数学物理方程复习

习题课和总复习

鉴于数学物理方程课程对大多数同学来讲有一定的学习难度，为帮助同学们较好地掌握本课程的基本内容和定解问题主要的求解方法，下面将这学期的教学内容进行总结，并提出每部分的教学基本要求。希望同学们能够参考下面总结《一》到《四》的具体要求安排好个人的复习计划，认真看书（结合以往的作业题）和总结；也希望同学们之间能够加强讨论并积极地参加答疑。

祝同学们学习愉快并取得考试好成绩！

《一》 特征线方法

掌握两个自变量一阶线性方程的解法：三步，求出特征线族；在特征线上求解原问题；代入求出原问题的解。

如书上269P 例1.1；276P 第1题。(新书107P 例6.1；118P 第1题) 《二》格林函数法

1. 记住基本解0(,)p p Γ， 0(,),(,)p p x y ξη或0(,,),(,,)p p x y z ξηζ。

2. 记住并会证明格林第三公式：0()()u u p u ds udV n n ?Ω

Ω

??Γ

=Γ

--Γ???????? 【 在()()v u

u v v u dV u

v ds n n

Ω

?Ω

???-?=-??????? 取00\(,),(,)B p v p p εεΩ=Ω=Γ 0(,)

()()()B p u u

u u dV u

ds u ds n n n n ε

εΩ?Ω

??Γ??Γ???Γ-Γ?=-Γ+-Γ???????????，利用 0, in ε-?Γ=Ω和当0ε+→时

000(,)

(,)

(),0B p B p u

u

ds u p ds n n εε???Γ?→Γ→????

??即可 】 由此可得 0()()u G

u p G

u ds G udV n n ?Ω

Ω

??=--????????，和如下问题解的表达式 , , u f in u on ?-?=Ω??

=?Ω? ?0()G u p ds GfdV n ??ΩΩ

?=-+??????。 在这里要注意，0p ∈Ω固定而动点为p 。

3.掌握利用对称法求格林函数的方法，如半空间，半平面和圆域等。

《三》定解问题的表示

1.要写完整，熟练掌握各种边界条件的正确表示。

2.边界条件： 一维热方程：

知道通过边界的流入热量时 0

12(), (),0;x x l

ku

q t ku

q t t ==-==≥

知道边界外温度时 10100, ()( ) ()x x x ku i i k u u i i ku k u u =-?=--??-=--

22, ()()() ()x l x l x l ku i i k u u i i ku k u u =-?-=-?-?=--

其中0,l u u 为两端外面的温度，12,k k 为两端牛顿定律中的导热系数。 弦振动方程：

知道边界受到垂直方向的力时00

102(), (),0;x x l

T u

q t T u

q t t ==-==≥

在边界上与小弹簧连接时，假设小弹簧的下端固定在平衡位置0u =，则有

00

11022(), (),0;x x l

T u

k u l T u

k u l t ==-=--=--≥

其中12,l l 为两端小弹簧的长度，12,k k 为两端小弹簧的弹性系数。 即快又准确的完成后面练习题中 1—8题。

《四》分离变量法

1. 边界条件齐次化，196P 第8题 （新书30P 第14题）

2. 特征值问题，236P 第2题（新书49P 第2题）并要记住以下结果

（01）''0,0(0)0,()0X X x l X X l λ+=<

, 1.n n n n X x x n l l ππ

λ==≥ （02）''0,0'(0)0,'()0X X x l X X l λ+=<

，2(), ()cos

, 0.n n n n X x x n l l ππ

λ==≥ （03）''0,0(0)0,'()0X X x l X X l λ+=<

λπ++==≥ （04）''0,0'(0)0,()0X X x l X X l λ+=<

λπ++==≥ （05）''0,02(0)(2),'(0)'(2)

λθπ

ππΦ+Φ=≤≤??Φ=ΦΦ=Φ? （或边界条件()(2)θθπΦ=Φ+）

20, 0; ()1, (){cos ,sin }, 1.n n n n n n n λθθθθ=≥Φ=Φ=≥

（06）贝塞尔方程特征值问题

2"'220()()()()0 , 0()0 , (0).

R R n R R R ρρρρλρρρρρ?++-=<

=<+∞?? 2

0)()(ρμλn m m =, 1m ≥ ， )()(0

)(ρρμρn m n m J R =, 1m ≥

()02

'()20 0

()[()]2

n m k m k

n m R R d J ρρρρρρδμ=?

3.按特征函数系的傅立叶级数展开问题

完成下面练习题中第9题。

4. 一阶，二阶常系数线性常微分方程定解问题，欧拉方程定解问题求解。 （请同学们结合平时作业题自己总结）。

5. 偏微分方程定解问题

（01）熟练掌握利用分离变量法（特征函数法）求解有界弦振动方程，有界杆热传导方程定解问题；

（02）熟练掌握利用分离变量法（特征函数法）求解矩形域，圆域和扇形域上Laplace 方程或Poisson 方程边值问题；

（03）掌握利用贝塞尔函数特征值问题求解圆域上热方程和波方程定解问题。

237P 第3题，第5题，232P 例4.3和238P 第13题；

新书50P 第5题第6题（1），（4）第7题（1）--（3）和73P 例3.13和78P 第20题。

6.贝塞尔函数的基本性质：正零点分布，递推公式和特征值问题；傅立叶-贝塞尔级数的展开。

226228P P -例3.2，例3.3，例3.5；238P 第9，10题。

新书6869P P -例3.6--例3.8，例3.10；78P 第14，15题，17题。

补充练习题

1．长为l 的均匀柔软细弦, 左端0x =受到竖直方向的外力为cos t ω（N ），右端x l =的位移21/100(1)t +（m ），写出边界条件并选(,)w x t 将边界条件齐次化。

2．长为l 的均匀柔软细弦, 左端0x =固定，右端x l =系在一个小弹簧上，弹簧的底座固定在平衡位置0u =，写出边界条件并选(,)w x t 将边界条件齐次化。

3. 长为l 的均匀柔软细弦, 左端0x =固定高度为310-（m ），右端x l =挂在一个竖直的光滑细杆上，写出边界条件并选(,)w x t 将边界条件齐次化。

4. 长为l 的均匀金属细杆，侧面绝热。若左端0x =有热流sin t （J/s ?m 2）流入杆内右端x l =温度为0u （度），写出边界条件并选(,)w x t 将边界条件齐次化。

5. 长为l 的均匀金属细杆，侧面绝热。左端0x =外温度为sin t （度）右端x l =有热流cos t （J/s ?m 2）流入杆内，写出边界条件并选(,)w x t 将边界条件齐次化。

6. 设在带状平面区域{(,) 0, 0}x y x y a Ω=><<有温度分布，上下表面绝热。如果边界y a =上温度恒为零度，0y =上为绝热，边界0x =外温度为10度，写出该问题的边界条件。

7. 设有一均匀圆环形金属薄板上下两面绝热，内外圆半径分别为a 和b 。如果在内圆的边界上绝热而在外圆的边界上有热流(,)x y ?（J/s ?m ）流入薄板内，写出板内稳恒温度分布满足的定解问题。

8. 设扇形22{(,) 0, 4}x y y x x y Ω=<<+<金属薄板上下两面绝热，在边界

0y =上温度恒为零度，在圆弧边界上温度为(,)x y ?而在边界y x =上为绝热边界

条件，写出板内稳恒温度分布(,)u x y 满足的定解问题，并利用极坐标变换将所得问题转化为关于(,)u ρθ的定解问题。

9. 求解以下各题（傅立叶级数展开问题） （1） 在区间[0,5]上将函数()f x x =按正交基{sin 1}5

n x n π

≥展开为傅立叶级数 1sin

5

n n n x f x π

∞

==∑，求出系数211,f f 。 （2）在区间[0,2]π上将函数()?θθ=按正交基{1,cos ,sin 1}n n n θθ≥展开为傅立叶级数 ,1,20(cos sin )n n n n n θ?θ?θ∞

==+∑，求出系数0,110,220,1, , ???。

（3）在区间[0,]l 上将函数5()sin 4sin

f x x x l

l π

π=-按正交基{sin 1}n x n l

π≥展开为傅立叶级数 1()sin

n n n f x f x l

π

∞

==∑，求出所以的系数n f 。 （4）在区间[0,]l 上将函数5()3sin

4sin

22f x x x l

l

π

π

=-按正交基 (12){sin 0}2n x n l π+≥展开为傅立叶级数 0

(12)()sin 2n n n f x f x l π∞

=+=∑，求n f 。

10. 找已知函数),(t x w ，并作函数代换w u v -=将以下非齐次方程齐次化

（1）3cos .xx yy u u x x y +=+ （2） 2125.xx yy u u x xy +=+- 11. 利用叠加原理求解以下各定解问题

（1）222

22

123, 4, 4.xx yy u u u xy x y x y u x x y ??=+=-++

（2）20, , 0 (,0), (,0)sin , .

tt xx t u a u x t u x x u x x x ?-=-∞<<∞>??==-∞<<∞??

12. 数学物理方程中常用到四类函数：正弦，余弦，双曲正弦和余弦函数，

想想主要是利用了这些函数的什么性质？根据你学过的一些常见函数，试找出一维热传导方程20t xx u a u -=的解；如果还要满足边界条件0

0, 0x x l

u u

====，找

出这些解。

13. 考虑如下热传导方程定解问题

（1）2, 0 , 0(0,)0, (,)0 , 0 (,0)() , 0.t xx u a u x l t u t u l t t u x x x l δξ?=<<>?==≥??=-≤≤? （2） 2+(), 0 , 0(0,)0, (,)0 , 0 (,0)0 , 0.t xx u a u f x x l t u t u l t t u x x l ?=<<>?

==≥??=≤≤?

如果对于任意的(0,)l ξ∈，（1）的解为1(,,)G x t ξ，利用叠加原理和1(,,)G x t ξ求出上面问题当(,0)()u x x ?=时解的表达式。如果当()()f x x δξ=-时（2）的解为

2(,,)G x t ξ，利用叠加原理和2(,,)G x t ξ求出（2）的解。

14．总结一阶、二阶常系数常微分方程，欧拉方程定解问题的求解方法。

15. 记住教材中特征值问题的解（特征值和相应的特征函数），并掌握按特征

函数系将给定函数展开为傅立叶级数的方法（傅立叶系数的计算） 。 练习题参考答案：

1. 02

cos (0,),01(,)100(1) x

t u t T t u l t t ω?

=-??

≥??=

?+?

2

00cos 1cos (,)100(1)t t x t x l T t T ωωω=-+++; 2. 20(0,)0,

0(,)((,)), x

u t t k

u l t u l t l T =??

≥?=--??

20(,)((,))k x t u l t l x

T ω=--; 3. 3(0,)10,0(,)0,

x u t t u l t -?=≥?=? 3

(,)10x t ω-=; 4. 0sin (0,),0(,),

x t u t t k u l t u ?

=-?

≥??=? 0sin sin (,)t t x t x u l k k ω=-++;

5. 1

(0,)(0,)sin ,0cos (,), x x k u t u t t k t t u l t k ?

-=??≥??=??

1

c o s c o s (,)

s i n t t x t x t k k ω=++; 6. 11(,)0,0(,0)0,0(0,)(0,)10,0 y x u x a x u x x ku y k u y k y a

?=>?

=>??

=-<

7. 0,0,

(,).

xx yy a b u u a b k x y ???+=<

; 8. 2222

0,0,4

(,0)0,02(,)(,),4(,)0,02 xx yy x

u u y x x y u x x u x y x y x y u x x x ??+=<<+

=≤≤??=+=??=≤≤?;

20

24110,02,04

|0,02|(),04|0,02

rr r r u u u r r r u r u u x θθ

θθπθπθπ

?θθ===?++=<<<

=≤≤???=≤≤??

=≤≤???; 9. (1) 50210sin cos 55n n f x xdx n n πππ=

=-?, 25f π=-, 1110

11f π

=; (2) 0,1?π=, 10,21

5

?=-, 20,10?=;

(3) 11f =, 54f =-, 0(1,5)n f n =≠; (4) 03f =, 24f =-, 0(0,2)n f n =≠.

10. (1) 5

1(,)cos 20

x t x x y ω=-+

; (2) 236421115

(,)233612

x y x x x x y ω=++-.

10. (1) 5

1(,)cos 20

x t x x y ω=-+

; u =v +w u =∴??? 令v=0? 则有3w=u=cos x x y ??+

取特殊的 (),w x y 使得(),0yy w x y =，则有()3,cos xx w x y x x y =+

()41,sin 4x w x y x x y =+

()51,c o s 20w x y x x y =-+

(2) 236421115(,)233612

w x y x x x x y =

++-. u=v+w u=v+w ∴??? 令v=0? 则有22w=u=125x x y ??+-

取特殊的 ()?,w

x y 使得()?,0yy w x y =，则有()22?,125xx w x y x x y =+- ()2325?,3x w x y x x x y =+- ()2342115

?,2312

w x y x x x y

=+- 又因为 ()45

?,6

yy w

x y x =- 取特殊的 (),w x y 使得()45,6xx w x y x = 则()6

1,36

w x y x =

则所求解：

(),w x y ＝()?,w

x y ＋(),w x y =236421115

233612

x x x x y ++-

最新数学物理方程期末试卷

最新数学物理方程期末试卷 出卷人：欧峥 1、长度为 l 数学物理方程期末试卷sin A t ω的力的作用，右端系在弹性系数为 k 的弹性支承上面；初始位移为(),x ?初始速度为().x ψ试写出相应的定解问题.(10分) 2、长为l 的均匀杆，侧面绝热，一端温度为0度，另一端有已知的恒定热流进 入，设单位时间流入单位截面积的热量为q ，杆的初始温度分布是() 2x l x -，试 写出其定解问题.(10分) 3、试用分离变量法求定解问题(10分)： .? ?? ?? ?? ??===><??? ==?????=+= ????? 5、利用行波法，求解波动方程的特征问题（又称古尔沙问题）(10分)：

???? ???==??=??=+=-).()(002 22 22x u x u x u a t u at x at x ψ? ())0()0(ψ?= 6、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题（10分） ?????=??=>+∞<<-∞+??=??==0 ,2sin 0,,cos 0022 2 22t t t u x u t x x x u a t u 7、用积分变换法求解定解问题（10分）： ???? ???=+=>>=???==,1,10,0,1002y x u y u y x y x u 8、用积分变换法求解定解问题(10分)： ?? ?==>∈=0)0,(,sin )0,(0,,2x u x x u t R x u a u t xx tt 9、用格林函数法求解定解问题(10分)： 222200, y 0, () , .y u u x y u f x x =???+=

成都理工大学数学物理方程试题

《数学物理方程》模拟试题 一、填空题（3分10=30分） 1.说明物理现象初始状态的条件叫（ ），说明边界上的约束情况的条件叫（ ），二者统称为 （ ）. 2.三维热传导齐次方程的一般形式是：（ ） . 3 .在平面极坐标系下，拉普拉斯方程算符为 （ ） . 4.边界条件 是第 （ ）类边界条件，其中为边界. 5.设函数的傅立叶变换式为，则方程的傅立叶变换 为 （ ） . 6.由贝塞尔函数的递推公式有 （ ） . 7.根据勒让德多项式的表达式有= （ ）. 8.计算积分 （ ） . 9.勒让德多项式的微分表达式为（ ） . ?f u n u S =+??)(σS ),(t x u ),(t U ω2 2 222x u a t u ??=??=)(0x J dx d )(3 1)(3202x P x P +=?-dx x P 2 1 12)]([)(1x P

10.二维拉普拉斯方程的基本解是（） . 二、试用分离变量法求以下定解问题（30分）：1. 2.? ? ? ? ?? ? ? ? < < = ? ? = = = > < < ? ? = ? ? = = = = 3 0,0 , 3 ,0 0 ,3 0, 2 3 2 2 2 2 2 ,0 x t u x x t x x u t u t t x u u u ? ? ? ? ?? ? ? ? = = = > < < ? ? = ? ? = = = x t x x u t u u u u t x x 2 ,0 ,0 ,4 0, 4 2 2

3. ???? ? ????<<=??===><<+??=??====20,0,8,00,20,162002022 222x t u t x x u t u t t x x u u u

数学物理方程期末考试试题(A)答案

孝感学院

解：设)()(t T x X u =代于方程得： 0''=+X X λ，0)1(''2=++T a T λ(8’) x C x C X λλsin cos 21+=，t a C t a C T 22211sin 1cos λλ+++= 由边值条件得： 22)( ,0l n C πλ== l x n t a A t a B u n n n πλλcos )1sin 1cos (221+++=∑∞= ?= l n dx l x n x l B 0cos )(2π?，?+=l n dx l x n x a l A 02cos )(12πψλ(15’) 证明：设代入方程： ?? ???====-=).(),(),(),0()(02102t g t l v t g t v x v v a v t xx t ? 设21,v v 都是方程的解设21v v v -=代入方程得： ?? ???====-=0),(,),0(0002t l v t v v v a v t xx t 由极值原理得0=v 唯一性得证。(8’)由 ≤-21v v ετ≤-2 1v v ，稳定性得证由u e v ct -=知u 的唯一性稳定性 得证。(15’)

解：设),(ηξp 是第一象限内一点，在该点放置单位点电荷，其对称点),(ηξ-p 格林函数： 22)()(1ln 21),,,(ηξπηξ-+-= y x y x G 22)()(1ln 21ηξπ++--y x (8’) ] )[(22220ηξπη+-=??-=??=x y G n G y 方程的解：dx x x f u ?+∞∞-+-=22)()(),(ηξπ ηηξ(15’) 五、证明下列初边值问题解的唯一性.(20分) ),,,()(2t z y x f u u u a u zz yy xx tt =++- ),,,(0z y x u t ?== ),,,(0 z y x u t t ψ== ).,,,(t z y x g u =Γ 其中,),,(,0Ω∈>z y x t Γ为Ω的边界. 解:设21,u u 都是方程的解设21u u u -=代入方程得： 0)(2=++-zz yy xx tt u u u a u 00==t u 00 ==t t u .0=Γu 设dxdydz u u u a u t E z y x t ])([21)(22222???Ω +++= =dt t dE )(dxdydz u u u u u u a u u zt z yt y xt x tt t ])([22???Ω +++ dxdydz u u u a u u zz yy xx tt t ])([[2 2??? Ω++-= 0=(10’)

数学物理方程第二版答案解析(平时课后知识题作业任务)

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l ，弦的线密度为ρ，则x 点处的张力)(x T 为 )()(x l g x T -=ρ 且)(x T 的方向总是沿着弦在x 点处的切线方向。仍以),(t x u 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 )(sin ))(();(sin )(x x x x l g x x l g ?+?+--θρθρ 其中)(x θ表示)(x T 方向与x 轴的夹角 又 . sin x u tg ??=≈θθ 于是得运动方程 x u x x l t u x ???+-=???)]([22ρ∣x u x l g x x ??--?+][ρ∣g x ρ 利用微分中值定理，消去x ?，再令0→?x 得 ])[(2 2x u x l x g t u ??-??=??。 5. 验证 2 221),,(y x t t y x u --= 在锥2 22y x t -->0中都满足波动方程 222222y u x u t u ??+??=??证：函数2221),,(y x t t y x u --=在锥2 22y x t -->0内对变量t y x ,,有

二阶连续偏导数。且 t y x t t u ?---=??-2 3 222)( 22 52222 32222 2) (3) (t y x t y x t t u ?--+---=??- - )2()(2 2223 222y x t y x t ++?--=- x y x t x u ?--=??- 23 222)( ()() 225222232222 23x y x t y x t x u - ---+--=?? ( )()222 252222y x t y x t -+- -=- 同理 ()()222 25 2222 22y x t y x t y u +---=??- 所以 ()() .22 22 2225222222 2t u y x t y x t y u x u ??=++--=??+ ??- 即得所证。 §2 达朗贝尔公式、 波的传抪 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） ??? ? ???==??=??=+=-).()(0022222x u x u x u a t u at x at x ψ? ())0()0(ψ?= 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 ψ=F （2x ）+G(0)

数学物理方法期末考试规范标准答案

天津工业大学（2009—2010学年第一学期） 《数学物理方法》(A)试卷解答2009.12 理学院) 特别提示：请考生在密封线左侧的指定位置按照要求填写个人信息,若写在其它处视为作弊。本试卷共有四道大题,请认真核对后做答,若有疑问请与监考教师联系。 一 填空题(每题3分,共10小题) 1. 复数 i e +1 的指数式为：i ee ； 三角形式为：)1sin 1(cos i e + . 2. 以复数 0z 为圆心，以任意小正实数ε 为半径作一圆，则圆内所有点的集合称为0z 点的 邻域 . 3. 函数在一点可导与解析是 不等价的 (什么关系？). 4. 给出矢量场旋度的散度值，即=????f ? 0 . 5. 一般说来，在区域内，只要有一个简单的闭合曲线其内有不属 ------------------------------- 密封线 ---------------------------------------- 密封线 ---------------------------------------- 密封线--------------------------------------- 学院 专业班 学号 姓名 装订线 装订线 装订线

于该区域的点，这样的区域称为 复通区域 . 6. 若函数)(z f 在某点0z 不可导，而在0z 的任意小邻域内除0z 外处处可导，则称0z 为)(z f 的 孤立奇点 . 7. δ函数的挑选性为 ? ∞ ∞ -=-)()()(00t f d t f ττδτ. 8. 在数学上，定解条件是指 边界条件 和 初始条件 . 9. 常见的三种类型的数学物理方程分别为 波动方程 、 输运方程 和 稳定场方程 . 10. 写出l 阶勒让德方程: 0)1(2)1(222 =Θ++Θ -Θ-l l dx d x dx d x . 二 计算题(每小题7分，共6小题) 1. )(z 的实部xy y x y x u +-=22),(，求该解析函数

最新数学物理方程期末考试试题及答案

数学物理方程期末考试试题及答案 一、求解方程（15分） ?????===-=+=-. )()(0002x u x u u a u at x at x xx tt ψ? 其中)0()0(ψ?=。 解：设? ??+=-at x at x ηξ＝则方程变为： 0=ξηu ，)()(at x G at x F u ++-=(8’)由边值条件可得： )()0()2(),()2()0(x G x F x x G F ψ?=+=+ 由)0()0(ψ?=即得： )0()2 ()2( ),(?ψ?--++=at x at x t x u 。 二、利用变量分离法求解方程。（15分） ?????==≥==∈=-====)(,)(, 0,0,),(,00002x u x u t u u Q t x u a u t t t l x x xx tt ψ? 其中l x ≤≤0。0>a 为常数 解：设)()(t T x X u =代于方程得： 0''=+X X λ，0''2=+T a T λ(8’) x C x C X λλsin cos 21+=，at C at C T λλsin cos 21+= 由边值条件得：

21)( ,0l n C πλ== l x n at A at B u n n n πλλsin )sin cos (1+=∑∞= ?=l n dx l x n x l B 0sin )(2π?，?=l n dx l x n x an A 0sin )(2πψπ 三．证明方程02=--cu u a u xx t )0(≥c 具有狄利克雷边界条件的初边值问题解的唯一性与 稳定性. (15分) 证明：设u e v ct -=代入方程： ?? ???====-=).(),(),(),0()(02102t g t l v t g t v x v v a v t xx t ? 设21,v v 都是方程的解设21v v v -=代入方程得： ?? ???====-=0),(,),0(0002t l v t v v v a v t xx t 由极值原理得0=v 唯一性得证。(8’)由 ≤-21v v ετ≤-2 1v v ，稳定性得证由u e v ct -=知u 的唯一性稳定性 得证。 四．求解二维调和方程在半平面上的狄利克雷问题(15分). ,0,0>=++=?z u u u u zz yy xx ).(0x f u z == 解：设),,(ζηξp 是上半平面内一点，在该点放置单位点电荷，其对称点 ),,(?ηξ-p 格林函数： 222)()()(141 ),,,(?ηξπ ηξ-+-+--=z y x y x G 222)()()(141 ?ηξπ++-+-+z y x

武汉大学2008级数学物理方程试题

武汉大学2009 —2010 学年度第 一 学期 《数学物理方法》试卷（A ） 学院 专业 班 学号 姓名 分数 一．求解下列各题（10分×4=40分） 1．一条弦绳被张紧于点（0，0）与（1，0）两端之间，固定其两端，把它拉成x A πsin 的形状之后，由静止状态被释放而作自由振动。写出此物理问题的定解问题，并写出本征值和本征函数。 2．写出一维无界波动问题的达朗贝尔公式，利用达朗贝尔公式求解一维无界波动问题 ???????==>+∞<<-∞=-==x u x u t x u u t t t xx tt sin cos )0,(0200 并画出t =2时的波形。 3．定解问题???????==+==><<=-====2 ,sin 1,)0,0(000202t t t l x x xx tt u x u t u t u t l x u a u ，若要使边界条件齐次化，求其辅助函数，并写出边界条件齐次化后相应的定解问题。 4．计算积分?-=1 12)(dx x P x I l 二．（本题15分）用分离变量法求定解问题 ???? ?????===><<=-===x l u u u t l x Du u t l x x x x xx t π2cos 0 )0,0(000 三．（本题15分）有一内半径为a ，外半径为2a 的均匀球壳，其内、外表面的温度分 布分别保持为零和θcos ，试求此均匀球壳的稳定温度分布。

四．（本题15分）计算和证明下列各题： (1) （10分） dx x J x I ?=)(03 （将计算结果中的贝塞尔函数化为零阶和一阶的，因为工程上有零阶、一阶贝塞尔函数表可查。） (2) （5分）利用递推关系证明： )(1)()('0''02x J x x J x J -= 五.（本题15分）设有一长为l 的圆柱，其半径为R 。若圆柱的侧面及下底面（0=z ）接地，而上底面（l z =）保持电势分布为f (ρ)。1）写出该圆柱的电势分布的定解问题；2）本征值和本征值函数；3）定解问题的通解。 参考公式 .

数学物理方法试卷(全答案).doc

嘉应学院物理系《数学物理方法》B课程考试题 一、简答题（共70 分） 1、试阐述解析延拓的含义。解析延拓的结果是否唯一（ 6 分） 解析延拓就是通过函数的替换来扩大解析函数的定义域。替换函数在原定义域上与替换前的函数 相等。 无论用何种方法进行解析延拓，所得到的替换函数都完全等同。 2、奇点分为几类如何判别（6分） 在挖去孤立奇点Zo 而形成的环域上的解析函数F（ z）的洛朗级数，或则没有负幂项，或则 只有有限个负幂项，或则有无限个负幂项，我们分别将Zo 称为函数 F（ z）的可去奇点，极点及本性奇点。 判别方法：洛朗级数展开法 A，先找出函数f(z)的奇点； B，把函数在的环域作洛朗展开 1）如果展开式中没有负幂项，则为可去奇点； 2）如果展开式中有无穷多负幂项，则为本性奇点； 3）如果展开式中只有有限项负幂项，则为极点，如果负幂项的最高项为，则为m阶奇点。 3、何谓定解问题的适定性（ 6 分） 1，定解问题有解； 2，其解是唯一的； 3，解是稳定的。满足以上三个条件，则称为定解问题 的适定性。 4、什么是解析函数其特征有哪些（ 6 分） 在某区域上处处可导的复变函数 称为该区域上的解析函数. 1）在区域内处处可导且有任意阶导数 . u x, y C1 2）这两曲线族在区域上正交。 v x, y C2 3）u x, y 和 v x, y 都满足二维拉普拉斯方程。(称为共轭调和函数 ) 4）在边界上达最大值。 4、数学物理泛定方程一般分为哪几类波动方程属于其中的哪种类型（ 6 分）

数学物理泛定方程一般分为三种类型：双曲线方程、抛物线方程、椭圆型偏微分方程。波动方程属于其中的双曲线方程。 5、写出 (x) 挑选性的表达式（ 6 分） f x x x 0 dx f x 0 f x x dx f 0 f (r ) ( r R 0 ) dv f ( R 0 ) 、写出复数 1 i 3 的三角形式和指数形式（ 8 分） 6 2 cos isin 1 3 2 i 2 三角形式： 2 sin 2 cos 2 1 i 3 cos i sin 2 3 3 1 指数形式：由三角形式得： 3 i z e 3 、求函数 z 在奇点的留数（ 8 分） 7 1)( z 2) 2 (z 解： 奇点：一阶奇点 z=1；二阶奇点： z=2 Re sf (1) lim (z 1) z 1 ( z 1)( z 2) 2 z 1

数学物理方程期末试卷

2012学年第二学期数学与物理方程期末试卷 出卷人：欧峥 1、长度为 l 的弦左端开始时自由，以后受到强度为sin A t ω的力的作用，右端系在弹性系数为k 的弹性支承上面；初始位移为(),x ?初始速度为().x ψ试写出相应的定解问题。(10分) 2、长为l 的均匀杆，侧面绝热，一端温度为0度，另一端有已知的恒定热流进入，设单位时间流入单位截面积的热量为q ，杆的初始温度分布是() 2 x l x -，试写出其定解问题。(10分) 3、试用分离变量法求定解问题(10分)： .? ?? ?? ?? ??===><??? ==?????=+= ????? 5、利用行波法，求解波动方程的特征问题（又称古尔沙问题）(10分)：

???????==??=??=+=-).()(002 22 2 2x u x u x u a t u at x at x ψ? ())0()0(ψ?= 6、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题（10分） ?????=??=>+∞<<-∞+??=??==0 ,2sin 0,,cos 0022 2 22t t t u x u t x x x u a t u 7、用积分变换法求解定解问题（10分）： ???? ???=+=>>=???==,1,10,0,1002y x u y u y x y x u 8、用积分变换法求解定解问题(10分)： ?? ?==>∈=0)0,(,sin )0,(0,,2x u x x u t R x u a u t xx tt 9、用格林函数法求解定解问题(10分)： 22220 0, y 0, () , .y u u x y u f x x =???+=

含有阻尼项的弦振动方程及其仿真

含有阻尼项的弦振动方程及其仿真 内容提要： 本文通过对古典吉他的琴弦振动情况建立数学物理方程，得到一个含有阻尼项的双 曲型方程的初边值问题，对解用Matlab进行仿真。最后依据弦振动方程的结果，列举 了在这种情况下几种泛音的位置，并结合该方程，对右手给出指导。 关键词 数学物理方程，Matlab，驻波。 引言： 在弦乐器表演中常用到泛音这样的一个技巧，即左手虚按琴弦，滤掉一部分波在琴 弦上形成驻波。比如在弦的三分点进行滤波，则波长的三倍不能被弦长整除的波，将会 被滤掉。但是在拨弦乐器的教学中，关于泛音的位置一直是老师们口口相传。而且某些 泛音准确位置并不在拨弦乐器的品（山口）上，所以缺乏理论指导。 在国内的研究领域中，韩佩琪《弦乐器泛音的分析及应用》一文中只是对弹拨乐器 的空弦状态下进行求解而且忽略了空气的阻力，而且并没有结合列出的解给出演奏技巧 上的指导。而邱桂明《阻尼作用下的弦振动研究》的初边值条件并不符合乐器的条件。另外在周伟《古典吉他演奏教程》以及相关的一些吉他教学视频中只是提及了左手虚按 的位置，关于右手的位置没有给出一个指导。综上来看，国内研究领域，对定弦振动泛 音的理论研究尚处于一个盲区。然而一维双曲型微分方程的理论已经比较完善给本文提 供了理论依据，给研究带来了可行性。 一、模型建立： 如图所示：琴弦的初始状态： 1

其中h是弹拨弦与初始位置间的距离，b是弹拨点距离原点的距离，l表示弦的长度。 弦的两端是静止不动的，从而边值条件：为u(0,t)=u(l,t)=0 其中t表示振动时间。 列出方程： 其中：错误！未找到引用源。，而T表示琴弦松弛时的张力，错误！未找到引用源。表示琴弦线密度。 边值条件： 初值条件： 二、问题的求解 从物理上知道，一个复杂的振动往往可以分解成许多简单的振动的叠加。如弦振动所发出的声音可以分解成各种不同频率的单音叠加。相应于每种单音，弦振动时波形保持不变，从而当时间变化是个点的振幅做同步的变化，所以可以有如下形式： 带入到原方程会得到： 分离变量： 等式左右两边相等，左边仅是t的函数，右边仅是x的函数，左右两边要相等，只有等于同一个常数才可能。设此常数为错误！未找到引用源。。则得到两个常微分方程。 得到以下通解： 因为阻尼系数很小，所以 2

数学物理方程与特殊函数-模拟试题及参考答案

成都理工大学 《数学物理方程》模拟试题 一、填空题（3分?10=30分） 1.说明物理现象初始状态的条件叫（ ），说明边界上的约束情况的条件叫（ ），二者统称为 （ ）. 2.三维热传导齐次方程的一般形式是：（ ） . 3 .在平面极坐标系下，拉普拉斯方程算符为 （ ） . 4.边界条件 f u n u S =+??)(σ是第（ ）类边界条件，其中S 为边 界. 5.设函数),(t x u 的傅立叶变换式为),(t U ω，则方程22 222x u a t u ??=??的傅立叶变换为 （ ） . 6.由贝塞尔函数的递推公式有 =)(0x J dx d （ ） . 7.根据勒让德多项式的表达式有)(3 1)(3 202x P x P += （ ）. 8.计算积分 =? -dx x P 2 1 1 2)]([（ ） . 9.勒让德多项式)(1x P 的微分表达式为（ ） . 10.二维拉普拉斯方程的基本解是（ ） . 二、试用分离变量法求以下定解问题（30分）： 1.??? ? ? ????<<=??===><

2.???? ? ?? ??===><<<+??=??====20,0,8,00,20,16200202 2 2 22x t u t x x u t u t t x x u u u 三、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题（10分） ?? ???=??=>+∞<<-∞+??=??==0 ,2sin 0,,cos 0022 2 22t t t u x u t x x x u a t u 四、用积分变换法求解下列定解问题（10分）： ??? ? ???=+=>>=???==, 1, 10,0,1002y x u y u y x y x u 五、利用贝赛尔函数的递推公式证明下式（10分）： )(1)()(' 0' '02x J x x J x J -= 六、在半径为1的球内求调和函数u ，使它在球面上满足 θ21cos ==r u ，即所提问题归结为以下定解问题（10分）:

数学物理方程期末试卷

2012学年第二学期数学与物理方程期末试卷 出卷人：欧峥 、长度为 的弦左端开始时自由，以后受到强度为sin A t ω的力的作用，右端系在弹性系数为 的弹性支承上面；初始位移为(),x ?初始速度为().x ψ试写出相应的定解问题。 分 、长为l 的均匀杆，侧面绝热，一端温度为 度，另一端有已知的恒定热流进入，设单位时间流入单位截面积的热量为q ，杆的初始温度分布是 ()2 x l x -，试写出其定解问题。 分 、试用分离变量法求定解问题 分 ： ?????????===><

222sin cos ,(0,0)(0,)3,(,)6 4(,0)31,(,0)sin tt xx t u a u x x x l t l l u t u l t x u x u x x l l πππ?=+<<>???==?????=+= ????? 、利用行波法，求解波动方程的特征问题（又称古尔沙问题） 分 ： ???????==??=??=+=-). ()(0022222x u x u x u a t u at x at x ψ? ())0()0(ψ?= 、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题（ 分） ?????=??=>+∞<<-∞+??=??==0,2sin 0,,cos 0022222t t t u x u t x x x u a t u 、用积分变换法求解定解问题（ 分）： ???????=+=>>=???==,1, 10 ,0,1002y x u y u y x y x u 、用积分变换法求解定解问题 分 ：

数学物理方程 答案 谷超豪

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),(t x u 满足方程 其中ρ为杆的密度，E 为杨氏模量。 证：在杆上任取一段，其中两端于静止时的坐标分别为 x 与+x x ?。现在计算这段杆在时刻t 的相对伸长。在时刻t 这段杆两端的坐标分别为： 其相对伸长等于 ),()],([)],([t x x u x x t x u x t x x u x x x ?+=??-+-?++?+θ 令 0→?x ，取极限得在点x 的相对伸长为x u ),(t x 。由虎克定律，张力),(t x T 等于 其中)(x E 是在点x 的杨氏模量。 设杆的横截面面积为),(x S 则作用在杆段),(x x x ?+两端的力分别为 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x ?，再令0→?x 得 若=)(x s 常量，则得 22)(t u 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l x x ==,0两点则相应的边界条件为 (2)若l x =为自由端，则杆在l x =的张力x u x E t l T ??=) (),(|l x =等于零，因此相应的边界条件为 x u ??|l x ==0 同理，若0=x 为自由端，则相应的边界条件为 x u ??∣00==x (3)若l x =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 偏移由函数)(t v 给出，则在l x =端支承的伸长为)(),(t v t l u -。由虎克定律有 x u E ??∣)](),([t v t l u k l x --==

模拟试题及参考答案_数学物理方程

《数学物理方程》模拟试题 一、填空题（3分?10=30分） 1.说明物理现象初始状态的条件叫（），说明边界上的约束情况的条件叫（），二者统称为（）. 2.三维热传导齐次方程的一般形式是：（）. 3 .在平面极坐标系下，拉普拉斯方程算符为（） . 4.边界条件 f u n u S = + ? ? ) (σ 是第（）类边界条件，其中S为边界. 5.设函数 ), (t x u的傅立叶变换式为), (t Uω，则方程2 2 2 2 2 x u a t u ? ? = ? ? 的傅立叶变换 为（）. 6.由贝塞尔函数的递推公式有 = ) ( x J dx d （） . 7.根据勒让德多项式的表达式有 ) ( 3 1 ) ( 3 2 2 x P x P+ = （）. 8.计算积分 = ?-dx x P 2 1 12 )] ( [ （）. 9.勒让德多项式 ) ( 1 x P的微分表达式为（） . 10.二维拉普拉斯方程的基本解是（） . 二、试用分离变量法求以下定解问题（30分）： 1.? ? ? ? ?? ? ? ? < < = ? ? = = = > < < ? ? = ? ? = = = = 3 0,0 , 3 ,0 0 ,3 0, 2 3 2 2 2 2 2 ,0 x t u x x t x x u t u t t x u u u 2.? ? ? ? ?? ? ? ? = = = > < < ? ? = ? ? = = = x t x x u t u u u u t x x 2 ,0 ,0 ,4 0, 4 2 2

3. ????? ????<<=??===><<+??=??====20,0,8,00,20,1620020 22 222x t u t x x u t u t t x x u u u 三、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题（10分） ?????=??=>+∞<<-∞+??=??==0 ,2sin 0,,cos 0022 2 22t t t u x u t x x x u a t u 四、用积分变换法求解下列定解问题（10分）： ???? ???=+=>>=???==,1,10,0,1002y x u y u y x y x u 五、利用贝赛尔函数的递推公式证明下式（10分）： ) (1)()(' 0' '02x J x x J x J -= 六、在半径为1的球内求调和函数u ，使它在球面上满足θ2 1 cos ==r u ，即所提问题归 结为以下定解问题（10分）: . 0,12cos 3,0,10,0)(sin sin 1)(11222 πθθπθθθθ θ≤≤+=≤≤<<=????+????=r u r u r r u r r r (本题的u 只与θ,r 有关，与?无关) 《数学物理方程》模拟试题参考答案

数学物理方程习题解答案

数学物理方程习题解 习题一 1，验证下面两个函数： (,)(,)sin x u x y u x y e y == 都是方程 0xx yy u u += 的解。 证明：（1 ）(,)u x y = 因为322 2 22 2222 2222 22 322 222 2222 2222 222222 222222 1 1()22 () 2()()11()22()2()()0()() x xx y yy xx yy x u x x y x y x y x x x y u x y x y y u y x y x y x y y y y x u x y x y x y y x u u x y x y =-? ?=- +++-?-=-=++=-??=-+++-?-=-=++--+=+=++ 所以(,)u x y =是方程0xx yy u u +=的解。 （2）(,)sin x u x y e y = 因为 sin ,sin cos ,sin x x x xx x x y yy u y e u y e u e y u e y =?=?=?=-? 所以 sin sin 0x x xx yy u u e y e y +=-= (,)sin x u x y e y =是方程0xx yy u u +=的解。 2，证明：()()u f x g y =满足方程 0xy x y uu u u -=

其中f 和g 都是任意的二次可微函数。 证明：因为 ()()u f x g y = 所以 ()(),()()()() ()()()()()()()()0 x y xy xy x y u g y f x u f x g y u f x g y uu u u f x g y f x g y g y f x f x g y ''=?=?''=?''''-=?-??= 得证。 3， 已知解的形式为(,)()u x y f x y λ=+，其中λ是一个待定的常数，求方程 430xx xy yy u u u -+= 的通解。 解：令x y ξλ=+则(,)()u x y f ξ= 所以2 (),()x xx u f u f ξλξλ'''=?=? (),(),()xy y yy u f u f u f λξξξ'''''=?== 将上式带入原方程得2 (43)()0f λλξ''-+= 因为f 是一个具有二阶连续可导的任意函数，所以2 -430 λλ+=从而12 =3,1λλ=， 故1122(,)(3),(,)()u x y f x y u x y f x y =+=+都是原方程的解，12,f f 为任意的二阶可微函数，根据迭加原理有 12(,)(3)()u x y f x y f x y =+++为通解。 4，试导出均匀等截面的弹性杆作微小纵振动的运动方程（略去空气的阻力和杆的重量）。 解：弹性杆的假设，垂直于杆的每一个截面上的每一点受力与位移的情形都是相 同的，取杆的左端截面的形心为原点，杆轴为x 轴。在杆上任意截取位于 [,]x x x +?的一段微元，杆的截面积为s ，由材料力学可知，微元两端处的相对伸长（应 变）分别是 (,)u x t x ??与(,)u x x t x ?+??，又由胡克定律，微元两端面受杆的截去部分的拉力分别为()(,)u SE x x t x ??与()(,)u SE x x x x t x ?+?+??，因此微元受杆的截去部分的作用力的合力为：()(,)()(,)u u SE x x x x t SE x x t x x ??+?+?-??

数学物理方程谷超豪版第二章课后答案

第 二 章 热 传 导 方 程 §1 热传导方程及其定解问题的提 1. 一均匀细杆直径为l ，假设它在同一截面上的温度是相同的，杆的表面和周围介质发生热交换，服从于规律 dsdt u u k dQ )(11-= 又假设杆的密度为ρ，比热为c ，热传导系数为k ，试导出此时温度u 满足的方程。 解：引坐标系：以杆的对称轴为x 轴，此时杆为温度),(t x u u =。记杆的截面面积4 2 l π为S 。 由假设，在任意时刻t 到t t ?+内流入截面坐标为x 到x x ?+一小段细杆的热量为 t x s x u k t s x u k t s x u k dQ x x x x ????=???-???=?+221 杆表面和周围介质发生热交换，可看作一个“被动”的热源。由假设，在时刻t 到t t ?+在截面为x 到x x ?+一小段中产生的热量为 ()()t x s u u l k t x l u u k dQ ??--=??--=111124π 又在时刻t 到t t ?+在截面为x 到x x ?+这一小段内由于温度变化所需的热量为 ()()[]t x s t u c x s t x u t t x u c dQ t ????=?-?+=ρρ,,3 由热量守恒原理得： ()t x s u u l k t x s x u k t x s t u c x t ??--????=????11 2 24ρ 消去t x s ??，再令0→?x ，0→?t 得精确的关系： ()11 224u u l k x u k t u c -- ??=??ρ 或 ()()11 22 2112244u u l c k x u a u u l c k x u c k t u --??=--??=??ρρρ 其中 ρ c k a =2 2. 试直接推导扩散过程所满足的微分方程。 解：在扩散介质中任取一闭曲面s ，其包围的区域 为Ω，则从时刻1t 到2t 流入此闭曲面的溶质，由dsdt n u D dM ??-=，其中D 为扩散系数，得 ?????= 2 1 t t s dsdt n u D M 浓度由u 变到2u 所需之溶质为 ()()[]???????????ΩΩΩ ??=??=-=2 12 1121,,,,,,t t t t dvdt t u C dtdv t u C dxdydz t z y x u t z y x u C M 两者应该相等，由奥、高公式得： ????????Ω Ω??==????????? ??????+???? ??????+??? ??????=2 12 11t t t t dvdt t u C M dvdt z u D z y u D y x u D x M 其中C 叫做孔积系数=孔隙体积。一般情形1=C 。由于21,,t t Ω的任意性即得方程： ??? ??????+??? ? ??????+??? ??????=??z u D z y u D y x u D x t u C 3. 砼(混凝土)内部储藏着热量，称为水化热，在它浇筑后逐渐放出，放热速度和它所储藏的 水化热成正比。以()t Q 表示它在单位体积中所储的热量，0Q 为初始时刻所储的热量，则 Q dt dQ β-=，其中β为常数。又假设砼的比热为c ，密度为ρ，热传导系数为k ，求它在浇后温度u 满足的方程。 解： 可将水化热视为一热源。由Q dt dQ β-=及00Q Q t ==得()t e Q t Q β-=0。由假设，放 热速度为 t e Q ββ-0 它就是单位时间所产生的热量，因此，由原书71页，(1.7)式得 ???? ? ?-=+???? ????+??+??=??-ρρββc k a e c Q z u y u x u a t u t 20222222 2 4. 设一均匀的导线处在周围为常数温度0u 的介质中，试证:在常电流作用下导线的温度满足微分方程 ()2201224.0ρω ρωρc r i u u c P k x u c k t u +--??=?? 其中i 及r 分别表示导体的电流强度及电阻系数，表示横截面的周长，ω表示横截面面积，而k 表 示导线对于介质的热交换系数。 解：问题可视为有热源的杆的热传导问题。因此由原71页(1.7)及(1.8)式知方程取形式为 ()t x f x u a t u ,22 2+??=?? 其中()()()t x F c t x F t x f c k a ,,/,,,2 ρρ == 为单位体积单位时间所产生的热量。 由常电流i 所产生的()t x F ,1为2 2/24.0ωr i 。因为单位长度的电阻为ω r ，因此电流i 作功为

数学物理方程考试试题及解答

数学物理方程试题（一） 一、填空题（每小题5分，共20分） 1.长为π的两端固定的弦的自由振动，如果初始位移为x x 2sin ，初始速度为 x 2cos 。则其定解条件是 2. 方程 03 =??-??x u t u 的通解为 3.已知边值问题???===+0 )()0(0 )()('"πλX X x X x X ，则其固有函数)(x X n = 4.方程0)(222'"2=-++y n x xy y x α的通解为 二.单项选择题（每小题5分，共15分） 1. 拉普拉斯方程 02 2 22 =??+ ??y u x u 的一个解是（ ） （A ）xy e y x u x sin ),(= （B ）2 2 ),(y x y x u += （C ）2 2 1 ),(y x y x u += （D ）2 2 ln ),(y x y x u += 2. 一细杆中每点都在发散热量，其热流密度为),(t x F ,热传导系数为k ，侧面绝热,体密度为ρ,比热为c ，则热传导方程是 ( ) （A ） ρc t x F x u a t u ),(2 2 2 2 2 + ??=?? （B ） ρ c t x F x u a t u ),(2 2 2 + ??=?? (C ) ρ c t x u x F a t F ),(2 2 2 2 2 + ??=?? (D) ρ c t x u x F a t F ),(2 2 2 + ??=?? (其中ρ c k a =2) 3. 理想传输线上电压问题??? ??? ?=??=??=??=x aA t u x A x u x u a t u t ωωωsin ,cos )0,(0 2 2 222 ( 其中C L a 12 = )的解为（ ） （A ）)(cos ),(at x A t x u +=ω （B ）t a x A t x u ωωcos cos ),(= （C ）t a x A t x u ωωsin cos ),(= （D ）)(cos ),(t a x A t x u -=ω