数学物理方程篇·第三章 / 3.4
贝塞尔特征问题与傅里叶—贝塞尔展开
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16 正交积分的权r来自径向算子
径向问题写成
所以权为。原点取有界或正则分支,外圆给相同的自伴边界;不同特征值的函数满足
这也符合圆盘面积元:外侧同样宽度的一圈比内侧面积更大。把系数积分写成会投影到错误的内积。
图 P3-8 同样宽的外圈面积更大,径向投影要乘r两条加粗圆环示意相同径向宽度;颜色强调外圈面积比内圈大。
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17 模平方先给统一式,再按边界简化
对,积分恒等式为
若D边界,由得到。
若N边界且,则。
若Robin边界,则
教材把模写作,模平方写;这里直接用表示积分本身,分母不要再平方一次。零模态另算,不套含的式子。
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18 三种外圆边界选不同的根,正性要看条件
| 外圆边界 |
根方程 |
需要注意 |
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取正零点 |
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另有常数零模态 |
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导数前的不可漏 |
物理散热时,可用上一章能量式判断非负性;的圆盘没有常数零模态。教材更一般的若系数任意,不能不检查就断言特征值全为正。负谱情形可能需要修正贝塞尔函数,基础物理散热题先按题设排除。
图 P3-9 D、N、Robin边界对应不同根与模平方对N边界,只写J₁正根会漏掉k=0常数模态;k=0不应代入含1/k的正模态公式。
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19 系数通式:函数阶数、区间、边界、权四项缺一不可
若构成所选边界下的系统,则
若D边界,就用上节D模平方。N边界时,常数模态系数是,其余按正根展开。
逐段光滑初始数据通常可在适当意义下展开;内部跳跃点恢复左右平均。D基函数在外端每项都为零,不能声称它在时还逐点等于该非零端值。热问题可在立即满足边界,初边界角点需另说相容性。
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20 原书例1:1减r平方的系数为什么含三次零点
单位圆D边界,记,展开。分子
第一步用分部积分;第二步用,因为。分母,故
不要从“系数按三次幂”就忽略的大小和符号。实际算前几项时,分母的贝塞尔值同样要算。
图 P3-10 径向抛物线由J0的离散径向模态拼成当前保留1个径向模态;每一项都在r=1为零、在原点有界。