数学物理方法第7章
《数学物理方法》课件第7章
小弦长,与其过点z0的原像曲线在z0处的无穷小弦长之比
的极限,不管曲线的方向如何,都等于|f'(z0)|。换句话说,
一切过z0点的曲线的无穷小弦长都被放大(或缩小)了|f'(z0)|
倍,可知无穷小面积就被放大(或缩小)了|f'(z0)|2倍。这正是
高等数学中定义的面积变换因子雅可比行列式
J
u, x,
k 1
1
2k 13
2k
sin
1 x
cos k
2k
1 at
l
(7.15) 可以验证这个解与用分离变量法得到的结果完全一致。
13
7.2 保角变换法
电学、光学、流体力学和弹性力学中的很多实际问题, 都可以归结为求解平面场的拉普拉斯方程或泊松方程的边 值问题,而这些边值问题中的边界形状通常十分复杂,我 们可以设法先将它转化为简单形状边界的边值问题,然后 求解。本节所介绍的保角变换法就是按照这种思路求解问 题的有效方法。
27
7.2.2 拉普拉斯方程的解
保角变换之所以受人重视,主要是因为拉普拉斯方程 的解在经过一个保角变换后仍然是拉普拉斯方程的解,即:
定理3 在单叶解析函数的变换(保角变换)下,拉普拉 斯方程式仍然变为拉普拉斯方程。
证明 设w=f(z)=u(x,y)+iv(x,y)是一单叶解析函数,
且j(x,y)满足拉普拉斯方程
(7.17)
16
定理1 若f(z)是D上的单值解析函数,且f'(z)≠0(z∈D), 则变换w=f(z)在区域D上构成一一对应的变换(或映射), 并称该变换为D域上的单叶变换,函数w=f(z)为D域上的 单叶解析函数。
下面我们进一步来研究这种单叶变换的特点。图7.1中, 设z平面上的原像曲线C经单叶变换w=f(z)变成w平面上的 变像曲线G;在C上的无穷小弦长为Dz,则在Dz上的变像为 Dw,分别记为
数学物理方法第07章习题
第七章 习题答案7.1-1将Helmholtz 方程0=+∆u u λ在柱坐标系中分离变量。
解:01122222=+∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=+∆u zuu u u u λϕρρρρρλ 设)()()(),,(z Z R z u ϕφρϕρ=代入上面的方程有:0d d d d d d d d 22222=Φ+Φ+Φ+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ΦZ R zZ R RZ R Z λϕρρρρρ 两边同时除以Z R Φ,并移项得:λϕρρρρρ--=ΦΦ+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛22222d d 1d d 1d d d d 1z ZZ R R 上式左边与z 无关,右边与ϕρ,无关,令左右两边都等于μ-,即: 右边为:0)(d d d d 12222=-+⇒-=--Z u zZ zZ z λμλ①而左边有:μϕρρρρρ-=ΦΦ+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛222d d 1d d d d 1R R 两边同时除以2ρ,并移项得:2222d d 1d d d d m R R =ΦΦ-=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ϕμρρρρρ0d d d d 1222222=Φ+Φ⇒=ΦΦ-m mϕϕ②和:22d d d d m R R =+⎪⎪⎭⎫⎝⎛μρρρρρ2222d d d d m R RR =+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+μρρρρρ0d d 1d d 2222=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++R mRR ρμρρρ③Helmholtz 方程在柱坐标系下可分解为①②③三个常微分方程。
7.1-2 将三维热传导方程02=∆-∂∂u a tu 在球坐标系中分离变量。
解:02=∆-∂∂u a t u 在球坐标系中的表示式为:0sin 1sin sin 1122222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂ϕθθθθθu r u r r u r r r a t u设()()()ϕθψϕθ,,,,,⋅=t r R t r u ,代入上述方程有:()0sin sin sin 1,22222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂⋅⋅-∂∂ϕψθθψθθθψϕθψr R r R r R r r r a t R方程两边同时除以22ra R ψ并移项有:222222sin 1sin sin 11ϕψθψθψθθθψ∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-=∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂t RRar r R r r R 左右两边互不相关但相等,只能为常数,设为()1+l l 。
数学物理方法讲义
《数学物理方法》(Methods of MathematicalPhysics)《数学物理方法》是物理类及光电子类本科专业学生必修的重要基础课,是在《高等数学》课程基础上的一门重要的应用数学类课程,为专业课程的深入学习提供所需的数学方法及工具。
课程内容:复变函数(18学时),付氏变换(20学时),数理方程(26学时)第一篇复变函数(38学时)绪论第一章复变函数基本知识4学时第二章复变函数微分4学时第三章复变函数积分4学时第四章幂级数4学时第五章留数定理及应用简介2学时第六章付里叶级数第七章付里叶变换第八章拉普拉斯变换第二篇数学物理方程(26学时)第九章数理方程的预备知识第十章偏微分方程常见形式第十一章偏微分方程的应用绪 论含 义使用数学的物理——(数学)物理 物理学中的数学——(应用)数学Mathematical Physics方 程1=x{222111c y b x a c y b x a =+=+()t a dtdx= ⎰=)(t a xdt常微分方程0222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+x dt x d ω ()C t A x +=ωcos偏微分方程——数学物理方程0222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂z y x ψψψ ()z y x ,,ψψ=12=x()ψψψψψz y x U zy x m h t h i ,,22222222+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂()t z y x ,,,ψψ=复 数1. 数的概念的扩充正整数(自然数) 1,2,…运算规则 +,-,×,÷,()2,- 121-=-负 数 0,-1,-2,…整 数 …,-2,-1,0,1,2,…÷ 5.021= 333.031=有理数(分数) 整数、有限小数、无限循环小数414.12=无理数 无限不循环小数 实 数 有理数、无理数i =-1 虚 数y i复 数 实数、虚数、实数+虚数 yi x y x +,,2. 负数的运算符号12-=xi x ±=i 虚数单位,作为运算符号。
数学物理方法电子教案第七章
第二篇 数学物理方程第七章数学物理定解问题在科学技术和生产实际中常常要求研究某个物理量(电场强度、电势、磁感应强度、声压、杂质浓度)在空间的某个区域的分布情况,以及它们怎样随着时间而变化。
这些问题中的自变数不仅有时间,而且还有空间坐标。
如波动微分方程222221t yu x y ∂∂=∂∂静电势的微分方程(Poisson 方程) 22222222,zy x ∂∂+∂∂+∂∂=∇-=∇其中ερϕ由Maxwell 方程组导出的平面电磁波波动微分方程222222200221,......t B u x B t E x E zz y y ∂∂=∂∂∂∂=∂∂εμ描述微观粒子运动规律的Schrödinger 方程()ϕϕϕr U mt i +∇-=∂∂222 弄清楚物理量在空间的分布规律和在时间中的变化规律,就是物理课程中的物理规律,它是解决物理问题的依据。
物理规律反映的是同一类物理现象的共同规律,即普遍性或共性。
解决具体问题时,还要考虑物理问题的个性。
要考虑所研究区域的边界条件(‘环境’)和初始条件(‘历史’)。
边界条件和初始条件在数学上合称为定解条件。
物理规律用数学的语言‘翻译’出来,就是物理量u 在空间和时间中的变化规律,换句话说,它是物理量u 在各个地点和各个时刻所取的值之间的联系。
物理规律用偏微分方程表达出来,叫做数学物理方程。
数学物理方程,作为同一类物理现象的共性,跟具体条件无关。
数学上叫泛定方程。
在给定的定解条件下求解数学物理方程,就叫做数学物理定解问题或简称为定解问题。
§7.1 数学物理方程的导出(一) 均匀弦的微小横振动有一根完全柔软的均匀弦,沿水平直线绷紧,而后以某种方法激发,使弦在同一平面上振动。
取弦的平衡位置为x 轴,且令端点坐标为x=0与x=l 。
设u(x,t)是坐标为x 的弦上一点在t 时刻的(横向)位移。
在弦上隔离出长为dx 的一小段(弦元)。
弦元足够小,可以把它看成是质点。
数学物理方法课件(北师大版)7
物质。
Q(x)
一、初始条件
• 在初始时刻给定物理量的分布:u(x,t)|t=0=φ(x). 表示t=0 时刻空间所有点的物理量的值是给定的。 • 由于多数运动方程含有对时间的二阶导数,因此我们还需 要知道初始时刻的“速度”分布,即物理量的一阶导数分 布值, ut(x,t)|t=0=ψ(x). • 稳恒状态:当系统的物理量不随时间发生变化,即
• 物理意义:作坐标变换X=x-at, T=t, 则f2(x-at)=f2(X), 与时间无关!故f2(x-at)描述的是沿x正方向以速度a传播 的行波; • 同样, f1(x+at)描述沿x负方向以速度a传播的行波。 • u=f1(x+at)+f2(x-at)描述以速度a向两个方向传播波的叠加。 • 函数f1和f2是由初始条件决定的,决定沿正方向和负方向 传播的波形,即两个波的形状不会发生改变。 • 当两个波发生重叠时,整体的波形将发生改变。 • 注意到坐标变换实际上是伽利略变换。
B. 在一根均匀弦的中间有一个振动源?
C. 在两种不同材料之间的热传导方程及衔接条件?
§7.3 达朗贝尔公式
• 我们已经获得了一些关于连续介质运动的偏微分方程,以 及定解条件,现在的问题是如何求解这些方程。
• 本课程主要介绍级数求解法、积分求解法、积分变换法。
• 对于常微分方程的一般解法,先从方程本身求出通解,通 解中会含有一些积分常数,然后利用附加条件来确定这些 常数。偏微分方程也可以采用这种方法来求解。 • 我们首先介绍一种特殊的通解方法。
1. u1(x0,t)=u2(x0,t) u1t(x0,t)=u2t(x0,t); 2. u1xx(x0,t)-u2xx(x0,t)=(a12+ a22)u1tt(x0,t) ??
数学物理方法课件:7-数学物理定解问题
x
T (ux |xdx ux |x ) (dx)utt 因 dx很小
T
ux
xdx ux dx
x
utt
utt Tu xx (7.1.5)
5
utt Tu xx (7.1.5)
因为B段是任选的,所以方程(7.1.5)适用于弦上各处, 是弦做微小横振动的运动方程,简称弦振动方程。
记
T a2
(a 0)
响 ➢ 将这种影响用数学关系式表达出来,并简化
整理数学物理方程
2
(一)均匀弦的微小横振动
有一个完全柔软的均匀弦,沿水平直线绷紧,而后以某 种方法激发,使弦在同一个平面上作小振动.列出弦的 横振动方程。
假定:
➢弦是理想柔软的横截面方向无应力,张力沿弦切线
➢弦的质量线密度为;
➢静止时弦位于x 轴,横向振动时各点的位移为 u(x,t); ➢弦没有纵向振动,横向振幅是微小的; ➢张力 T>>重力 mg。
x x+dx x A u Bu+du C
t 时刻杆伸长 u(x dx,t) u(x,t)
相对伸长量 u(x dx,t) u(x,t) u(x,t) 随x而异
dx
x
由胡克(Hooke)定律 P(x,t) E u(x,t) x
由牛顿运动定律 Sdxutt P(x dx,t)S P(x,t)S
第七章 数学物理定解问题(5)
1.数学物理方程(又称为泛定方程)
物理量在时空中的变化规律,并把它写成数学形式(偏 微分方程)即为数学物理方程。它反映了同一类物理问题 的共性。
2.定解条件(包括初始条件与边界条件)
对具体的实际问题,我们必须考虑周围环境的影响和 初始状态对具体物理问题演化的影响。它反映了具体物 理问题的个性。
电子课件 [数学物理方法与仿真(第3版)][杨华军][电子教案(PPT版本)]chapter7
的傅里叶积分为傅里叶正弦积分:
f (x) 0 B() sin xd
(7.2.7)
式(7.2.7)满足条件 f (0) 0 .其中 B() 是
f (x) 的傅里叶正弦变换:
B() 2
f (x) sin xdx
0
(7.2.8)
3. 偶函数的傅里叶积分
i kπx
f (x) Cke l
k
(7.1.9)
利用复指数函数族的正交性,可以求出复数形式的傅里叶系数
Ck
1 2l
l
f
(
i
x)[e
kπx l
]*
d
x
1
l
2l
l
i kπx
f (x)[e l ]d x
l
(7.1.10)
式中“*”代表复数的共轭.
上式(7.1.9)的物理意义为一个周期为 2l 的
l
kπx
f (x) cos( ) d x
l
l
bk
1 l
l l
f (x)sin( kπx) d x l
( 7. 1. 4)
其中
k
2 1
(k 0) (k 0)
关于傅里 叶级数的收敛性问题 ,有如下定
理:
狄利克雷(Dirichlet)定理 7.1.1 若函数
f (x) 满足条件:(1)处处连续,或在每个周期内
f (x) F ()eixd
其中
(7.2.13)
F
()
[
[ A() A(| |)
iB()]/ 2, iB(| |)]/ 2,
( 0) ( 0)
将(7.2.4)代入上式可以证明无论对于 0 ,还 是 0 均可以合并为
数学物理方法第七章 (2)
6
0.5
用数理方程研究物理问题的步骤
1、写出定解问题 泛定方程:数理方程(一般规律) 定解条件:初始、边界、衔接条件(个性)
2、求解 求解方法:行波法、分离变量法、积分变换法、格林函数法、保角变 换法、复变函数法、变分法
3 、分析解答
物理意义 适定性:存在 唯一 稳定
7
0.6
学习方法与考核方式
对于数学物理方程部分,注意以下几点: 1、注意考虑物理系统中涉及到的物理定理、定律以及偏微分方程 ; 2、注意研究将偏微分方程转化为常微分方程的方法,或能够利用已有的常 微分方程知识进行求解的方法; 3、注意将解出的结果进行讨论,给予其物理意义的解释。 4、快速多遍,抓大放小,厘清脉络,掌握典型。 组成:平时成绩30%;期终成绩70% 方式:闭卷考试 内容:典型题,有范围。 共同学习,互相促进!
8
第7章 数学物理方程定解问题
7.1数学物理方程的导出 7.2定解条件 7.3数学物理方程的分类 (自学*) 7.4达朗贝尔公式、定解问题
9
本章基本要求、教学内容及重点
基本要求: 1.了解定解问题的提法; 2.了解几种常见的数学物理方程的导出; 3.熟悉几种常见的边界条件和初始条件的表示形式; 4.能对两个自变数的线性偏微分方程进行分类; 5.了解行波法的意义,行波的物理意义,熟练运用达朗贝尔公式。 教学内容: §7.1.数学物理方程的导出。(均匀弦的微小横振动,均匀杆的纵振动,均匀薄膜的微
受迫振动
f ( x, t ) F ( x, t ) /
15
7.1.3波动方程
例:一长为l的均匀柔软轻绳,其一端固定在竖直轴上,绳子以角速度转动, 试推导此绳相对于水平线的横振动方程
dm dx
数学物理方法课件:第7章 数学物理方程定解问题
第七章 数学物理方程定解问题
§7.1 三类数学物理方程的导出 §7.2 定解条件 §7.3 数学物理方程的分类(自学) §7.4 达朗贝公式、定解问题
§7.1 三类数学物理方程的导出
(一)、梯度矢量
i
j
k
x y z
(i
j
k
) (i
j
k
)
x y z x y z
2 x2
2 y 2
2 z 2
令
2 2 2 x2 y2 z2
2 2 2 x2 y2 z2
记
utt
2u t 2
ut
u t
有时记
2
2 x2
2 y 2
u xx
2u x 2
2 2 2 3 x2 y2 z2
(二)、三类数学物理方程的导出
1、弦的横振动
弦的横向位移为 u(x,t)
dm ds T2 cos2 T1 cos1 0
(qx xdx qx x )dydzdt
qx dxdydzdt x
z
dx
y
dz
dy
(x, y, z)
x
x 方向净流入量为
qx dxdydzdt x
(D u )dxdydzdt x x
y 方向净流入量为
(D u )dxdydzdt y y
z 方向净流入量为 (D u )dxdydzdt z z
y
F (x,t)
M2
M1
1
T2
2
T2 sin 2 T1 sin 1 dmutt
T1
x
x+x
x
T2 sin 2 T1 sin 1 dsutt
T2 cos2 T1 cos1 0
数学物理方法第7章
E V
V / 0
2
称为泊松方程
V / 0
2
称为泊松方程 称为 Laplace 方程
若
0
V 0
2
5、稳定浓度分布 对于
ut a u F ( x, y, z, t )
2
稳定浓度分布有
ut 0
和
2
F ( x, y, z, t ) F ( x, y, z )
2
若单位时间内单位体积中产生的粒子数为 F=(x,y,z,t) 与 u 无关
ut a u F ( x, y, z, t )
2
ut a u F ( x, y, z, t )
2
若单位时间内单位体积中产生的粒子数为 b2u
ut a u b u
2 2
ut a u b u 0
z 方向净流入量为
z
(D
) dxdydzdt
z
y
立方体净流入量为
dx dz dy
( x, y , z )
x y z (D u x u y u z ) dxdydzdt
x
(D
) dxdydzdt
如立方体内无源和汇
dt时间内粒子增加数为
(u
t dt
(D
(D
u x
)
y
(D
u y
)
z
(D
u z
)]}dxdydz 0
D=恒量, 令
a2=D
ut a (u xx u yy u zz ) 0
2
ut a u 0
2
一维
ut a u xx 0
2
数学物理方法课件第七章
数学物理方法课件第七章第二篇数学物理方程第七章数学物理定解问题一、数理方程的概念凡包含未知函数及它的偏导数的方程称为偏微分方程。
一般地说,描写连续体运动规律的方程式都是偏微分方程。
这种将物理规律用偏微分方程表达出来,叫作数学物理方程(P135)。
在数学上,数学物理方程本身(不连带定解条件)叫作泛定方程。
偏微分方程所含有最高偏导数的阶数称为该偏微分方程的阶。
在许多物理问题中,遇到的数学物理方程,如波动方程、输运方程、拉普拉斯方程等都是二阶偏微分方程。
二、二阶偏微分方程的分类——P162二个自变数y x ,的二阶偏微分方程的一般形式为G Fu y u E x u D yu C y x u B x u A =+??+??+??++??22222式中系数G B A ,,, 是y x ,的已知函数或常数。
当0=G 时,则方程称为齐次的;当0≠G 时,则方程称为非齐次的。
二阶偏微分方程可按其系数C B A ,,所满足的条件划分为三类: 1、若042>-AC B 双曲型方程(一维波动方程) 2、若042=-AC B 抛物型方程(一维输运方程) 3、若042<-AC B 椭圆型方程(二维拉普拉斯方程)三、定解条件在数学上,我们把描写系统初始状态的表示式叫做初始条件,把描写系统边界状态的表示式叫做边界条件。
因数理方程满足初始条件和边界条件的解是完全确定的,所以将初始条件、边界条件(及连接条件)统称为定解条件。
这样,问题在数学上的完整提法是:在给定的定解条件下,求解数学物理方程。
这叫作数学物理定解问题或简称为定解问题。
——P135衔接条件边界条件初始条件定解条件数学物理方程泛定方程定解问题)(§7.1 数学物理方程的导出数学物理方程的导出步骤如下:——P135一、波动方程 02=-xx tt u a u(一)均匀弦的微小横振动——书P136 1、均匀弦的自由横振动在以下几个条件下推导弦的自由横振动方程:(1)、均匀细弦:弦的线密度ρ为常数;由于是细弦,所以作为一维空间的问题来处理。
数学物理方法第7章拉普拉斯变换-2018-45页
1
(t )
18
(3) 利用位移定理
p L[cos t ] 2 p 2
L[sin t ]
p2 2
L[e t f (t )] f ( p )
p t ] e cos t 2 2 ( p )
L1 [
L1 [
t ] e sin t 2 2 ( p )
例1: RL 电路的方程 L
d j Rj E0 sin t , dt
j (0) 0
Lpj Rj E0
p
2 2
,
E0 1 j L p R / L p2 2
E0 t ( R / L)( t ) E0 ( R / L) t t ( R / L) j(t ) e sin d e e sin d L 0 L 0
(4) 相似定理
1 L[ ( t )] 0 p 1 p L[ f (at )] f ( ) (a>0), a a L[ ( )d ]
t
at y
a<0 ?
f (at )e pt dt ,
0
(5) 位移定理 L[et f (t )] f ( p )
f ( p)
0
f ( t )e pt dt
收敛横标 0 在半平面Re(p)=σ >σ 0
上一定存在,此时上式右端的积分绝对收敛而且一致 收敛,同时在此半平面内,f(p)是解析函数。
在间断点处左右极限都存在的是第一类间断点,包括两种,左右极 限相等是可去间断点,左右极限不等是跳跃间断点,否则为第二类 10 间断点。
Arg( p)
数学物理方法第七章
x dx
相对伸长
u x
x
u x
x
x dx
F
x dx
x
由虎克定律,B两端的 张应力(单位横截面 的力)分别为
u ( x)
u ( x dx)
A
B
C
u u u B段运动方程为 YS ) 2 x dx YS x ( Sdx x x t Y u x x dx u x x utt dx
u(x) u+u u 0 1
F B
T2 受力分析和牛顿运动定律: 2
沿x-方向,不出现平移
T2 cos 2 T1 cos 1 0
T1 x
x+x
( 1)
沿垂直于x-轴方向
T2 sin 2 T1 sin 1 F ( x, t )dx ( dx )utt
在微小振动近似下:
如立方体内无源和汇 dt时间内粒子增加数为
u dxdydzdt (u t dt u t )dxdydz du x , y , z dxdydz t u dxdydz t
u u u ( D )dxdydz ( D )dxdydz ( D )dxdydz x x y y z z u u u u { [ ( D ) ( D ) ( D )]}dxdydz 0 t x x y y z z
7.1 数学物理方程的导出
步骤:
1、明确要研究的物理量是什么?
从所研究的系统中划出任一微元,分析邻近部 分与它的相互作用。 2、研究物理量遵循哪些物理规律? 3、按物理定律写出数理方程(泛定方程)。
波动方程的导出
(一)均匀弦微小横振动方程 设:均匀柔软的细弦沿x轴绷紧,在平衡位置附
数学物理方法讲义
《数学物理方法》(Methods of MathematicalPhysics)《数学物理方法》是物理类及光电子类本科专业学生必修的重要基础课,是在《高等数学》课程基础上的一门重要的应用数学类课程,为专业课程的深入学习提供所需的数学方法及工具。
课程内容:复变函数(18学时),付氏变换(20学时),数理方程(26学时)第一篇复变函数(38学时)绪论第一章复变函数基本知识4学时第二章复变函数微分4学时第三章复变函数积分4学时第四章幂级数4学时第五章留数定理及应用简介2学时第六章付里叶级数第七章付里叶变换第八章拉普拉斯变换第二篇数学物理方程(26学时)第九章数理方程的预备知识第十章偏微分方程常见形式第十一章偏微分方程的应用绪 论含 义使用数学的物理——(数学)物理 物理学中的数学——(应用)数学Mathematical Physics方 程1=x{222111c y b x a c y b x a =+=+()t a dtdx= ⎰=)(t a xdt常微分方程0222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+x dt x d ω ()C t A x +=ωcos偏微分方程——数学物理方程0222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂z y x ψψψ ()z y x ,,ψψ=12=x()ψψψψψz y x U zy x m h t h i ,,22222222+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=∂∂()t z y x ,,,ψψ=复 数1. 数的概念的扩充正整数(自然数) 1,2,…运算规则 +,-,×,÷,()2,- 121-=-负 数 0,-1,-2,…整 数 …,-2,-1,0,1,2,…÷ 5.021= 333.031=有理数(分数) 整数、有限小数、无限循环小数414.12=无理数 无限不循环小数 实 数 有理数、无理数i =-1 虚 数y i复 数 实数、虚数、实数+虚数 yi x y x +,,2. 负数的运算符号12-=xi x ±=i 虚数单位,作为运算符号。
《数学物理方法》第7章_11-2009级
当v=n时 为Nn(x)
21
(4) 诺伊曼函数 n(x)与贝塞尔函数Jn(x)线性无关 诺伊曼函数N 与 线性无关 为了证明这一点,只要考查 为了证明这一点,只要考查x=0时两者的取值 时两者的取值 即可.由式(7.1.10) 即可.由式 (7.1.10)
代入上式, 是否为零, 将x=0代入上式 无论 是否为零 Jn(x)都是有界的 代入上式 无论n是否为零 J0(0) =1,当n=0 (7.1.17) , Jn(0) =0,当n≥1 (7.1.18) , ≥
34
贝塞尔函数的积分公式可以用来计算包 含贝塞尔函数的一些积分. 含贝塞尔函数的一些积分.
【例7.2.1】试计算积分 】
先用式(7.2-3)表示 0(bx)为 表示J 解 先用式 表示 为
指数函数的虚部是θ的奇函数,积分后为零. 指数函数的虚部是θ的奇函数,积分后为零.
35
代入原积分并交换积分次序
①汪德新.理论物理学导论第二卷:电动力 汪德新.理论物理学导论第二卷: 北京:科学出版社, 学.北京:科学出版社,2005.157-163 . 汪德新.理论物理学导论第三卷: ②汪德新.理论物理学导论第三卷:量子力 武汉:湖北科学技术出版社, 学.武汉:湖北科学技术出版社,2003.316323
2
§7. 1 贝塞尔方程与贝塞尔函数
5
2.指标方程 指标方程
将式(7.1.2)代入方程 代入方程(7.1.1) ,可得 将式 代入方程
的最低次幂x 由x的最低次幂 ρ的系数为零,即有 的最低次幂 的系数为零, (ρ2−v2)C0=0 因C00,即得指标方程ρ2−v2=0.由此得指标 . ρ1=v ρ2=-v (7.1.4)
6
3.系数递推公式 系数递推公式
数学物理方法第七章
小振动很小, cos 1, T1 T2 T
sin
• • •
T1
x
X X+ΔX
2 变为 :
1 3 u tg . 3! x
u 2u u T x 2 .3 t x x x x x 2 2u 2 u 当x 0, 3变为 2 a 0.4 2 t x 2 T a
2u 可得 : 0.3
解得 ; u x, t f1 x at f 2 x at , 4
x at x at
1 1 u x, t x at x at 2 2a
d .5
•
得出 : j 0.1 t
• ν为单位体积单位时间内的产生率.
(三) 输运方程
• 输运现象主要包括:热传导与扩散现象. • 对热传导与扩散现象由实验得出的唯象理论 是相同的,对扩散问题其物质浓度u(x,y,z,t)与 扩散的物质流q之间关系为: • q =-D▽u (1) (其中D为常数) • 同样对热传导问题其温度分布u(x,y,z,t)与热流 q之间关系为: • q =-k ▽u (2) (其中k为常数) • 且在仅是热传导与扩散时,热能与某种物质的 质量守恒,把(1)与(2)代入连续性方程可 得出输运方程. • ut -a2Δu= 0 (3)
• (5)式为达朗贝尔公式.
方程解的稳定性
• 当方程的初始条件有一个很小的偏差 时,最终方程解的变化也是很小的.则称方程 的解是稳定的. • 设方程有两组初始条件 ut |t 0 1 x . u |t 0 1 x . vt |t 0 2 x . v |t 0 2 x . 当 2 x 1 x , 2 x 1 x , 两组解之差 : u x, t vx, t
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If we expand f(z) in a Laurent series(assuming f(z) is analytic),
f ( z)
On the unit circle
n
n d z n .
(7.4)
z ei and
i n
f ( z ) f (e )
an bn
1
p
1
pt cos ntdt 0,
p
p
pt sin ntdt p
p
2
p
0
t sin ntdt
p 2 p t cos nt 0 cos ntdt 0 pn 2 ( 1) n1 , n So, the expansion of f(x) reads
x (0,2p )
(7.20)
Both sides of this expansion diverge as x 0 and 2p
7.2 ADVANTAGES, USES OF FOURIER SERIES
Discontinuous Function
One of the advantages of a Fourier representation over some other representation, such as a Taylor series, is that it may represent a discontinuous function. An example id the sawtooth wave in the preceding section. Other examples are considered in Section 7.3 and in the exercises. Periodic Functions Related to this advantage is the usefulness of a Fourier series representing a periodic , that we expand it in functions . If f(x) has a period of 2p , perhaps it is only natural This guarantees that if a series of functions with period 2p , 2p 2 , 2p 3 our periodic f(x) is represented over one interval 0,2p or p , p the representation holds for all finite x.
We can easily check the orthogonal relation for different values of the eigenvalue n by choosing the interval 0,2p
2p
0
p m,n , m 0, sin mxsin nxdx m 0, 0,
z re ix , re ix and
r n cos nx 1 ix ix ln( 1 re ) ln( 1 re ) n 2 n 1 ln (1 r ) 2r cos x
2
(7.19)
12
.
Letting r=1,
cos nx ln(2 2 cos x)1 2 n n 1 x ln(2 sin ), 2
Chapter 7 7.1 General Properties
Fourier series
Fourier Series
A Fourier series may be defined as an expansion of a function in a series of sines and cosines such as
a0 f ( x) (an cosnx bn sin nfficients are related to the periodic function f(x) by definite integrals: Eq.(7.11) and (7.12) to be mentioned later on.
One way to show the completeness of the Fourier series is to transform the trigonometric Fourier series into exponential form and compare It with a Laurent series.
(cosnx p
n 1
1 1
2p
0
f (t ) cos ntdt sin nx
2p
0
f (t ) sin ntdt)
0
p
n 1 0
2p
f (t ) cos n(t x)dt,
(7.13)
This equation offers one approach to the development of the Fourier integral and Fourier transforms.
Figure 7.1 Fourier representation of sawtooth wave
Summation of Fourier Series Usually in this chapter we shall be concerned with finding the coefficients of the Fourier expansion of a known function. Occasionally, we may wish to reverse this process and determine the function represented by a given Fourier series. Consider the seriesn1 (1 n) cos nx , x (0,2p ). Since the series is only conditionally convergent (and diverges at x=0), we take
an
bn
p
1
1
2p
0
2p
f (t ) cos ntdt ,
(7.11)
(7.12)
p
0
f (t ) sin ntdt , n 0,1,2
Substituting them into Eq.(7.1), we write
1 f ( x) 2p 1 2p
2p
0 2p
f (t )dt f (t )dt
2p
a0 cos( m x ) f ( x ) dx 2 0
Similarly
2p
2p
cos(m x)dx (a cos(nx) cos(m x)dx b sin(nx) cos(m x)dx)
0 n 1 n n 0 0 2p 2p 2p
2p
2p
a0 sin(m x) f ( x)dx sin(m x)dx (an cos(nx) sin(m x)dx bn sin(nx) sin(m x)dx) 2 0 n 1 0 0 0
r n cosnx 1 r n einx 1 r n einx . n 2 n1 n 2 n1 n n1
(7.18)
Now these power series may be identified as Maclaurin expansions of ln(1 z )
Sawtooth wave
Let us consider a sawtooth wave
0 x p x, f ( x) x 2p , p x 2p .
(7.14)
For convenience, we shall shift our interval from 0,2p to p , p . In this interval we have simply f(x)=x. Using Eqs.(7.11) and (7.12), we have
inx c e n
1 inx inx sinnx e e 2i
f ( x)
in which
n
(7.2)
and
1 cn (an ibn ), 2 1 c n (an ibn ), 2 1 c0 a0 . 2
(7.3)
n 0,
Completeness
a0 f ( x) (an cosnx bn sin nx). 2 n1
Express cos nx and sin nx in exponential form, we may rewrite Eq.(7.1) as
1 inx inx cos nx e e , 2
sin 2 x sin 3x sin nx f ( x) x 2sin x (1) n1 . . 2 3 n
(7.15)
Figure 7.1 shows f(x) for the sum of 4, 6, and 10 terms of the series. Three features deserve comment. 1.There is a steady increase in the accuracy of the representation as the number of terms included is increased. 2.All the curves pass through the midpoint f ( x) 0 at x p