积分变换

积分变换、数学物理方程与特殊函数

经过十二周的学习，我们学到了很多知识，这与以后的学习和工作打下了基础，老师讲解十分认真，讲课效果很好。由于现在还处于理论的学习阶段，无法将学到的这些内容应用到实际问题中，但我相信，在以后的实验和实际问题中肯定能发挥相当大的作用。这门课是数学的更深一个层次，与高等数学的关系密不可分。下面就我学习的状况谈一下我对这门课的认识。

首先学习的是《积分变换》的内容，我们主要学习了Fourier 变换、逆变换及其应用。Fourier 积分变换相对于后面学到的《数学物理方程》偏重于理论，其中与多种函数和理论密切相关，Fourier 变换中经常用到欧拉公式。

复数形式的欧拉公式：

⎪⎩

⎪⎨⎧-=+=-=+=

---x i x e x i e i

e e n w t e e n w t ix ix inwt

inwt inwt inwt sin cos ,sin cos 2sin ,2cos 其中有三个基本函数，在学习《积分变换》时经常用到； 1.单位阶跃函数：

⎩⎨

⎧<>=0

,00,1)(t t t u

可以用阶跃函数吧分段函数表达出来。 2.矩形脉冲函数：

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧><=2,02

,τττ

t t E t P ）（ 3.δ函数：

⎩

⎨⎧≠=∞+=0,00

,)(x x x δ 表示密度分布的极限。

δ函数具有筛选性质：

)0()()(-f dx x f x =⎰

+∞

∞

δ

其一般形式为：)()()(0-0x f dx x f x x =-⎰+∞∞

δ

同时还学习了卷积定理：假定)(1t f ，)(2t f 都是满足Fourier 积分定理中的条件，且[])()(11w F t f =℘，[])()(22w F t f =℘，则

[][]⎩⎨⎧*=⋅℘⋅=*℘-)

()()()()()()()(21211

2121t f t f w F w F w F w F t f t f

卷积并不容易算出，但卷积定理提供了卷积计算的简便方法，即化卷积运算为乘积运算，使卷积在线性系统分析中成为特别有用的方法，即又用到高等数学中求常函数的方法。

Laplace 变换与Fourier 变换的内容方法几乎相同，由于Fourier 变换存在的条件过于严格，首先要求绝对可积，使得很多函数不能应用Fourier 变换。Laplace 变换相对于Fourier 变换所需条件相对较弱。

Laplace 变换存在定理：若函数)(t f 满足下列条件：

⎪⎩

⎪

⎨⎧∞<≤≤>>+∞→≥成立，及数指数函数，亦即存在常的增长速度不超过某一时，当连续的任一有限区间上分段在t Me t f c M t f t t ct 0,)(.00)(.20.1 比较Fourier 变换与Laplace 变换：

Laplace 变换是将时域信号转变到“复数域”与Fourier 变换的“频域”有所区别。[]⎰+∞

∞--=℘dt e t f t f jwt )()(，[]⎰

+∞-=0

)()(dt e t f t f st 积分区间有差别，实际应用

中，通常只做单边Laplace 变换。

在Laplace 积分变换中，所乘因子为jwt e -，此处jwt -显然为绝对虚数，而Laplace 变换中，所乘因子为st e -，其中st -为一复数，这样就能将许多无法作Laplace 变换的函数做域变换。

《数学物理方程》偏重于实用，把理论与实际应用相结合，根据其初始条件，对实际问题建立一个模型，即数学物理方程，再对该方程求解，进而求得实际问题的解决方法，在《数学物理方程》共学了四种求解数学物理方程的方法： 1.分离变量法 2.行波法 3.积分变换法 4.格林函数法。

比较这四种方法：各种方法应用范围不一样，分离变量法与积分变换法有一个共同特点：都是将偏微分方程化成常微分方程，只不过化成常微分方程的方法不同，分离变量法是直接求特解得一种方法，适用于大量的各种各样的有界问题，因而是一个比较普遍的方法，而对于无界区域或半无界区域的问题，用积分变换法比较简单，并且在数理方程时不像分离变量法那样区分齐次与非齐次，都是相同步骤，但作积分变换时，要求所出现的函数满足一定的条件；行波法是通过找到一种代换将齐次波动方程化为很容易求解的二阶偏微分方程，从而求出方程的特解，这在整体思路上与求解二阶线性微分方程一致，这就使得行波法有相当大的局限性，所以通常只用它求解波动问题；格林函数法仅依赖于区域而与原定解

问题中的所给边界条件无关，只要求得某个区域的格林函数就能一劳永逸地解决这个区域上的一切边界条件的狄氏问题，对于某些特殊区域，如球、半空间等，格林函数可以用初等方法求得。

《特殊函数》中，是以贝塞尔函数为例讲解的特殊函数，之后的勒让德多项式与贝塞尔函数方法类似。下面是对贝塞尔函数的推导及求解过程的一些理解。

n 阶贝塞尔方程常见的形式：0)()()()(222=-+'+''r F n r r F r r F r ①

其推导过程为亥姆霍兹方程：02222=+∂∂+∂∂V y

V

x V λ 在满足条件02

22==+R y x V

的非

零解，我们引用平面上的极坐标系，将亥姆霍兹方程在条件02

22==+R y x V

写成极

坐标的形式。即用到高数中直角坐标系转换成极坐标系的方法，下面是我的推导过程：

极坐标系与直坐标系转化的关系为： ⎩⎨⎧==θρθ

ρsin cos y x

θ

θθρθθρρsin 1

cos 1⋅

∂∂-⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂V V x V x V x V

θρθρθθθρθθθρθθρθθρρθθρθθρθθρρs i n

1

s i n c o s s i n 1c o s s i n c o s 1c o s 1

s i n 1s i n 1c o s 122222222222⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∂∂+∂∂-⋅∂∂+⋅∂∂∂-⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛⋅∂∂∂-⋅∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂⎪⎭⎫

⎝⎛∂∂∂+∂∂⋅∂⎪

⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂=∂∂V V V V V V V x

x V

x x V x V ②

θρθθρθθρρc o s

1

s i n 1⋅

∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂V V y V y V y V θ

ρθρθθθρθθθρθθρθθρθθρρθθρθθρρcos 1cos sin cos 1sin cos sin 1sin 1cos 1cos 1cos 122222222222⋅⎪

⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂-⋅∂∂∂+⋅⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⋅∂∂-⋅∂∂∂+⋅∂∂=∂∂⋅∂⎪⎪⎭⎫

⎝⎛∂∂∂+∂∂⋅∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂=

∂∂V V V V V V V y

y V

y y V

y V ③

把②式和③式带入亥姆霍兹方程就能得到：