数理方程定解问题
数理方程定解问题：
1、数理方程的分类
反应热传导的方程类型为：
u t=D?u+f
其中?=e2
ex2+e2
ey2
+e2
ez2
，u t=eu
et
，未知数u表示温度特征，D表示热传导系数，f是与
源有关的已知函数，当f=0的时候，相应的方程被称为齐次方程。
2、用数理方程研究物理问题的步骤
用数理方程研究物理问题一般需经历以下三个步骤
（1）导出或写出定解问题，它包括数理方程和定解条件两部分
（2）求解已导出或写出的定解问题
（3）对求得的答案讨论其适定性（即解是否存在、唯一且稳定）并作适当的物理解释
3、求解数理方程的方法
求解数理方程的方法大致可归纳为如下几种
（1）行波法（d’Alembert解法）
（2）分离变量法
（3）积分变换法
（4）Green函数法
（5）保角变换法
（6）复变函数法
（7）变分法
定解条件
定解条件是确定数理方程解中所含的任意函数或常数，使解具有唯一性的充分必要条件。它分为初始条件和边界条件两种。若所研究的系统是由几种不同介质组成的，则在两种介质的交面上定解条件还应当有衔接条件。
1、初始条件
（1）定义初始条件是物理过程初始状况的数学表达式
（2）初始条件的个数关于时间t的n阶偏微分方程，要给出n个初始条件才能确定一个特解。热传导方程仅需给出一个初始条件
u x，y，z；t|t=0=φ(x，y，z)
2、边界条件
（1）定义物理过程边界状况的数学表达式称为边界条件。
（2）边界条件的种类和个数边界条件分为三类。设f(M，t)为任一已知函数，M为边界上的点，则三类边界条件分别为：
1 第一类边界条件u|
边
=f(M,t)
2 第二类边界条件eu
en |
边
=f(M,t)
3 第三类边界条件[u+heu
en ]
边
=f(M,t)
其中u|
边表示未知函数u在边界面上的值，eu
en
|
边
表示未知函数沿边界外法向的导数在边
界上的值，h为任意常数。
若f=0，泽以上三类边界条件分别称为第一、第二、第三类齐次边界条件，否则称作相应的非齐次边界条件。
除以上三类边界条件以外，由于物理上的合理性的需要，有时还需对方程中的未知函数附加以单值、有限等限制，如
uφ+2π=u(φ)
u|
边
→有限
等。这类附加条件称为自然边界条件。
不管是何类边界条件，类似于初始条件的情况，变量x的二阶偏微分方程要求两个边界条件（一端点一个），而x的四阶偏微分方程要求四个边界条件（一端点两个）。
3、衔接条件
由不同介质组成的系统，在两种不同介质的交界处需要给定两个衔接条件。
更一般来说，若在所研究的区域内出现使泛定方程失去意义的跃变点（线或面），则在定解条件中必须含有跃变点处的衔接条件。
4、三类定解问题
泛定方程与不同类型的定解条件分别构成了如下三种类型的定解问题
（1）初值问题是由泛定方程和初始条件构成的定解问题，又叫Cauchy问题。
（2）边值问题是由泛定方程和边界问题构成的定解问题。
（3）混合问题是由泛定方程、初始条件和边界问题三者构成的定解问题
泛定方程与叠加原理
泛定方程反应广泛性的运动规律，不涉及具体的系统和具体的问题。数理方法中的泛定方程是各种各样的，线性常微分方程、非线性常微分方程。
线性与非线性方程的区别在于线性方程服从叠加原理。我们引入算符的概念。算符就是运算符号。比如
d
，?
+
e
，
e2
2
?a2
e2
2
是微分算符，而
dx，dx dy，dθ
是积分算符。
如果算符L满足
L（au1+bu2）=a L(u1)+b L(u2)
其中a、b为常数，u1、u2是函数，则称L为线性算符。
叠加原理：如果u i（x，y）（i=1，2，3，······）是方程（1）的解
L u i（x，y）=0 （1）
其中L=Ae2
?x +2Be2
?x?y
+Ce2
?y
+De
ex
+Ee
ey
+F，而且级数
u=C i u i（x，y）
∞
i=1（2）
收敛，并且能够逐项微分两次，则式（2）也是方程（1）的解。
叠加原理为求解线性泛定方程的定解问题提供了有力的工具。
定解问题作为一个数学物理模型，是否能准确无误地描述实际过程，需要对结果进一步检验。从数学角度来看，即考查解的适定性，它包括三个方面：
（1）存在性即考查定解问题的解是否存在
（2）唯一性实际问题的解往往是唯一的，但数学解可能不是唯一的，要舍去没有意义的数学解
（3）稳定性考查定解条件或驱动项的微小变化是否导致解的性质的改变如果一个解经不起微扰，或者说在小小的微扰下，解的性质就发生了改变，尽管这个解是存在且唯一的，但没有实际意义。
如果一个定解问题的解是存在的、唯一的、稳定的，则称这个定解问题是适定的。适定性的讨论，对于一个定解问题是十分必要的。
研究生数理方程期末试题-10-11-1-A-答案
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： 玫［I h .丿&」V h .丿& 其中E是圆锥体的杨氏模量，「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ES ，S为x处截面面积。】 ex 【证明】在圆锥体中任取一小段，截面园的半径分别是r1和r2，如图所示。于是，我们有 2、：：u(x dx,t) 2 u(x,t) — 2 u2(x,t) E( D) E( * ) ( A )dx 于 x x t r1 = (h「x)tan : r2= (h _(x dx)) tan : 上式化简后可写成
2 2 ：：U(X,t) 2 :：u(x,t) 2, ；u (x,t) E[(h -x) 卜亠 & -(h -'X) 〔x J - - (h -'X)dx 2 从而有 E ：：[(^x)2；：U(x ,t)H-(^x)2：：u2(x,t) .x :X :t 或成 2 ::[(1「)2汽("]“2(1「)小叩) .x h ：：x h ；：t 其中a^E ，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y=0. x = 0和x = a 则处于冷却介质中，因而保持较低的温度 u o 。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: u|y 卫二 %, u|y 生二 U, 0 x a. 【提示：可以令u(x, y)二u 0 v(x, y)，然后再用分离变量方法求解。】 【解】令u(x, y) v(x, y)，则原定解问题变为 Wl x￡=0, V=0, 0cy 北 京 交 通 大 学 2007-2008学年第二学期《数理方程与特殊函数》期末考试试卷（B ） （参考答案） 学院_ ____________ 专业___________________ 班级________ ____ 学号_______________ 姓名___________ __ 一、 计算题（共80分，每题16分） 1． 求下列定解问题（15分） 2． 用积分变换法及性质，求解半无界弦的自由振动问题：（15分） 3． 设弦的两端固定于0x =及x l =，弦的出示位移如下图所示。初速度为零，又没有外力 作用。求弦做横向振动时的位移(,)u x t 。 [ 解 ] 问题的定解条件是 由初始条件可得 4． 证明在变换, x at x at ξη=-=+下，波动方程xx tt u a u 2=具有形式解0=n u ξ，并由此求 出波动方程的通解。 5． 用分离变量法解下列定解问题 [ 提示：1) 可以直接给出问题的固有函数，不必推导；2) 利用参数变易法。] [ 解 ] 对应齐次方程的定解问题的固有函数是x l n π sin ，其解可以表示成 把原问题中非齐次项t x t x f l a l π π22sin sin ),(=按照固有函数展开成级数 因此有 利用参数变易法，有 于是 6． 用Bessel 函数法求解下面定解问题 [ 解 ] 用分离变量法求解。令)()(),(t T R t u ρρ=，则可得 以及 设0ρβλn n = 为Bessel 函数)(0x J 的正零点，则问题（II ）的特征值和特征函数分别为 问题（I ）的解为 于是原问题的解是 由初始条件 得到 故 于是最后得到原问题的解是 二、 证明题（共2分，每题10分） 7． 证明平面上的Green 公式 其中C 是区域D 的边界曲线，ds 是弧长微分。 [证明] 设),(),,(y x Q y x p 在D+C 上有一阶连续偏导数，n 为C 的外法线方向，其方向余弦为βαcos ,cos ，则有 再设u,v 在D 内有二阶连续偏导数，在D+C 上有一阶连续偏导数，令 得到 交换u,v ，得到 上面第二式减去第一式，得到 证毕。 8． 证明关于Bessel 函数的等式： 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?=>< 2013-2014学年度第二学期数理方程（B ）期末考试试题 考后回忆版本 一、求下列偏微分方程的通解),(y x u u =（16分） （1）y x y x u 22=???（2）xy x u y x u y =??+???2二、求下列固有之问题的解。要求明确指出固有值及其所对应的固有函数（10分） ?????=′+∞<<<=+′+′′.0)2(,)0()20(,022y y x y x y x y x λ三、求第一象限}0,0|),{(2 >>∈=y x R y x D 的第一边值问题的Green 函数。（12分） 四、用积分变换法求解下列方程。（12分）???=>+∞<<<=).21(),0(,)(),0(. 1)1,(,0)0,()0,10(,4x x u x x x u t u t u t x u u t xx tt δ?七、用分离变量法求解下列方程。（15分） ?????=<++=++=++0|)1(,1 222222z y x zz yy xx u z y x z u u u 八、求解下列定解问题。（5分） ?????==>+∞< 《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-? 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 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 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 长沙理工大学考试试卷 ………………………………………………………………………………………………………………… 试卷编号 拟题教研室（或教师）签名 教研室主任签名 ………………………………………………………………………………………………………………… 课程名称（含档次） 数学物理方程与特殊函数 课程代号 专 业 层次（本、专） 本 科 考试方式（开、闭卷） 闭卷 一．判断题：（本题总分25分，每小题5分） 1．二阶线性偏微分方程062242=+++-y x yy xy xx u u u u u 属于椭圆型； （ ） 2．定解问题的适定性包括解的稳定性、解的唯一性和解的存在性； （ ） 3．如果格林函数),(0M M G 已知，且它在Γ+Ω上具有一阶连续偏导数，又若狄利克雷 问题???=Ω∈=?Γ ).,,(|,),,(0z y x f u z y x u 在Γ+Ω上具有一阶连续偏导数的解存在，那么其解可 表示为=)(0M u dS n G z y x f ??Γ??-) ,,(； （ ） 4．设)(x P n 为n 次Legendre 多项式，则0)()(1 1 1050358?-=dx x P x P ； （ ） 5．设)(x J n 为n 阶Bessel 函数，则 [])()(021ax xJ a ax xJ dx d =． （ ） 二．解答题：（本题总分65分） 1．（本小题15分）设有一根长为l 的均匀细杆，它的表面是绝热的，如果它的端点温度为1),0(u t u =，2),(u t l u =，而初始温度为0T ，写出此定解问题． 2．（本小题20分）利用固有函数法求解下面的定解问题 ???????====><<+=. 0),(,0),0(,0)0,(,0)0,(),0,0(cos sin 2t l u t u x u x u t l x l x t A u a u x x t xx tt πω 其中ω,A 是常数． 3．（本小题15分）求出方程xy u u yy xx =+的一个特解． 第 1 页（共 2 页） 2012、11、10、09年电子科技大学研究生数理方程期末试卷 电子科技大学研究生试卷 （考试时间： 14点 至 16 点 ，共 2小时） 课程名称 数理方程与特殊函数 教师 学时60 学分 3 教学方式 闭卷 考核日期 2012年 12 月 28 日 成绩 考核方式： （学生填写） 1．把方程 22222320u u u x x y y ???++=????化为标准型，指出其 类型，求出其通解. (10分) 2. 设定解问题：(10分) 2000(),0,0,,0(),(),0. tt xx x x l t t t u a u f x x l t u A u B t u x u x x l ?ψ====?-=<<>?? ==>??==≤≤?? 将该定解问题化成可直接分离变量求解的问题(不需要求出解的具体形式)。 学 号 姓 学 院 教 座位 ……………………密……………封……………线……………以…………… 第 1页 3． 长为l 的均匀细杆，其侧面与左端保持零度，右端绝热，杆内初始温度分布为()x ?，求杆内温度分布 (,)u x t . (20分) 4．求下面的定解问题：（10分） 22 009,(,0)18,sin 18 t tt xx t t t u u x e x R t u x x u x ==?-=∈>??=++=+??. 第2页 5．求22 cos()a e x d ?τ??+∞-?.（10分） 6． 222 23()(22)(25) s s F s s s s s ++=++++，求Laplace 逆变换1 (())L F s -.（10分） 一． 判断题（每题2分）. 1. 2u u x y x y x ??+=???是非线性偏微分方程.( ) 2. 绝对可积函数一定可做Fourier 积分变化.( ) 3. ()(1) 1.n n F x n Legendre F =是次正交多项式， 则 ( ) 4. (,)0xy f x y =的解是调和函数.( ) 5. **12u u 已知,是线性偏微分方程(,)xx yy u u f x y +=的解，则**12u u -是0u ?= 的解.( ) 二． 填空题（每题2分）. 1. ()sin t xx yy u u u xt -+= 是____________型偏微分方程. 2. 内部无热源的半径为R 的圆形薄板,内部稳态温度分布，当边界上温度为()t φ时，试建立方程的定解问题________________________. 3. 2x 的Legendre 正交多项式的分解形式为__________________. 4.某无界弦做自由振动,此弦的初始位移为()x φ,初始速度为()a x φ-,则弦振动规律为______________________________. 5. []()____________.at m L e t s = 三．求解定解问题（12分） 200sin ; 0,0;0. t xx x x x x l t u a u A t u u u ω===-==== 四．用积分变换方法求解以下微分方程（每题12分，共24分） （1） 001,0,0; 1,1. xy x y u x y u y u ===>>=+= （2） 00230, 1.t t t y y y e y y =='''+-='== 五．某半无界弦的端点是自由的，初始位移为零，初始速度为cos x ，求弦的自由振动规律。（12分） 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 ==?-=∈?∞?≥?? ==?? 数理方程期末试题B答 案 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988） 北 京 交 通 大 学 2007-2008学年第二学期《数理方程与特殊函数》期末考试试卷 （B ） （参考答案） 学院_ ____________ 专业___________________ 班级________ ____ 学号_______________ 姓名___________ __ 一、 计算题（共80分，每题16分） 1． 求下列定解问题（15分） 2． 用积分变换法及性质，求解半无界弦的自由振动问题：（15分） 3．设弦的两端固定于0x =及x l =，弦的出示位移如下图所示。初速度为 零，又没有外力作用。求弦做横向振动时的位移(,)u x t 。 [ 解 ] 问题的定解条件是 由初始条件可得 4． 证明在变换, x at x at ξη=-=+下，波动方程xx tt u a u 2=具有形式解0=n u ξ， 并由此求出波动方程的通解。 5． 用分离变量法解下列定解问题 [ 提示：1) 可以直接给出问题的固有函数，不必推导；2) 利用参数变易法。] [ 解 ] 对应齐次方程的定解问题的固有函数是x l n πsin ，其解可以表示成 把原问题中非齐次项t x t x f l a l π π22sin sin ),(=按照固有函数展开成级数 因此有 利用参数变易法，有 于是 6． 用Bessel 函数法求解下面定解问题 [ 解 ] 用分离变量法求解。令)()(),(t T R t u ρρ=，则可得 以及 设0ρβλn n =为Bessel 函数)(0x J 的正零点，则问题（II ）的特征值和特征函数分别为 问题（I ）的解为 于是原问题的解是 由初始条件 得到 故 于是最后得到原问题的解是 二、 证明题（共2分，每题10分） 7．证明平面上的Green 公式 其中C 是区域D 的边界曲线，ds 是弧长微分。 一、 Mathematical methods for physics 二、 单项选择题（每小题2分） 1．齐次边界条件0),(),0(==t u t u x x π的本征函数是_______。 A) 3,2,1 sin =n nx B) ,2,1,0 cos =n nx C) 2,1,0 )2 1 sin(=+n x n D) 2,1,0 )2 1 cos(=+n x n 2．描述无源空间静电势满足的方程是________。 A) 波动方程 B)热传导方程 C) Poisson 方程 D)Laplace 方程 3．半径为R 的圆形膜，边缘固定，其定解问题是??? ? ? ????====?-??===)(| ),(|0|0),(),(0t 02 22 2ρψρ?ρρρt t R u u u t u a t t u 其解的形式为∑∞ == 1 0)()(),(m m m k J t T t u ρρ，下列哪一个结论是错误的______。 A) )()()()(2 2 2 2t T k a t T dt d t T m m m m -=满足方程 B ）圆形膜固有振动模式是)sin(0t ak m 和)cos(0 t ak m C ）0 m k 是零阶Bessel 函数的第m 个零点。 D ）)()(00ρρm m k J R =满足方程0)(2 202=+'+''R k R R m ρρρ 4．)(5x P 是下列哪一个方程的解_________。 A ）0202)1(2=+'-''-y y x y x B ）0252)1(2=+'-''-y y x y x C ）0302)1(2=+'-''-y y x y x D ）052)1(2=+'-''-y y x y x 5．根据整数阶Bessel 函数的递推公式，下列结论哪一个是正确的________。 A ）)(2)()(120x J x J x J '=- B ）)()()(111x J x x J x xJ '=+ 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 北京交通大学研究生研究生-第一学期《数学物理方程》期末试题（A卷） （参照答案） 学院专业学号姓名 题号一二三四五六七总分分值10 15 15 20 15 15 10 100 得分 阅卷人 1、（10分）试证明：圆锥形枢轴纵振动方程为： 222 2 11 x u x u E x h x h t ρ ?? ??? ???? -=- ?? ? ? ??? ???? ?? ?? 其中E是圆锥体杨氏模量，ρ是质量密度，h是圆锥高（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，截面园半径分别是 1 r和 2 r，如图所示。于是，咱们有 2 222 2112 1 2 (,)(,)(,) ()()()d ()tan ((d))tan u x dx t u x t u x t E r E r r x x x t r h x r h x x ππρπ α α ?+?? -= ??? =- =-+ 上式化简后可写成 22 22 d 2 (,)(,)(,)[()|()|]()d x x x x x u x t u x t u x t E h x h x h x x x x t ρ=+=???---=-??? 从而有 2 222 (,)(,)[()]()u x t u x t E h x h x x x t ρ???-=-??? 或成 22222 (,)(,)[(1)](1)x u x t x u x t a x h x h t ???-=-??? 其中2 E a ρ = ，证明完毕。 2、 （20分）考虑横截面为矩形散热片，它一边y b =处在较高温度U ，其他三边0y =， 0x =和x a =则处在冷却介质中，因而保持较低温度0u 。试求该截面上稳定温度分布 (,)u x y ，即求解如下定解问题： 2222000000,0,0;|,|,0;|,|,0. x x a y y b u u x a y b x y u u u u y b u u u U x a ====???+=<<< 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+-+'+'=' 2014同济大学数理方程期末考试试卷 230)()0xx yy u x y u ++=一、（分） （1判断方程的类型。 3,0()2,0x f x x >?? ?>?? ?==> ? ?=>?? 求解下列半无界问题（直接用公式） ()cos ,0,0(5)(,0)(,0)0,0(0,)0,0tt xx t u u f x t x t u x u x x u t t ωπ-=<<>?? ?==> ? ?=>?? 考虑下列强迫弦振动方程的边值问题：， 上述强迫弦振动问题是否发生共振？若发生共振，给出共振的条件。 cos 0,,0(,0)tan ,t x u t u x t u x x x -?=-∞<<∞>?? ?=-∞<<∞?? 二（10分）、用特征线方法求解下列问题。 22(,)0,01,t 0(,0)(1),01(0,t)(1,t)0,t 0t xx u x y u a u x u x x x x u u ??-=<<> ?=-<< ? ?==>??三（20分）、求的解。 {}222(,,z),inB (),(,,)|1,0,|(,,)B u f x y P B x y z x y z z u x y z ?+++???-?==++<> ? ?=?? 四（15分）、(1)()(2)()B B P Green Green P +?表示的边界。 求问题所对应的函数。 用函数写出问题解的表达式。 20,,0(,0)(),t xx u a u cu x R t u x x x R δ??-+=∈> ?=∈?? 五（15分）、 （提示，先用变量代换化为标准方程再求解） ()(,)(,),0, |(,)xx xy yy u u u c x y u f x y x l u x y ??Ω--++=< 数学物理方法期末考试试题一、单项选择题（每小题2分） 1．齐次边界条件的本征函数是_______。 A) B) C) D) 2．描述无源空间静电势满足的方程是________。 A) 波动方程 B)热传导方程 C) Poisson方程 D)Laplace方程 3．半径为R的圆形膜，边缘固定，其定解问题是 其解的形式为，下列哪一个结论是错误的______。 A) B）圆形膜固有振动模式是和 C）是零阶Bessel函数的第m个零点。 D）满足方程 4．是下列哪一个方程的解_________。 A） B） C） D） 5．根据整数阶Bessel函数的递推公式，下列结论哪一个是正确的________。 A） B） C） D） 二、填空题（每题3分） 1．定解问题 用本征函数发展开求解时，关于T(t)满足的方程是：__________ 2．Legendre多项式的x的值域是____________。 Bessel函数的x的值域是______________________。 3．一圆柱体内的定解问题为 1）则定解问题关于ρ满足的方程是：_____________________________; 相应方程的解为___________________________; 2）关于z满足的方程是_______________________________________; 4．计算积分 5．计算积分 三、（10分）长为的弦，两端固定，初始位移为，初始速度为4x，写出此物理问题的定解问题。 四、（10分）定解问题 ， 若要使边界条件齐次化，，求其辅助函数，并写出相应的定解问题 五、（10分）利用达朗贝尔公式求解一维无界波动问题数理方程期末试题B答案
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