数学物理方程篇·第一章 / 1.9
原书习题路线与公式速查
教材234—236页
1.9 · 教材234—236页
38 原书1—6题:代入验证与通解
| 原书题号 |
主线 |
关键一步 |
| 1(1) |
二维径向调和 |
|
| 1(2) |
三维径向Helmholtz |
,令 |
| 2 |
两个不同方向函数叠加 |
链式法则、算子因式分解 |
| 3 |
高斯解与极限 |
求对数导数,注意只在讨论该点态极限 |
| 4 |
共振型特解 |
代,不要只试指数本身 |
| 5 |
的不变量 |
与都是 |
| 6 |
偏积分、常微分视角、减特解 |
其他变量作为参数,保留任意函数 |
1(1)得到,适用;若要求在原点有界,则。1(2)令后有,故
若要求原点正则,通常需,并用延拓。
原书2的方程可写为,分别验证每一项即可。原书4代入得到,所以。
原书6(1)把视为参数,得;6(2),令,得,所以。
6(3),可取时间无关特解,再加左右行波。这里,分母不能取0。
1.9 · 教材234—236页
39 原书7—8题:把物理条件写全
原书7三种热杆情况都从、开始,再补端点:
- 左绝热右恒温:。
- 两端分别以流入:。
- 左给温、右与环境换热:,。
原书8是长度的两端固定弦,中点被拉起高度后从静止释放。初位移是
再写、、。本题只要求建模,不必提前求全时刻振型级数。折角意味着需要分段或广义解解释,模型本身仍有用。
1.9 · 教材234—236页
40 原书9—12题:降维边值特解特征线与延拓
9(1),直接积分得。
9(2)球对称波动令,变成;为了在正则,。把、作奇延拓到负轴,再用一维达朗贝尔公式,最后除,取适当极限。球面面积造成的衰减,正是这个换元的意义。
9(3)单位球面上给。注意点在球外,函数
在球内调和;球面上,分母平方就是。找到合适球外点源,便得满足条件的解;唯一性可用调和函数的Dirichlet唯一性结论确认。
星号9(4)是沿给、给的Goursat问题。本题,把代入两条线,得到
每条特征线只留下一个变化的函数项,交点值被算了两次,故要减去一次。它和在同时给位移、速度的Cauchy问题不同。
原书10是输运方程。沿求全导数,积分得
星号11利用初值奇偶性:两份初值都奇,则解关于仍奇,;都偶则解偶,光滑时。
星号12固定半直线、初位移、初速度。两者本来都可奇延拓,公式直接给
检验边界、两条初值和波动方程。这里初速度在无穷远增长,并不妨碍每个有限依赖区间上的公式有意义;也不要把它误当有限弦两端固定题。
图 P1-16 奇延拓对应固定端,偶延拓对应零斜率端奇延拓适配固定端;若要求初始角点连续,初位移在原点也应为0。
1.9 · 教材234—236页
41 一张表决定先写什么、再算什么
| 题目信号 |
第一动作 |
必查事项 |
| 判断方程 |
找最高偏导、看未知量是否线性 |
时间阶数另看 |
| 微元建模 |
受力或守恒 |
密度、热容量和源项单位 |
| 定解问题 |
PDE+区域+全部条件 |
初值数量与端点法向 |
| 给定热流 |
先写 |
“流入”还是“流出” |
| 固定或绝热 |
位移/温度值,或法向导数 |
绝热不等于零温 |
| 全直线自由波 |
达朗贝尔公式 |
两项初值分开 |
| 非齐次源 |
减特解或杜阿梅尔积分 |
条件也随拆分改变 |
| 无穷叠加 |
先检查是否可交换求导 |
收敛与正则性 |
这一章的建模题写完后,逐句划掉题目中的已知条件,确保每一句都在模型里有位置。解题完成后,至少验PDE、初值、边界三项。若数据有折角或突变,再说明采用分段或广义解的解释。