第四講問題與分離變量法

第四講問題與分離變量法第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日斯特姆—劉維爾本征值問題斯特姆—劉維爾型方程其中k(x)、q(x)和ρ(x)都非負；k(x)、k’(x)和q(x)連續(xù)或以端點為一階極點。斯特姆—劉維爾型邊界條件周期性邊界條件三類齊次邊界條件有界性邊界條件第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日典型的斯特姆—劉維爾本征值問題abkqρ

本征值問題0L1010L101-111-x2010bxm2/xx第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日本征函數(shù)系的正交性和完備性正交性完備性展開系數(shù)第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日典型例題例題1、特征值問題特征函數(shù)正交性完備性第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日例題2、特征值問題特征值和征函數(shù)正交性完備性第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、拉普拉斯算符的形式二維三維直角坐標極柱坐標球坐標第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日極坐標下拉普拉斯算符形式的推導極坐標下的形式直角坐標下的形式坐標變換關系微分變換關系第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日三、二維區(qū)域上波動方程的分離變量法例：設邊界固定,均勻且柔軟的矩形膜,其長為,寬為，作微小橫振動,初始位移為,初始速度為.求此膜作自由振動的規(guī)律。設為膜的位移,則上述物理問題可歸結為求解下列定解問題：第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日解：設

代入方程得：第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日其中為分離常數(shù),記.從而得到關于

的常微分方程由邊界條件,得

因此得特征值問題第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日求得特征值和對應的特征函數(shù)為類似地,我們得到

以及關于的特征值問題其特征值和對應的特征函數(shù)為第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日記其通解為于是得到利用疊加原理,得到原定解問題的形式解，代入關于T的方程，得：第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日其中系數(shù)下面,我們利用初始條件確定系數(shù)

因為

由三角函數(shù)在矩形區(qū)域上的正交性,得其中第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日四、拉普拉斯方程定解問題分離變量法例：設一半徑為的薄圓盤,上下兩面絕緣,圓周溫度分布已知.求穩(wěn)恒狀態(tài)下圓盤內(nèi)的溫度分布.解：求溫度分布規(guī)律,就是解下列邊值問題由于區(qū)域為圓域,不能直接分離變量。

（*）第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日我們考慮作極坐標變換,則邊值問題可化為由于圓盤內(nèi)溫度不可能為無限,特別圓盤中心溫度也一定有限,所以有自然條件又因為在極坐標中,與表示同一點,故其中有周期條件第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日設代到定解問題的方程中，得因此有于是得到兩個特征值問題由自然條件和邊界條件得和（1）（2）第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日當時,只有零解;當時,有非零解

，先求解第一個特征值問題當時,特征值問題(1)中方程的通解為

由周期性條件

得故得特征值和對應的特征函數(shù)第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日下面求解第二個特征值問題第二個特征值問題中的方程是歐拉方程,

當時,其通解為當時,其通解為

由的有界性,推得

所以于是得到滿足邊值問題中方程與自然條件和周期條件的一列非零解

第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日其中

根據(jù)疊加原理,可設滿足定解問題(*)中方程的形式解為代入(*)中的邊界條件,得上式可以看作在上的傅里葉展開式,所以第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日為了應用上的方便,通常需要把解表示成積分形式

其中

上述公式稱為圓域內(nèi)的泊松公式.它的作用在于將解表成了積分形式,便于從理論上進行研究.

函數(shù)稱為泊松核

（**）第二十一頁，共二十