是弦的线密度,g 是重力加速 度。若弦的初始形状如图所示: (1)推导出弦的微振动方程; (2)写出定解问题。 解:(1)设弦的微震动方程为:22222(,)u u f x t t x α??=+?? 依题意(,)f x t =-g , 所以弦的微震动方程为:22222u u g t x α??=-?? (2)根据所给图形,利02()(,)|t L x u x t h L =-= 依题意,刚开始时,v=0.,所以0(,)|0t u x t t =?=? 又弦的两端固定,所以0(,)|0x u x t ==,(,)|0x L u x t == 所以定解问题为: 22222u u g t x α??=-?? 02(,)|t x u x t h L == 02 L x ≤≤ 02()(,)|t L x u x t h L =-= 2 L x L ≤≤ 0(,)|0t u x t t =?=? 用相似三角形,得:当02L x ≤≤,02(,)|t x u x t h L ==; 当2 L x L ≤≤时, 0(,)|0x u x t ==,(,)|0x L u x t == 2.设有一个横截面积为S ,电阻率为r 的匀质导线,内有电流密度为j 的均匀分布 的直流电通过。试证明导线内的热传导方程为:222u u cp k j r t x ??-=?? 其中c ,ρ ,k 分别为导线的比热,体密度,及热传导系数 解:设导线内的热传导方程为:22 (,)u k u f x t t c x ρ??=+?? 依题意,(,)f x t =2j r c ρ 将其代入得 222u u cp k j r t x ??-=?? 3.长度为L 的均匀杆,侧面绝热,其线密度为ρ、 热传导系数为k 、比热为c 。 (1)推导出杆的热传导方程; (2)设杆一端的温度为零,另一端有恒定热流 q 进入(即单位时间内通过单位面积流入 的热量为q ),已知杆的初始温度分布为 ()2x L x - ,试写出相应的定解问题。 解:(1)根据热传导方程可得,导出杆的热传导方程为 数学物理方法习题精选 §8-3 1. ??? ?? ???? +===><<=-===.2sin 52,2)0;0(020 202x x l u l u t a u t l x u a u t l x x x xx t π, 2. 222222220200 0,(0)0,1315cos cos cos 0 23252x x x l t t t u u a x l t x u u l a t x x x u x u l l l πππ====???-=<????==+?? ?=+++=?? , 3. 22222020 0,(0)0, 21315cos cos cos , 0 35x x x x l t t t u u a x l t x u u l x x x u x u l l l πππ====???-=<???? ==?? ?=+++=?? 222),(t a x t x v += ),(),(),(t x w t x v t x u += ??? ? ??? =++====-0 )0,(,5cos 513cos 31cos )0,(0 ),(,0),0(02x w l x l x l x x w t l w t w w a w t x x xx tt πππ 4. ?? ? ?? ? ??? +=====-==x l A x l l a A x u x u t l a A u u u a u t l x x xx tt ππππsin 2sin 2)0,(,0)0,(2sin ,0002 5. ?? ? ? ? ? ??? -=====-==x l Aa x u x u at l A u u u a u t l x x x xx tt ππsin )0,(,0)0,(sin ,0002 数理方程练习题一(2009研) 1. 设(,)u u x y =,求二阶线性方程 20u x y ?=?? 的一般解。 2. 设 u f = 满足Laplace 方程 222 2 0u u x y ????+ = 求函数u. 3. 求Cauchy 问题 2 2000(,)(0,)cos tt xx t t t u a u x t u x u x x ==?-=∈?∞??==∈ ? ? 的解. 4. 求解Cauchy 问题 200cos (,)(0,)cos 010tt xx t t t u a u t x x t x x u x u x ==?-=∈?∞? ≥?? ==??? 5. 解在半无界问题 20000(,)(0,)sin (0)0 (0)tt xx t t t x u a u x t u x u x x u t +===?+=∈?∞?? ==≤≤∞?? =≥?? 6. 求解二维Cauchy 问题 2 2 22 00(,,)(0,)0()(,)tt t t t u a u x y t u u x x y x y ==?-?=∈?∞??==+∈ ?? 求下列函数的Fourier 变换 1 0()00 ax e x f x a x -?≥=>? 2 1||()0 ||a x a x x a ≤?∏=? >? 3 2 ()x f x e -= 7. 磁致伸缩换能器、鱼群探测换能器等器件的核心是两端自由的均匀杆,它作纵振动.研 究两端自由棒的自由纵振动,即定解问题。 200,0(,0)(),(,0)()0(0,)(,)00 tt xx t x x u a u x l t u x x u x x x l u t u l t t ?ψ?-=<<>? ==≤≤??==≥? 8. 散热片的横截面为矩形。它的一边y=b 处于较高温度V ,其他三边b=0,x=0,x=a 则 处于冷却介质中因而保持较低的温度v 求解这横截面上的稳定温度分布Ux,y)即定解问题 0;0(0,),(,)0(,0),(,)()0xx yy u u x a y b u y v u a y v y b u x v u x b V x x a +=<<<? ==<?==< 9. 求解定解问题 2 000cos sin 0,0 0,0tt xx x x x x l t t t x u a u A t l u u u u πω====?-=??? ==?? '==??? 10. 求解定解问题 200sin 0,00 t xx x x x l t u a u A t u u u ω===?-=?? ==??=?? 11. 弦的x=0端固定而x=l 端受迫作谐振动sin A t ω,则弦的初始位移和初始速度都是零, 求弦的振动。这个定解问题是 200000,sin 0,0 tt xx x x l t t t u a u u u A t u u ω====?-=?? ==??==?? 12. 在圆域0ρρ<上求解泊松方程的边值问题 1. 根据给出的方程,指出它所描述得物理问题。 例:有 则次方程描述得物理 问题为:两边固定的弦振动 这题大家只需考虑第一类边界条件,即老师给的题目的边界条件都是第一类的。 2. 给出一个题目,直接写出方程,包括边界条件,初值; 3. 给出一个方程式,知道它的意义。如给出 如果此为热传导方程,则该式表示为:一个均匀的细杆两 边绝热。 4. 非齐次边界条件的齐次化。P47 (2.6.1)主要是知道怎么求w(x,t) 5.由 Laplace 方程的Poisson 公式 和平均值公式 由 只需将公式背下来就可以,不需推导。 6. 若在点M 处,有 方程(1)在点M 处是双曲型 τττθρρρρρρπθπd )()cos(221),(200220220?????????--+-=f r u .)(21)0(20?=πττπd f u ?????==??+??=?=)( 0,0 2222θρρf u y u x u u []),()()(1),(,112t u x t u t u l t x w +-=令 为此,0),(>?y x ∑?∞=?? ????-=10.sin sin )()(2),(n n a n n n x zdz z f b sh y b sh a y x u ββββ则?????≤≤==≤≤==<<<<=+=?.0,0),(),()0,(, 0,0),(,0),0(0,0,0a x b x u x f x u b y y a u y u b y a x u u u yy xx 若在点M 处,有 方程(1)在点M 处是椭圆型 若在点M 处,有 方程(1)在点M 处是抛物型 7.第四章。P92 大家将几个定义要熟知,以及左行波和右行波。 8.第五章的调和函数的基本解, 调和函数的积分表达式 拉普拉斯方程的基本解 平均值公式 后面的大题大概有三题,和老师给我们的那张试卷的八题相类似(最后一题不用考虑),希望大家好好看看。 ,0),( 第一部分分离变量法 一、(1) 求解特征值问题 (2) 验证函数系关于内积 正交,并求范数 二、用分离变量法求解定解问题 的解的表达式,写出具体的分离变量过程. 进一步,当时,求和时的 值. 三、(方程非齐次的情形)求定解问题 四、(边界非齐次的情形)求定解问题 五、(Possion方程)求定解问题 六、求定解问题: 注意: 1、考试只考四种边界条件,即还有以下三种: 2) 3) 4) 2、以上均为抛物型方程,还可以考双曲型方程(相应的初值条件变为两个)和椭圆型方程(无初值条件); 3、考试中除特别要求(如以上的第二题)外,不要求必须用分离变量法、特征函数法等方法求解,你可以自己选择方法(如上面的第三题)可以用Laplace 变换求解。 第二部分 积分变换法 一、请用下面三种方法求解无穷限波动问题 ()()22222 00 ,, 0, ,t t u u a x t t x u x x u x x t ?ψ==???=-∞<<∞>????? =-∞<<∞????=-∞<<∞??? (1) 用积分变换法推导达朗贝尔公式 (2) 用特征线法推导达朗贝尔公式 (3) 用降维法推导达朗贝尔公式 二、用积分变换法求解定解问题 22 3 01,1, 0, 1cos ,0y x u x y x y x y u x x u y y ==??=>>?????=≥?? =>??? 注意:只考应用Fourier 变换和Laplace 变换求解方程的问题 第三部分 特征线问题 一、判断方程 的类型. 二、从达朗贝尔公式出发,证明在无界弦问题中 (1) 若初始位移()x ?和初始速度()x ψ为奇函数,则(),00u t = (2) 若初始位移()x ?和初始速度()x ψ为偶函数,则(),00x u t = 三、请用下列方法求解定解问题 数学物理方程例题和习题 (2009-10-31) 一、二阶常微分方程常数变易法 二阶常微分方程初值问题 ?? ?='=>=+''β αω)0(,)0(0 ),()()(2y y x x f x y x y 先考虑对应齐次方程:02=+''y y ω。利用辅助方程 022=+ωm , ωi m ±= 得齐次方程通解 )sin()cos()(21x C x C x y ωω+= 将常数替换为待定的函数,即 )sin()()cos()()(x x v x x u x y ωω+= 有两个未知函数待定。代入微分方程得恒等式,由一个等式不能唯一确定两个函数。如果人 为增加一个等式,就可以构造出二元线性方程组,朗斯基行列式方法是成功的确定两个待定函数的方法,方法如下,对假设的函数求一阶导数,得 在上面表达式中,令第一个方栝号为零,得第一个等式 0)sin()cos(='+'x v x u ωω 同时,由 )cos()sin(x v x u y ωωωω+-=' 继续求导数,得 )]sin()cos([)]cos()sin([22x v x u x v x u y ωωωωωωωω+-'+'-='' 代入方程,得第二个等式 f x v x u ='+'-)cos()sin(ωωωω 将两个等式联立,得线性代数方程组 ?? ?='+'-=+'f x v x u x v x u )cos()sin(0 )sin()cos(ωωωωωω 或写成矩阵形式 ?? ????=??????''??????-f v u x x x x 0)cos()sin()sin() cos(ωωωωωω 上式的系数矩阵行列式称为朗斯基行列式,由于 ωωωωωωω=-= ) cos()sin() sin()cos(x x x x ? 利用克莱姆法则解方程组,有 )sin()()cos()sin(01x x f x f x ωωωω-==?,)cos()() sin(0 )cos(2x x f f x x ωωωω=-= ? )sin()(1 /1x x f u ωω - =='??,)cos()(1 /2x x f v ωω = ='?? )]cos()sin([)]sin()cos([x v x u x v x u y ωωωωωω+-+'+'=' 北京交通大学硕士研究生2010-2011学年第一学期 《数学物理方程》期末试题(A 卷) (参考答案) 学院 专业 学号 姓名 1、 (10分)试证明:圆锥形枢轴的纵振动方程为: 其中E 是圆锥体的杨氏模量,ρ是质量密度,h 是圆锥的高(如下图所示): 【提示:已知振动过程中,在x 处受力大小为u ES x ??,S 为x 处截面面积。】 【证明】在圆锥体中任取一小段,截面园的半径分别是1r 和2r ,如图所示。于是,我们有 上式化简后可写成 从而有 或成 其中2 E a ρ = ,证明完毕。 2、 (20分)考虑横截面为矩形的散热片,它的一边y b =处于较高温度U ,其它三边0y =, 0x =和x a =则处于冷却介质中,因而保持较低的温度0u 。试求该截面上的稳定温度 分布(,)u x y ,即求解以下定解问题: 【提示:可以令0(,)(,)u x y u v x y =+,然后再用分离变量方法求解。】 【解】令0(,)(,)u x y u v x y =+,则原定解问题变为 分离变量: 代入方程得到关于X 和Y 的常微分方程以及关于X 的定解条件: 可以判定,特征值 特征函数 利用特征值n λ可以求得 于是求得特征解 形式解为 由边界条件,有 得到 解得 最后得到原定解问题的解是 3、 (20分)试用行波法求解下列二维半无界问题 【解】方程两端对x 求积分,得 也即 对y 求积分,得 也即 由初始条件得 也即 再取0x =,于是又有 从而得 于是 将这里的()g x 和()h y 代入(,)u x y 的表达式中,即得 4、 (20分)用积分变换法及性质,求解无界弦的自由振动问题: 【提示:可利用逆Fourier 积分变换公式:11 ,||sin []20, ||x at a t F a a x at ωω-?=??≥?】 【解】对变元x 作Fourier 变换,令 则有 方程的通解是 由初始条件得 可得 方程的解 从而 查表可得 从而 数理方程基础练习(选择填空) 一、填空题 1、物理规律反映同一类物理现象的共同规律,称为__普遍性(共性)_。 2、若函数f(x)是周期性的,则可展开为___傅里叶_____级数。 3、周期性函数f(x)为奇函数,则可展为_____正弦____傅里叶级数。 4、在给定条件下求解数学物理方程,叫作_数学物理定解问题__。 5、方程20tt xx u a u -=称为____波动____方程 6、方程20t xx u a u -=称为____输运___方程 7、静电场的电场强度E 是无旋的,可用数学表示为____ _______。 8、方程0j ??=称为___恒定电流____的连续性方程。 9、第二类边界条件,就是_ _____________________________________。 10、第一类边界条件,就是___ ___________________________________。 11、00(0,)(0,)x x u x t u x t -=+称为所研究物理量u 的_____衔接条件______。 12、00(0,)(0,)u x t u x t -=+称为所研究物理量u 的____衔接条件________。 13、对于两个自变量的偏微分方程,可分为双曲型、__抛物型___和椭圆型。 14、对于两个自变量的偏微分方程,可分为双曲型、抛物线型和___椭圆型___。 15、分离变数过程中所引入的常数λ不能为:负数或零甚至也不能是任意的的正数。 16、方程中,特定的数值λ叫作本征值,相应的解叫作__本征函数______。 17、傅里叶级数法适用于_____非齐次________方程和齐次边界条件的定解问题。 18、分离变数法的关键是___把分离变数形式的试探解_______代入微分方程。 19、非齐次振动方程可采用__傅里叶级数____和冲量定理法求解。 20、处理非齐次边界条件时,可利用叠加原理,把非齐次边界条件问题转化另一___未知函数______的齐次边界条件问题。 21、处理非齐次边界条件时,可利用叠加原理,把非齐次边界条件问题转化另一___未知函数______的齐次边界条件问题。 22、对于边界是圆柱型的定解问题,常采用__柱坐标___系求解。数理方程版课后习题答案
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