《偏微分方程》第2章 一阶拟线性方程
一阶拟线性偏微分方程
天津商业大学一阶拟线性偏微分方程在物理中的应用及初值问题求解院系:机械工程学院专业:XX姓名:XXX学号:XXXXX摘要本文首先介绍了一阶拟线性偏微分方程的基本概念,及齐次性的划分,并列举了几种典型拟线性偏微分方程在物理中的应用。
然后,通过讨论一阶拟线性偏微分方程的几何意义得出其求解方法。
最后以齐次连续性方程初值问题的求解为例,介绍了一阶拟线性偏微分方程的基本求解方法。
关键词:一阶拟线性偏微分方程;连续性方程;初值问题;物理意义ABSTRACTIn this paper, we first introduce the basic concepts of first order quasi linear partial differential equations, and the division of homogeneous properties, and the applications of several typical quasi linear partial differential equations in physics. Then, by discussing the geometric meaning of the first order quasi linear partial differential equations, the solving method is obtained. Finally, the solution of the initial value problem of homogeneous continuity equation is solved as an example, and the basic solution of the first order quasi linear partial differential equation is introduced.KEY WORDS:First order quasi linear partial differential equation;Continuity equation;initial value problem;Physical meaning1. 基本概念偏微分方程是指含有未知函数以及未知函数的某些偏导数的等式。
偏微分方程总复习和课后习题答案
一、基本概念
1. 偏微分方程的定义P1 2. 偏微分方程的阶数,线性、拟线性、完全非线性 偏微分方程的定义P10 3. 偏微分方程的适定性P23
二、方程的导出,分类与化简
三、公式的直接应用题
1. 2. 3. 4. 5. 达朗贝尔公式P36 公式P42 傅里叶(逆)变换P106 P110例 4.1.7结论 泊松公式P112
1 1 x at u ( x, t ) ( x at ) ( x at ) ( )d 2 2a x at x a ( t ) 1 t d f ( , )d x a ( t ) 2a 0
1 2 u ( x t ) 3t xt 2
1 1 xa t C f1 ( x at ) ( x at ) ( )d 2 2a x0 2 1 1 xa t C f 2 ( x at ) ( x at ) ( )d 2 2 a x0 2
1 1 xat u [ ( x at ) ( x at )] ( )d 2 2a x a t
1 u ( x t ) x (1 a )t cos x sin at a
2 2 2
1 ( 7)
解:
2
1 22 1 x at x at x u ( x t ) 5 x t a t 2 (e e 2e ) 3 2a
1 ( 6)
解:
2 2u u 2 1 a f ( x , t ), x R ,t 0 2 2 t x u ( x, 0) ( x), u ( x, 0) ( x), x R1. t
1 1 x at u ( x, t ) ( x at ) ( x at ) ( )d 2 2a x at x a ( t ) 1 t d f ( , )d x a ( t ) 2a 0
一阶偏微分方程教程
N (t) 0 p(a,t)da
18
若不考虑死亡,则在时刻 t+t,年龄在[a, a+a] 中的人口数量 p(a, t+t)a,应等于在时刻 t,年龄 在区间[a−t, a+a−t]中的人口数量p(a−t, t)a, 即
p(a,t t) p(a t,t)
因此 p(a, t)应满足
dx
dy du
1 u x y 1 2
首次积分为 u 2 y, 2 u x y y
于是原方程的隐式通解为
u 2y, 2 u x y y 0
其中 为任意二元连续可微函数。
16
例5. 求解hy问题
u
u x
xz u y
xy u z
0
u yy0 f (x, z)
11
解:特征方程组为 dx dy dz yz xz xy
首次积分为 x2 y2, x2 z2
于是原方程的通解为 u x2 y2, x2 z2 ,其中
为任意二元连续可微函数。
研究的数据包括50根圆柱组织样本中每一根所含 药物的测量值(见表1、表2及图1)。每一圆柱的长度 为0.76mm,直径为0.66mm。这些平行圆柱的中心 位于1mm×0.76mm×1mm的网格点上。因此,圆
a 0, t 0
p(a,
0)
p0 (a),
a0
(4)
p(0,
t
)
(a,t, N (t)) p(a,t)da,
0
t 0
N (t) 0 p(a,t)da, t 0
1.3一阶线性偏微分方程的通解法
1.3 一阶线性偏微分方程的通解法1.3.1 (3),1.3.2 (3),1.3.3(2)通解法:对某些偏微分方程,通过积分先求出通解,再由定解条件定出特解的解法。
1.3.1 两个自变量的一阶线性偏微分方程(,)(,)(,)(,)0.1(,),(,),(,),(,)D (,),(,)u ua x yb x yc x y u f x y x y a x y b x y c x y f x y a x y b x y ∂∂++=∂∂()其中,为平面区域上的连续函数,且不同时为0.1D (,)0,(,)0,(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)=exp -exp ()0.3(,)(,)(,)()a x y b x y u c x y f x y u y b x y b x y x c x y c x y f x y u x y dy dy dy g x b x y b x y b x y g x C ≡≠∂+=∂⎡⎤⎛⎞⎛⎞+⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦∫∫∫若在上,则(0.2)可看做含参数的常微,其通解.(其中,为任意函数。
)D (,)(,)0,=,)(,)(,)(,)0(,)a x y b x y x y x y xyJ x y xyξϕηψϕϕϕψϕψψψ≠⎧⎨=⎩∂∂∂∂∂==≠∂∂∂∂∂若在上,则方程(0.2)不能直接积分求解。
试作变量代换((0.4)要求其雅可比行列式(保证新变量的独立性)利用链式法则++(,)=((,,(,)(,.=,)(,)(,)=0u u u u u ux x x y y y u x y u u x y u u u a b a b cu f xy x y x y a x y b x y x y ϕψϕψξηξηξηξηξηϕϕψψξηξϕϕϕ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂==∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=⎛⎞⎛⎞∂∂∂∂∂∂++++=⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠∂∂+∂∂,的方程(0.1)变成)))的新方程(0.5)若取(是一阶齐次线性偏微分方程(0.6)的解,则新(,(,)u a b cu f xy u u ψψηηξη⎛⎞∂∂∂++=⎜⎟∂∂∂⎝⎠方程(0.5)成为(0.2)型的方程,(0.7)对积分即可求出其通解),代回原自变量即得通解。
偏微分方程简明教程
参考书: • F. John, Partial Differential Equations, Springer-Verlag, 1982. • 谷超豪,李大潜等人,《数学物理方程》,高教出版社,2002年。 • 姜礼尚,孔德兴等人,《应用偏微分方程》,高教出版社,2008年。
P::D::E::称::为:::线:::性::的:: ,如果它关于未知函数u及其所有的偏导数是线性的,并且其系数 仅依赖于自变量x, y, · · · ;
m阶PDE称 为 拟 线 性 的 , :::::::::::::::::::::::::::: 如 果 它 关 于 未 知 函 数u的m阶 偏 导 数 是 线 性 的 , 并 且 其m阶偏导数的系数仅依赖于x, y, · · · 以及未知函数u的阶数低于m的偏导数;
♣
线性: 例如弦的小振幅振动等;
非线性: 例如湍流等。
§ 2. 例子
PDEs出现在数学、物理学以及工程技术中的各个分支。在许多场合,有一个自变量
代表时间,通常用t表示,而其余的自变量记为(x1, x2, · · · , xn)(特别地,当n = 3时, 则记为x, y, z),表示n维空间中的位置。
=
n i=1
∂2u ∂x2i
=
0.
(2)
它的解u称为势:::函::数:: 或:调::和:::函::数:::(harmonic function)。
♣ 特别地,当n = 2时,记x1 = x, x2 = y,可以证明存在一个“共轭”调和函
数v(x, y)使得u和v一起满足下述Cauchy-Riemann一阶方程组
1
绪言
§ 1. 基本概念
偏微分方程数值解
偏微分方程:《偏微分方程》共分八章:第一章为绪论;第二、三章分别介绍了一阶方程、具有两个自变量的二阶方程的基本知识;第四、五、六章分别介绍了三类基本方程:波动方程、热传导方程和Laplace方程的定解问题的适定性、求解方法及解的性质;第七章主要介绍了一阶拟线性双曲守恒律方程组的一些基本知识;第八章介绍了Cauehy-Kovalevskaya定理。
另有两个附录:Fourier反演公式;Li-Yau估计。
《偏微分方程》不仅把注意力集中在传统的偏微分方程基础知识上,而且还有目的地介绍一些当代数学知识,譬如在几何分析中具有重要作用的Li-Yau估计和Hamack不等式等。
《偏微分方程》的另一特点是,除在每节后面为读者准备了一些习题之外,还在一些章节后面为读者准备了一些思考题和“开放问题(open problem)”。
这些问题具有一定的启发性,对提高学生对本门课程的学习兴趣有很大帮助。
偏微分方程数值解:通过数值计算方法,在计算机上对偏微分方程的近似求解。
科学和工程中的大多数实际问题都归结为偏微分方程的定解问题,由于很难求得这些定解问题的解析解(在经典意义下甚至没有解),人们转向求解它们的数值近似解。
简介:通过数值计算方法,在计算机上对偏微分方程的近似求解。
科学和工程中的大多数实际问题都归结为偏微分方程的定解问题,由于很难求得这些定解问题的解析解(在经典意义下甚至没有解),人们转向求解它们的数值近似解。
通常先对问题的求解区域进行网格剖分,然后基于有限元法、有限差分法和有限体积法等数值方法,对原定解问题或其等价形式离散,并归结为一个线性代数方程组,最终在计算机上求得精确解在离散网格点上的近似值。
求解涉及数值方法及其理论分析(稳定性、收敛性、误差估计)、计算机上的实现等一系列问题。
求解效率:求解的效率,一方面依赖计算机运行的速度,另一方面也依赖数值方法或算法,而且这方而更为重要。
自从1946年第一台电子计算问世(运行速度每秒500次乘法),到目前的千万亿次的超级计算机,计算速度得到了飞速发展。
计算流体力学基础_P2_偏微分方程的性质
方法: 独立给定j个方程的边界条件
如果 j>0, 则在左端给定vj的边界条件
如果 j<0, 则在右端给定vj的边界条件
A
j=1 j=2
B
➢特点: 左、右边界总共给定n个边界条件,各自的个数视特征 值的符号确定
➢可推广到一般的双曲型方程组
11
2) 一维Euler方程
U F(U) 0 t x
U (, u, E)T
A F(U) U
u
F(U) u2 p
(E
p)u
1 u, 2 u c, 3 u c
A S1ΛS diag (1,2 ,3 )
对于左边界:
条件
描述
u 0 and u c u 0 and u c
u 0 and u c
超音速入口 亚音速入口 超音速出口
u 0 and u c 亚音速出口
同样适合以推进方法求解slide30442抛物型方程例抛物化粘性流动ns方程中流向导数如下式所列很小可忽略则简化为pns抛物型ns方程不适合存在分离的粘性流动因流向导数的粘性项被忽略了slide31442抛物型方程例非定常热传导假设流体的温度梯度是速度的函数无附加的体积热且内能eckconst一维情况
边界条件设定
给定3个边界条件 给定2个边界条件 无需给定边界条件 给定1个边界条件
12
知识点
5. 椭圆型方程:Laplace方程
2 2 x2 y2 0
降阶:u
, x
v
y
u x v
v y u
0 0
x y
一阶拟线性方程:U x
A
U y
0,U
u v
,
A
0 1
1
2一阶偏微分方程的求解方法
1)
(6.23)
由假设(6.18), f j (x1, x2,, xn) 在某区域 D 内处处不同时为零, 这意
味着上述以 f j (x1, x2,, xn) ( j 1, 2,, n )为变量的线性方程组在区 域 D 内有非零解, 所以其系数行列式在区域 D 内必为零, 即
u x1
(u, u1 ,, un 1 ) (x1, x2,, xn )
(6.20 )
通过这 n 1个独立的首次积分, 我们可以获得偏微分方程(6.17)
的通解结构.
.
例6.6 试求偏微分方程 u u 0 的通解.
x y
解: 作自变量变换
x
y
1 (t 2 1 (t
s) s)
Байду номын сангаас
2
则
u u x u y 1 (u u ) 0 s x s y s 2 x y
6.24
其中 (,) 是任意的二元连续可微函数. 确定某函数关系 0 使得(6.24)满足初始条件 u |z1 xy, 我们有
0 ( x y , 2 y ) xy.
令 x y, 2 y. 解之得
x ( 1)2, y 12.
2
4
故可确定
0 为
0 (
,)
xy
1 (
4
1)2 2.
2
回代通解内可得满足满足初始条件的解:
例6.7 求解偏微分方程
(x y) u (x y) u 0,
x
y
其中 x2 y2 0.
解: 特征方程为
dx dy , xy xy
它有一个首次积分:
x2
y2
arctan y
ex
C.
一阶偏微分方程教程
方程的解:若函数u连续并具有方程所涉及的连续 方程的解:若函数 连续并具有方程所涉及的连续 的各阶偏导数, 的各阶偏导数 , 且该函数代入方程使得方程在某 区域内成为恒等式, 区域内成为恒等式 , 则称该函数为方程在该区域 内的解 古典解) 内的 解 ( 古典解 ) 。 满足某些特定条件的解称为 特解,这些条件称为定解条件 一般情况下, 定解条件。 特解 , 这些条件称为 定解条件 。 一般情况下 , 一 个具有n个自变量的 阶方程的解可以含有 个n-1 个具有 个自变量的m阶方程的解可以含有 个自变量的 阶方程的解可以含有m个 元任意函数,这样的解称为通解。 元任意函数,这样的解称为通解。 通解 定解问题 : 定解条件通常包括 边界条件 和 初始条 定解问题:定解条件通常包括边界条件 边界条件和 两种。含有定解条件的方程求解问题称为定解 件 两种 。 含有定解条件的方程求解问题称为 定解 问题, 包括初值问题( 问题) 问题 , 包括初值问题 ( Cauchy问题 ) 、 边值问 问题 题和混合问题。 题和混合问题。
u u u P ( x, y , z ) + Q ( x, y , z ) + R ( x, y , z ) x y z = f ( x, y, z )u + g ( x, y, z )
为已知函数。 其中 f , g为已知函数。 为已知函数 其特征方程组为
(6)
dx dy dz du = = = P Q R fu + g
12
于是
Φ ( t , s ) = f (± t + y , ± t + y s )
2 0 2 0
从而原Cauchy问题的解为 问题的解为 从而原
u = Φ ( x2 y 2 , x2 z 2 )
偏微分方程简明教程
ρ
∂2ui ∂t2
=
µ∆ui
+
(λ
+
µ)
∂ ∂xi
(divu)
(i = 1, 2, 3)
(7)
描述,其中ui(t, x1, x2, x3)是位移向量u的分量,ρ是密度,而λ, µ是弹性材料的Lame常
数。可以证明,每一个分量ui都满足由两个不同的波动算子所组成的四阶方程
∂2 ∂t2
−
λ
+ ρ
2µ
∆
∂2 ∂t2
2
m:::阶::P::D::E::称::为:::完::全:::非:::线::性:::的::,如果它关于未知函数u的m阶偏导数是非线性的。
♣ 线性,拟线性,完全非线性之间的关系见下图:
线性 (linear)
P DE
非线性
(nonlinear)
拟线性 (quasilinear) 完全非线性 (f ully nonlinear)
(13)
例9. 1 + n维Minkowski空间中的极. 值. 曲面x = x(t, θ) ∈ Rn满足下述二阶拟线性方程
|xθ|2xtt − 2 xt, xθ xtθ + (|xt|2 − 1)xθθ = 0.
(14)
例10. 密度为ρ的二维定态绝热无旋等熵流的速. 度. 势. φ(x, y) (其速度分量为φx, φy)满 足下述二阶拟线性方程
(1.1)
一、解析求解:特征线方法
在(t, x)-平面上,定义特征线族 ::::::::::
dx dt
=
c.
沿着特征线族中的任意一条直线
(1.2)
x − ct = const. ξ,
(1.3)
偏微分方程ppt课件
3
1.1 基本概念
偏微分方程的一般形式
注:F中可以不显含自变量和未知函数,但是, 必须含有未知函数的某个偏导数。 涉及几个未知函数及其偏导数的多个偏微分 方程构成一个偏微分方程组。 注:除非特别说明,一般假设函数u及其在 方程中的各阶偏导数连续。
115
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
116
117
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
118
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
119
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
120
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
121
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
122
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
2.1两个自变量的二阶线性PDE的分类和标准型
95
第三章 波动方程的初值(柯西)问题与行波法
96
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
97
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
98
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
99
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
100
3.1一维波动方程的初值(柯西)问题
130
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2.1两个自变量的二阶线性PDE的分类和标准型
86
2.1两个自变量的二阶线性PDE的分类和标准型
双曲型方程的第一标准形式
87
2.1两个自变量的二阶线性PDE的分类和标准型
双曲型方程的第二标准形式 双曲型方程的第一标准形式和第二标准形式统称为双曲型方程的标准形式
88
2.1两个自变量的二阶线性PDE的分类和标准型
微分方程解法
(a1 ( x1 , " , x n )," , a n ( x1 ," , x n ))
称为方程(1.3)在点 ( x1 ," , x n ) 处的特征方向函数.沿着这个方向的方向导数就 是
∑
i =1
n
n ai ∂u ∂u . ai ⋅ 2 ⋅ 2 1/ 2 ∑ ∂xi ∂xi (a1 + " + a n ) i =1
(2.2)
和
dxi = ai x1 ,", x n , i = 1,", n, dt du = 0 dt
若方程组(2.2)的解为
x1 = x1 (t ),", x n = x n (t ), t ∈ I
则方程(2.1)的全特征为
(2.3)
x1 = x1 (t ),", x n = x n (t ), u (t ) = c, t ∈ I
由此及(1.11)得到
ut ≡ Φ ( x1 (t ), " , x n (t )) , | t − τ |≤ h ,
这就是所要证明的. 在以下的讨论中,我们还要涉及通解的概念.一个一阶偏微分方程的通解我 们将理解为含某些任意元素的解的表达式.当适当选取所含任意元素时,除个别 例外,可以得到方程的任一解.看下面的例子 例 1.1 设自变量是 x, y ,未知函数是 u .则方程
故若 u = u ( xi ," , x n ) 是方程(1.3)的解,则它沿着(1.4)化成了常微分方程:
du = c( x1 (t ),", x n (t ), u ). dt
2
常微分方程组(1.5)称为方程(1.3)的特征方程组其解(1.4)在 ( x1 ,", x n ) 空 间的图象称为方程(1.3)的特征.常微分方程组
2. 一阶偏微分方程
§2 一阶偏微分方程一、 柯西-柯娃列夫斯卡娅定理[一阶偏微分方程的通解] 一阶偏微分方程的一般形式 是0),,,,,,,,(2121=∂∂∂∂∂∂nn x ux u x u u x x x F或()0,,,,,,,211=n n p p p u x x F ,其中()n i x up ii ,,2,1 =∂∂=如解出p 1,可得:p 1 = f (x 1 , x 2 ,…, x n , u , p 2 ,…, p n )当方程的解包含某些“任意元素”(指函数),如果适当选取“任意元素”时,可得方程的任意解(某些“奇异解”除外),则称这样的解为通解.在偏微分方程的研究中,重点在于确定方程在一些附加条件(即定解条件)下的解,而不在于求通解.[一阶方程的柯西问题]()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂=n x x n n x x u p p u x x x f x u,,|,,,,,,,22211011 ϕ 称为柯西问题,式中),,(2n x x ϕ为已知函数,对柯西问题有如下的存在惟一性定理.[柯西-柯娃列夫斯卡娅定理] 设 f ( x 1 , x 2 ,, x n , u , p 2 ,, p n ) 在点 ( x 10 , x 20 ,, x n 0 , u 0 , p 20 ,, p n 0 ) 的某一邻域内解析,而),,(2n x x ϕ在点( x 20 ,, x n 0 ) 的某邻域内解析,则柯西问题在点 ( x 10 ,, x n 0 ) 的某一邻域内存在着惟一的解析解.这个定理应用的局限性较大,因它要求f 及初始条件都是解析函数,一般的定解问题未必能满足这种条件.对高阶方程也有类似定理.二、 一阶线性方程1. 一阶齐次线性方程[特征方程∙特征曲线∙初积分(首次积分)] 给定一阶齐次线性方程()()0,,,,,,211211=∂∂++∂∂n n n n x ux x x a x u x x x a (1)式中a i 为连续可微函数,在所考虑的区域内的每一点不同时为零(下同).方程组在有些书中写作0),,,,,,,,,(121=∂∂∂∂∂∂nn x ux u t u u x x x t F()n i ix x x a tx ,,,d d 21 = ( i = 1,2,, n ) 或()()()n n n n n x x x a x x x x a x x x x a x ,,,d ,,,d ,,,d 2121222111 === (2) 称为一阶齐次线性偏微分方程的特征方程.如果曲线l : x i = x i (t ) ( i =1,2,, n )满足特征方程(2),就称曲线l 为一阶齐次线性方程的特征曲线.如果函数ψ ( x 1 , x 2 ,, x n )在特征曲线),,2,1()(n i t x x i i ==上等于常数,即ψ ( x 1(t ) , x 2(t ) ,, x n (t ) ) = c 就称函数ψ ( x 1, x 2,, x n )为特征方程(2)的初积分(首次积分). [齐次方程的通解]1o 连续可微函数u = ψ ( x 1, x 2,, x n ) 是齐次线性方程(1)的解的充分必要条件是: ψ ( x 1, x 2,, x n )是这个方程的特征方程的初积分.2o 设ψi ( x 1 , x 2 ,, x n ) ( i = 1,2,, n 1-) 是特征方程(2)在区域D 上连续可微而且相互独立的初积分(因此在D 内的每一点,矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂---n n n n n n x x x x x x x x x 121112221212111ψψψψψψψψψ的秩为n 1-) ,则u = ω ( ψ1 ( x 1 , x 2 ,, x n ) ,, ψn -1 ( x 1 , x 2 ,, x n ) ) 是一阶齐次线性方程(1)的通解,其中ω为n 1-个变量的任意连续可微函数. [柯西问题] 考虑方程的柯西问题()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂==∑n x x ni ini x x u x u x x x a ,,|0,,,2121011 ϕ 式中ϕ ( x2 ,, x n )为已知的连续可微函数.设ψi ( x 1 , x 2 ,, x n ) ( i = 1,2,, n 1-) 为特征方程的任意n 1-个相互独立的初积分,引入参变量 i ψ (1,,2,1-=n i ),从方程组()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===--120112201212011,,,,,,,,,n n n n n x x x x x x x x x ψψψψψψ解出x 2 ,, x n 得()()⎪⎩⎪⎨⎧==--12112122,,,,,,n n nn x x ψψψωψψψω 则柯西问题的解为u = ϕ ( ω2 ( ψ1 , ψ2 ,, ψn -1 ) ,, ωn ( ψ1 , ψ2 ,, ψn -1 ) )2.非齐次线性方程它的求解方法与拟线性方程相同.三、 一阶拟线性方程一阶拟线性方程为()()∑==∂∂ni n in i u x x x R x uu x x x a 12121,,,,,,,, 其中a i 及R 为x 1 , x 2 ,, x n , u 的连续可微函数且不同时为零. [一阶拟线性方程的求解和它的特征方程]()()⎪⎩⎪⎨⎧===u x x x R tun i u x x x a t x n n i i,,,,d d ),,2,1(,,,,d d 2121 或()()()ux x R uu x x a x u x x a x n n n n n ,,,d ,,,d ,,,d 11111 === 为原拟线性方程的特征方程.如果曲线l : x i = x i (t ) ( i =1,2,, n ) , u = u (t ) 满足特征方程,则称它为拟线性方程的特征曲线.设 ψi ( x 1 ,, x n ,u ) ( i = 1,2,, n ) 为特征方程的n 个相互独立的初积分,那末对于任何连续可微函数ω,ω ( ψ1 ( x 1,, x n , u ) , ψ2 ( x 1,, x n , u ) ,, ψn ( x 1,, x n , u ) ) = 0 都是拟线性方程的隐式解.[柯西问题] 考虑方程的柯西问题()()()⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂==∑n x x ni n i ni x x u u x x x R x u u x x x a ,,|,,,,,,,,212121011 ϕ ϕ为已知的连续可微函数.设 ψ1 ( x 1 , x 2 ,, x n , u ) ,, ψn ( x 1 , x 2 ,, x n , u ) 为特征方程的n 个相互独立的初积分,引入参变量 n ψψψ,,,21 , 从()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===nn n n n u x x x u x x x u x x x ψψψψψψ,,,,,,,,,,,,2012201212011解出 x 2 ,, x n , u()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===n n n n n u x x ψψψωψψψωψψψω,,,,,,,,,21212122 则由()()()()()()()0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2121221221121=-≡n n n n n n u x x x u x x x u x x x V ψψψωψψψωϕψψω给出柯西问题的隐式解.四、 一阶非线性方程[完全解·通解·奇异解] 一阶非线性方程的一般形式为()()n i x u p p p p u x x x F ii n n ,,2,10,,,,,,,,2121 =∂∂==若一阶偏微分方程的解包含任意n 个独立的常数,则称这样的解为完全解(全积分). 若V ( x 1, x 2 ,, x n , u , c 1 , c 2,, c n ) = 0为方程的完全解,从()n i c VV i ,,2,10,0 ==∂∂= 消去c i ,若得一个解,则称它为方程的奇异解(奇积分).以两个独立变量为例说明完全解与通解、奇异解的关系,设方程()yzq x z p q p z y x F ∂∂=∂∂==,,0,,,,有完全解V (x ,y ,z ,a ,b )=0 ( a ,b 为任意常数),则方程等价于从方程组()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂=∂∂+∂∂=0,00,,,,q z Vy V p z V x V b a z y x V 消去a ,b 所得的方程.利用常数变易法把a ,b 看作x , y 的函数,将V (x ,y ,z ,a ,b )=0求关于x , y 的偏导数,得00=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂+∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂+∂∂ybb V y a a V q z V y V xbb V x a a V p z V x V那末0,0=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂y b b V y a a V x b b V x a a V 与V=0联立可确定a ,b .有三种情况:1︒ 0≡∂∂≡∂∂bV a V ,将其与V (x ,y ,z ,a ,b )=0联立可确定不含任意常数的奇异解.2︒ 如0=∂∂=∂∂=∂∂=∂∂y bx b y a x a ,即回到完全解.3︒ 当0/,0/≡∂∂≡∂∂b V a V 时,必有()()0,,=∂∂y x b a ,这时,如果不属于情形2︒ ,则a 与b 存在函数关系:b=ω(a ),这里ω为任意可微函数,并从方程V (x ,y ,z ,a ,b )=0和()∂∂∂∂ωV a Vba +'=0消去a ,b ,可确定方程的通解.定理 偏微分方程的任何解包含在完全解内或通解内或奇异解内. [特征方程·特征带·特征曲线·初积分] 在一阶非线性方程:()F x x x u p p p n n 12120,,,,,,,, =中,设F 对所有变量的二阶偏导数存在且连续,称()n i uF p x F t p p Fp t u p F t x i i i ni ii i i ,,2,1)(d d d d ,1 =∂∂+∂∂-=∂∂=∂∂=∂∂∑=或up x p up x p p Fp up x p xp x n n n ni iinn ∂+∂-==∂+∂-=∂∂=∂==∂=∂∑=d d d d d d 11112211为非线性方程的特征方程.设特征方程的解为x i =x i (t ), u=u (t ), p i =p i (t ) (i =1,2,…,n )称它为非线性方程的特征带.在x 1,x 2,, x n ,u 空间的曲线x i =x i (t ), u=u (t ) (i=1,2,…,n )称为非线性方程的特征曲线.如果函数()n n p p p u x x x G ,,,,,,,,2121 在特征方程的任一解x i =x i (t ) (i =1,2,, n ), u=u (t ), p i =p i (t ) (i =1,2,, n )上等于常数,即()()()()()()()()G x t x t x t u t p t p t p t C n n 1212,,,,,,,, =那末函数()n n p p p u x x x G ,,,,,,,,2121 称为特征方程的初积分.[求完全解的拉格朗日-恰比方法] 考虑两个变量的情况.对于方程F (x ,y ,z ,p ,q )=0,选择使雅可比式()()0,,≠∂∂q p G F 的一个初积分G (x ,y ,z ,p ,q ).解方程组 ()()F x y z p q G x y z p q a ,,,,,,,,==⎧⎨⎪⎩⎪0(a 为任意常数) 得p (x ,y ,z ,a )及q (x ,y ,z ,a ).则方程d z=p d x+q d y的通解V (x ,y ,z ,a ,b )=0(b 是积分d z=p d x+q d y 出现的任意常数)就是方程F (x ,y ,z ,p ,q )=0的完全解. 例 求方程()z p q x y 22222+=+的完全解.解 方程的特征方程为()()()qy x z y qp q p z x p q p z z q z y p z x 22222222222d 22d 2d 2d 2d +-=+-=+== 这里成立zpxx p z z p d d d =+ 所以特征方程的一个初积分为z 2p 2 -x 2 .解方程组 ()()z p q x y z p x a22222222+-+=-=⎧⎨⎪⎩⎪ (a 为任意常数) 得 p a x zq y az=+=-22, 积分微分方程得完全解z x x a y y a a x x a y y ab 22222=++-++++-+ln(b 为任意常数)[某些容易求完全解的方程] 1︒ 仅含p ,q 的方程F (p ,q )=0G =p 是特征方程的一个初积分.从F (p ,q )=0与p=a (a 为任意常数)得q=ψ(a ),积分d z=a d x+ψ(a )d y得完全解z=ax+ψ(a )y+b (b 为任意常数)2︒ 不显含x ,y 的方程F (z ,p ,q )=0 特征方程为z Fqqz F p p q F q p F p z q F y p F x ∂∂-=∂∂-=∂∂+∂∂=∂∂=∂∂d d d d d 因此q d p-p d q =0,显然G qp=为一个初积分,由F (z ,p ,q )=0,q=pa (a 为任意常数)解得p=ψ(z ,a ).于是由d z=ψ(z ,a )d x+a ψ(z ,a )d y得()⎰++=b ay x a z z,d ψ (b 为任意常数) 可确定完全解.3︒ 变量分离形式的方程()f x p i i i i n,=∑=10特征方程为nn n ni iiinn n x f p x f p p f p zp f x p f x ∂∂-==∂∂-=∂∂=∂∂==∂∂∑=d d d d d 1111111可取初积分G i =f i (x i ,p i ) , (i =1,2,, n ).从f i (x i ,p i )=a i (i =1,2,, n )解出p i =ϕi (x i ,a i )得完全解()∑⎰=+=ni i i i i b x a x z 1d ,ϕ式中a i ,b 为任意常数,且a i i n=∑=10.[克莱罗方程] 方程()z p x f p p p i i n i n=+=∑121,,,称为克莱罗方程,其完全解为()z c x f c c c i i n i n=+=∑121,,,对c i 微分得x fc i i=-∂∂ (i =1,2,…,n ) 与完全解的表达式联立消去c i 即得奇异解.例 求方程z -xp -yq -pq =0的完全解和奇异解. 解 这是克莱罗方程,它的完全解是z=ax+by+ab对a,b 微分,得x=-b,y=-a ,消去a ,b 得奇异解z=-xy[发甫方程] 方程P (x,y,z )d x+Q (x,y,z )d y+R (x,y,z )d z=0 (1) 称为发甫方程,如果P,Q,R 二次连续可微并满足适当条件,那末方程可积分.如果可积分成一关系式时,则称它为完全可积.1︒ 方程完全可积的充分必要条件 当且仅当P,Q,R 满足条件0)()()(=∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂yP x Q R x R z P Q z Q y R P (2) 时,存在一个积分因子μ(x,y,z ),使d U 1=μ(P d x+Q d y+R d z )从而方程的通解为U 1(x,y,z )=c特别,当0,0,0=∂∂-∂∂=∂∂-∂∂=∂∂-∂∂yPx Q x R z P z Q y R 时,存在一个函数U (x,y,z )满足zUR y U Q x U P ∂∂=∂∂=∂∂=,, 从而 d U=P d x+Q d y+R d z 所以方程的通解为U (x,y,z )=c 所以完全可积的发甫方程的通解是一单参数的曲面族.定理 设对于发甫方程(1)在某区域D 上的完全可积条件(2)成立,则对D 内任一点M (x,y,z )一定有方程的积分曲面通过,而且只有一个这样的积分曲面通过. 2︒ 方程积分曲面的求法设完全可积条件(2)成立.为了构造积分曲面,把z 看成x,y 的函数(设R (x,y,z )≠0),于是原方程化为y RQ x R P z d d d --=由此得方程组()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≡-=∂∂≡-=∂∂4,,3,,11z y x Q R Q y z z y x P R P x z发甫方程(1)与此方程组等价.把方程(3)中的y 看成参变量,积分后得一个含有常数 c 的通解()cy x z ~;,ϕ= 然后用未知函数()~cy 代替常数 c ,将()()z x y c y =ϕ,;~代入方程(4),在完全可积的条件下,可得()~cy 的一个常微分方程,其通解为 ()()~,cy y c =ψ c 为任意常数,代回()()z x y cy =ϕ,;~中即得发甫方程的积分曲面 z=ϕ(x,y,ψ(y,c ))由于发甫方程关于x,y,z 的对称性,在上面的讨论中,也可把x 或y 看成未知函数,得到同样的结果.例 求方程yz d x+2xz d y+xy d z=0的积分曲面族.解 容易验证完全可积条件成立,显然存在一个积分因子μ=1xyz,用它乘原方程得 0d d 2d =++zz y y x x 积分后得积分曲面族xy 2z=c也可把方程化为等价的方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=∂∂-=∂∂y z yz x z xz 2 把y 看成参变量,积分xzx z -=∂∂得通解 zx c= 用未知函数()~cy 代替 c ,将()y c zx ~=代入方程y z y z 2-=∂∂得 ()()yy cy y c ~2d ~d -= 积分后有()~cy c y =2所以原方程的积分曲面族是xy 2z=c五、 一阶线性微分方程组[一阶线性偏微分方程组的一般形式] 两个自变量的一阶线性方程组的形式是()n i F u C x u B t u A i n j j ij n j n j jij j ij ,,2,10111 ==++∂∂+∂∂∑∑∑=== 或()n i f u b x u a t u i n j j ij n j j ij i,,2,1011 ==++∂∂+∂∂∑∑== (1) 其中A ij ,B ij ,C ij ,F i ,a ij ,b ij ,f i 是(x,t )的充分光滑函数.[特征方程·特征方向·特征曲线]⎩⎨⎧=≠==-ji ji txa ij ij ij ,1,0,0)d d det(δδ称为方程组(1)的特征方程.在点(x,t )满足特征方程的方向txd d 称为该点的特征方向.如果一条曲线l ,它上面的每一点的切线方向都和这点的特征方向一致,那末称曲线l 为特征曲线.[狭义双曲型方程与椭圆型方程] 如果区域D 内的每一点都存在n 个不同的实的特征方向,那末称方程组在D 内为狭义双曲型的.如果区域D 内的每一点没有一个实的特征方向,那末称方程组在D 内为椭圆型的. [狭义双曲型方程组的柯西问题] 1︒ 化方程组为标准形式——对角型因为det(a ij -δij λ)=0有n 个不同的实根λ1(x,t ) ,, λn (x,t ),不妨设),(),(),(21t x t x t x n λλλ<<<那末常微分方程()()n i t x txi ,,2,1,d d ==λ的积分曲线l i (i =1,2,…,n )就是方程组(1)的特征曲线. 方程()()aijk ij k i i n-==∑λδλ1的非零解(λk (1) ,, λk (n ))称为对应于特征方向λk 的特征矢量.作变换()()n i u v nj jj i i ,,2,11==∑=λ可将方程组化为标准形式——对角型()()()()n i t x v t x a x v t x t v i nj j ij ii i ,,2,1,,,1=+=∂∂+∂∂∑=βλ 所以狭义双曲型方程组可化为对角型,而一般的线性微分方程组(1)如在区域D 内通过未知函数的实系数可逆线性变换可化为对角型的话,(此时不一定要求 λi 都不相同),就称这样的微分方程组在D 内为双曲型的. 2︒ 对角型方程组的柯西问题 考虑对角型方程组的柯西问题()()()()()()n i x x v t x v t x a x v t x tv i inj i j ij i i i,,2,10,,,,1 =⎪⎩⎪⎨⎧=+=∂∂+∂∂∑=ϕβλϕi (x )是[a,b ]上的连续可微函数.设αij ,βi ,λi 在区域D 内连续可微,在D 内可得相应的积分方程组()()()n i tv x t x v il i n j j ij i i i ,,2,1d ,~1 =⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰∑=βαϕ 式中 l i 为第i 条特征曲线l i 上点(x,t )与点(x i ,0)之间的一段,(x i ,0)为l i与x 轴上[a,b ]的交点.上式可以更确切地写为()()[]()[]()[]()[]⎰∑⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⋅+==t n j i i i j i ij i i i t x x t x x v t x x a t x x t x v 01d ,,,,,,,,,0,,,τττβττττϕ(i =1,2,, n )式中x i =x i (x ︒,t ︒,t )为过点(x ︒,t ︒)的第i 条特征曲线,利用逐次逼近法可解此积分方程.为此令()()()[]()()()()[]()[]()()[]()[]()()()()[]()[]()()[]()[]()n i t x x t x x v t x x a t x x t x v n i t x x t x x v t x x a t x x t x v n i t x x t x v i i tnj i k j i ij i i k ii i tn j i j i ij i i ii i i ,,2,1d ,,,,,,,,,0,,,,,2,1d ,,,,,,,,,0,,,,,2,10,,,}{}{01101010=+⋅+==+⋅+===⎰∑⎰∑=-=τττβττττϕτττβττττϕϕ序列{v i(k )} (k =0,1,2 ,)一致收敛于积分方程的连续可微解v i (x,t ) (i =1,2,, n ),这个v i (x,t )也就是对角型方程组的柯西问题的解.设在区域D 内对角型方程组的柯西问题的解存在,那末解与初值有下面的关系:(i) 依赖区间:过D 中任意点M (x,t )作特征曲线l 1,l n ,交x 轴于B,A ,称区间[A,B ]为M 点的依赖区间(图14.1(a )),解在M 点的值由区间[A,B ]的初值确定而与[A,B ]外的初值无关.(ii) 决定区域:过点A,B 分别作特征曲线l n ,l 1,称l n ,l 1 与区间[A,B ]围成的区域D 1为区间[A,B ]的决定区域(图14.1(b )),在区域D 1中解的值完全由[A,B ]上的初值决定.(iii) 影响区域:过点A,B 分别作特征曲线l 1,l n ,称l 1,l n 与[A,B ]围成的区域D 2为区间[A,B ]的影响区域(图14.1(c )).特别当区间[A,B ]缩为一点A 时,A 点的影响区域为D 3(图14.1(d )).在区域D 2中解的值受[A,B ]上的初值影响,而在区域D 2外的解的值则不受[A,B ]上的初值影响.图14.1[线性双曲型方程组的边值问题] 以下列线性方程组来说明:()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<++=∂∂+∂∂++=∂∂+∂∂2122221111λλλλc v b u a x v t v c v b u a xu t u (1) 1︒ 第一边值问题(广义柯西问题) 设在平面(x,t )上给定曲线段⋂AB ,它处处不与特征方向相切.过A,B 分别引最左和最右的特征曲线l 1及l 2.要求函数u (x,t ),v (x,t )在⋂AB ,l 1及l 2围成的闭区域D 上满足方程组,且在⋂AB 上取给定的函数值(图14.2(a )).2︒ 第二边值问题(古沙问题) 设l 1是过P 点的第一族特征线,l 2是第二族特征线,在l 1的一段PA 上给定v (x,t )的数值,在l 2的一段PB 上给定u (x,t )的数值,过A 点作第二族特征线,过B 点作第一族特征线相交于Q .求在闭区域PAQB 上方程组的解(图14.2(b )).3︒ 第三边值问题 设AB 为非特征曲线的曲线弧,AC 为一特征线弧,且在AB 与AC 之间不存在过A 点的另外特征曲线,过C 点作第二族特征线与过B 点的第一族特征线交于E 点,在AC 上给定v (x,t )的数值,在AB 上给定u (x,t )的数值,求ACEBA 所围成的闭区域D 上的方程组的解(图14.2(c )).图14.2[边值问题的近似解——特征线法] 以上定解问题,可用逐步逼近法求解,也可用特征线法求解的近似值.以第一边值问题为例说明.在曲线AB 上取n 个分点A 1,A 2,, A n ,并记A 为A 0,B 为A n +1,过A 0按A 0的第二特征方向作直线与过A 1按A 1的第一特征方向作直线相交于B 0;过A 1按A 1第二特征方向作直线与过A 2按A 2的第一特征方向作直线相交于B 1,最后得到B n (图14.3).用如下的近似公式来确定方程组(1)的解u (x,t ),v (x,t )在B i (i =0,1,2,…,n )的数值:()()()()()()(){}()[]()()()()()()(){}()[]u B u A B A a A u A b A v A c A A v B v A B A a A u A b A v A c A A i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -=++⨯+-=++⨯+⎧⎨⎪⎩⎪+++++++--11111111112122212121211λλ于是在一个三角形网格的节点上得到u,v 的数值.再经过适当的插值,当n 相当大,A i 、A i +1的距离相当小时,就得到所提问题的足够近似的解.[特殊形式的拟线性方程组——可化约系统] 一般的拟线性方程组的问题比较复杂,目前研究的结果不多,下面介绍一类特殊形式的拟线性方程组——可化约系统.如果方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂0022221111x v D t v C x u B t u A x v D t v C x u B t uA 中所有的系数只是u,v 的函数,称它为可化约系统.考虑满足条件()()0,,≠∂∂t x v u 的方程组的解u=u (x,t ),v=v (x,t ).x,t 可以表示成u,v 的函数,且图14.3()()()()()()()()v u t x u tx vv u t x u x t v v u t x v tx u v u t x v xtu,,,,,,,,,,∂∂∂∂=∂∂∂∂∂∂-=∂∂∂∂∂∂-=∂∂∂∂∂∂=∂∂ 原方程化为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+∂∂-∂∂-∂∂=∂∂+∂∂-∂∂-∂∂0022221111u t D u x C v t B vx A u t D u x C v t B v xA 这是关于自变量u,v 的线性方程组.这样就把求拟线性方程组满足()()0,,≠∂∂tx v u 的解,化为解线性方程组的问题.而此线性方程组满足条件()()0,,≠∂∂v u t x 的解,在(x,t )平面上的象即为原来拟线性方程组的解.。
数学物理方程02_线性偏微分方程的分类【OK】
数学物理方程
i
满足方程(4)
( i ) 2 ( i ) ( i ) ( i ) 2 a11 ( ) 2a12 a22 ( ) 0 x x y y
* * * a11 a22 ia12 0
a a 0, a 0
称(5)的积分曲线为PDE(1)的 特征曲线。
a11 (dy) 2 2a12 dxdy a22 (dx) 2 0
2 a12 a12 a11a22 dy dx a11
(6)
17
数学物理方程
记 ( x, y) a a11a22
2 12
定义
方程(1)在点 M ( x, y ) 处是
的特解,则关系式 ( x, y) C 是常微分方程
(4)
a11 (dy) 2 2a12 dxdy a22 (dx) 2 0
的一般积分。反之亦然。
(5)
由此可知,要求方程(4)的解,只须求出常微分 方程(5)的一般积分。
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数学物理方程
定义
称常微分方程(5)为PDE(1)的 特征方程。
双曲型:若在点M处,有 ( x, y) 0
椭圆型:若在点M处,有 ( x, y) 0 抛物型: 若在点M处,有 ( x, y) 0
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数学物理方程
双曲型PDE
2 ( x, y) a12 a11a22 0
2 a12 a11a22 右端为两相异的 dy 实函数 dx a11 它们的一般积分为 ( x, y) C , ( x, y) C ( x, y ) 由此令 ,方程(1)可改写为 ( x, y ) 2u u u 双曲型方程的 A B Cu 第一标准型
一阶偏微分方程基本知识
一阶偏微分方程基本知识这一章我们来讨论一阶线性偏微分方程和一阶拟线性偏微分方程的解法,因为它们都可以化为常微分方程的首次积分问题,所以我们先来介绍常微分方程的首次积分。
1一阶常微分方程组的首次积分1.1首次积分的定义从第三章我们知道,n 阶常微分方程()()()1,,'',',-=n n y y y x f y , ( 1.1)在变换()1'12,,,,n n y y y y y y -=== ( 1.2)之下,等价于下面的一阶微分方程组()()()1112221212,,,,,,,,,,,,,,.n nn n n dy f x y y y dx dy f x y y y dxdy f x y y y dx⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪⎪⎪=⎪⎩ ( 1.3) 在第三章中,已经介绍过方程组( 1.3)通解的概念和求法。
但是除了常系数线性方程组外,求一般的( 1.3)的解是极其困难的。
然而在某些情况下,可以使用所谓“可积组合”法求通积分,下面先通过例子说明“可积组合”法,然后介绍一阶常微分方程组“首次积分”的概念和性质,以及用首次积分方法来求解方程组( 1.3)的问题。
先看几个例子。
例1 求解微分方程组()()22221,1.d x d y y x x y x y x y d t d t=-+-=--+- ( 1.4) 解:将第一式的两端同乘x ,第二式的两端同乘y ,然后相加,得到 ()()12222-++-=+y x y x dtdyy dt dx x ,()()()222222112d x y x y x y d t+=-++-。
这个微分方程关于变量t 和()22x y +是可以分离,因此不难求得其解为1222221C e y x y x t=+-+, ( 1.5)1C 为积分常数。
( 1.5)叫做( 1.4)的首次积分。
注意首次积分( 1.5)的左端(),,V x y t 作为x ,y ,和t 的函数并不等于常数;从上面的推导可见,当(),()x x t y y t ==时微分方程组( 1.4)的解时,(),,V x y t 才等于常数1C ,这里的常数1C 应随解而异。
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