2.7 齐次边界下的非齐次方程|数学物理方法

数学物理方法 · 2.7 齐次边界下的非齐次方程
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数学物理方程篇·第二章 / 2.7

齐次边界下的非齐次方程

教材259—263页

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31 有源项也要展开到同一组空间函数

固定端受迫波动,令

代入并利用投影,得到独立的受迫振子

空间部分不变;非齐次项改变的是时间方程。把直接当成一个常数塞进最终级数,会忽略其空间分布如何激发不同模态。

图 P2-14 外力先按空间投影,每个模态各解一个受迫振子
同一个空间基,把PDE拆成一组互不耦合的ODE空间投影f(t,x) = Σ fₙ(t)Xₙ(x)fₙ=〈f,Xₙ〉ρ / Nₙ初位移、初速度同样投影边界条件包含在Xₙ中模态 1qₙ″ + ωₙ²qₙ = fₙ(t)模态 2qₙ″ + ωₙ²qₙ = fₙ(t)模态 3qₙ″ + ωₙ²qₙ = fₙ(t)时间响应 = 自由振荡 + 过去外力与 sin[ωₙ(t-τ)]/ωₙ 的卷积热方程改成一阶时间ODE;空间投影仍然是同一套。

此图针对线性、齐次边界问题;非零边界应先提升,再把新的源投影。

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32 每个模态用卷积解决,和前面拉普拉斯变换接上

对,由常微分方程或拉普拉斯变换得

最后一项就是零初值受迫响应。第七章的反演成,卷积定理在这里直接派上用场;不必每个模态都重新做部分分式。

热方程、齐次D边界对应

若空间零模态存在,波动核改成,热核改成,仍从相应常微分方程推出。

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33 原书热源例题:两个指数相等时必须取极限

原书例2:,两端零,初温零。因为

有。记,则

最后乘求和。教材为书写方便排除了相等情形;相等不是无解,而是积分给。遇到分母为零,先回到卷积或取极限,别直接宣布公式失效就无解。

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34 外力频率碰到固有频率:共振怎样进入答案

若一个零初值模态满足,则

时,应改为,振幅随时间线性增大。它依然是线性方程的解,不代表可以把小振幅物理假设无限期使用。

图 P2-15 驱动频率等于固有频率时,振幅出现随时间增长的包络
零初值振子:q″+q=cos(Ωt)Ω=1.7:非共振Ω=1:共振左:有界振荡;右:q=(t/2)sin t,包络为±t/2。两面板纵向比例不同,仅对比时间形态;共振式由极限或ODE求得。

分母ω²-Ω²为零时,回到时间方程求共振响应;无阻尼模型中振幅可持续增长。

本节是对教材非齐次模态法的必要补充:教材有时预先声明频率不相等,实际做题要自己检查这个限制。第一轮至少会识别共振并回到时间方程,不能保留零分母。

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35 时间无关的源:先求稳态特解往往更快

对或,且两端齐次,可以先求满足相同边界的静态解:热问题,波动问题。令后,的方程和边界齐次,初位移或初温改为原数据减。

例如,两端零,热稳态。初温为零时;不是零。长期。

齐次边界很关键:如果只是方程特解,却不满足边界,则还要同步改边界。选择特解是为简化整体定解问题,不能只盯着方程一项。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本数学物理方程篇·第二章整理;正文印刷页237—268上部,章末习题268—271。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。数学物理方程篇·第二章含28道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月22日。