模拟试题及参考答案_数学物理方程
数学物理方程考试试题及解答(1)
数学物理方程考试试题及解答(1)数学物理方程考试试题及解答考试题目:求解一阶常微分方程y'+3y=x+e^(-2x)解答:1. 首先我们需要将原方程变形,得到y'和y的系数都为1的形式: y'+3y=x+e^(-2x)y'+3y-1*x= e^(-2x)即:y'+3y-(1*x)= e^(-2x)2. 根据一阶常微分方程的标准形式 y'+p(x)y=q(x) ,我们可以将上述方程的左侧写成d/dx(y*e^(3x))的形式。
具体步骤如下:(y'+3y)e^(3x) - x*e^(3x) = e^(3x)*e^(-2x)即:d/dx(y*e^(3x)) - x*e^(3x) = e^xd/dx(y*e^(3x)) = e^(3x)+x*e^(3x)+e^x3. 将方程两侧的d/dx和e^(3x)去掉,得到最终的含y的方程:y*e^(3x) = ∫(e^(3x)+x*e^(3x)+e^x)dx + C= (1/3)*e^(3x) + (1/2)*x*e^(3x) + e^x + C即:y = (1/3) + (1/2)*x + e^(-3x)*(e^(2x)*C+1)4. 因为是一阶线性齐次方程,存在唯一的初始条件y0,可以将解方程带入初始条件得到C的值。
考试题目:提出热传导方程的边界条件∂u/∂t = a(∂²u/∂x²)解答:热传导方程描述的是一个物质内部温度分布随时间变化的情况,它可以用数学模型来表示:∂u/∂t = a(∂²u/∂x²)其中,u(x,t)是时间t和空间x处的温度,a是热传导系数,代表了物质的传热速率。
热传导方程的边界条件通常有如下几种:1. 第一类边界条件(Dirichlet边界条件):即在给定的边界上已知温度u,通常写成形式u(x,t)|_∂Ω = f(x,t) 。
在第一类边界上,温度保持不变,而且是已知的,所以我们直接用Dirichlet边界条件就可以描述。
数学物理方程试卷
数学物理方程试卷一、选择题1.在一个匀速运动中,物体的速度v与物体的位移s的关系是:A.v=s/tB.v=s/t^2C.v=s*tD.v=s*t^22.以下哪个物理量属于标量?A.速度B.力C.加速度D.距离3.物体质量为m,重力加速度为g,物体所受重力的大小为:A. mgB. mg/2C. 2mgD. mg^24.物体自由落体下落t秒后的位移s与时间t的关系为:A. s=gtB. s=gt^2C. s=gt^3D. s=1/gt5.以下哪个物理量属于矢量?A.面积B.速度C.力D.质量二、填空题1.一辆车以10m/s的速度匀速行驶了20秒,那么它的位移是_____________米。
2.物体在一个小时内匀速运动40千米,速度为_____________米每秒。
3.物体在水平地面上受到10牛的推力,质量为2千克,加速度为_____________。
4.一个物体从100米高的地方自由落体,下落10秒后的速度是_____________米每秒。
5.物体质量为5千克,重力加速度为10米每秒的平方,所受重力的大小是_____________牛。
三、解答题1.用物理公式解释为什么月亮绕地球运动?答:根据万有引力定律,任意两个物体之间都存在引力。
月球的质量相对较小,在地球的引力作用下,它会受到向地心的引力,从而绕着地球进行运动。
2.一个物体以10m/s的速度沿水平方向运动,另一个物体以5m/s的速度沿同一方向追赶第一个物体,如果第二个物体和第一个物体质量相同,两个物体发生碰撞后,它们的速度是多少?答:根据动量守恒定律,两个物体的总动量在碰撞前后保持不变。
因此,第一个物体的动量为10 kg·m/s,第二个物体的动量为5 kg·m/s。
由于两个物体质量相同,碰撞后它们的速度将相等。
设碰撞后的速度为v,则第一个物体的动量为10v kg·m/s,第二个物体的动量为5v kg·m/s。
数学物理方程与特殊函数试题及答案
数学物理方程与特殊函数试题及答案猜你喜欢: 1. 2. 3. 4. 5.数学物理方程与特殊函数是一门专业性比拟强的课程,要学好这门课程,同学们还是要用心去学才能学好数学物理方程与特殊函数。
下面是给大家的数学物理方程与特殊函数试题及答案,欢送大家学习参考。
1.对于一般的二阶线性偏微分方程0(1) 它的特征方程为,假设在域内ACB那么此域内称(1) 椭圆型假设在域内B那么此域内称(1)为抛物型假设在域内 B 那么此域内称(1)为双曲型。
2. 第一类格林公式第二类格林公式 . 已那么 ;而函数按1xP的展开式4.一维热传导方程可用差分方程似代替。
二维拉普拉斯方程可用差分方0 近似代替。
5. 勒让德多项式的正交性???。
二.用别离变量法求?的解。
(15分) 解:用别离变量法求解,先设满足边界条件且是变量被别离形式的特解为tTxXtxu?代入方程(1)上式左端不含有x,右端不含有t,从而得到两个线性常微分方程解(6)得 x由(2)得,及相应的固有函数为xlnBxXnn?sin? 7?? ,再由(5)得,? 由(7),(8)得由(1),(3)得又由(3) 得所以,原定解问题的解为?三.求方程? 的解。
(15分) 解:对(1)两端积分的通解为任意二阶可导函数,令(4)满足(2),(3)得解之得6(5),(6)代入(4)得u 四.求柯西问题的解。
(12分) 解;先确定所给方程的特征线。
为此,写出它的特征方程 dy2-2dxdy-3dx20 它的两族积分曲线为作特征变换4?经过变换原方程化它的通解为中21ff 是两个任意二次连续可微的函数。
方程(1)的通解为由(2。
《数学物理方程》习题参考答案(A)
《数学物理方程》习题参考答案(A)习题一1.判断方程的类型,并将其化成标准形式:0212222=∂∂+∂∂+∂∂y uyu y x u . 解:⎪⎩⎪⎨⎧==><<>-=-≡∆.0,0. ,00,.0,02211212时,抛物型当椭圆型时当时,双曲型当y y y y a a a①当0<y 时,所给方程为双曲型,其特征方程为,0)()(22=+dx y dy 即 ,0])([)(22=--dx y dy就是 0))((=---+dx y dy dx y dy .积分之,得 c y x =-±2,此即两族相异的实特征线.作可逆自变量代换⎪⎩⎪⎨⎧--=-+=,2,2y x y x ηξ则.1 ,1 ,1 ,1yy yy x x -=∂∂--=∂∂=∂∂=∂∂ηξηξ,2 ,2222222ηηξξηξηηξξ∂∂+∂∂∂+∂∂=∂∂∂∂+∂∂=∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂u u u x u u u y u x u x u ),(1ηξ∂∂+∂∂--=∂∂u u yyu ).1)(2()(121 ]1)1( 1)1([1)()(12122222222222322y u u u u u y y yu yu yuy u y u u y y u -∂∂+∂∂∂-∂∂+∂∂+∂∂---=-∂∂+--∂∂∂++-∂∂∂---∂∂--+∂∂+∂∂--=∂∂ηηξξηξηξηηξξηξ将这些偏导数代入原方程,得附注:若令⎩⎨⎧=-⇒-==0 ,2,ηηξξηξu u y x 碰巧(双曲型的另一标准形),这是巧合.②当0>y 时,所给方程为椭圆型,其特征方程为0)()(22=+dx y dy即 .0))((=-+dx y i dy dx y i dy 其特征线为 )2 ( 2c ix y c y i x =±=±或.作可逆自变量代换 ⎩⎨⎧==,2,y x ηξ则, 1 , 0 , 0 ,1y y y x x =∂∂=∂∂=∂∂=∂∂ηξηξ, 1 , ηξ∂∂=∂∂∂∂=∂∂u y y u u x u . 1121 , 22222222ηηξ∂∂+∂∂-=∂∂∂∂=∂∂u y u y y yu u x u 将这些偏导数代入原方程,得, 021212222=∂∂+∂∂+∂∂-∂∂ηηηξuy u u y u , 0 2222=∂∂+∂∂∴ηξu u 此即(0>y 时)所求之标准形. ③0=y 时,原方程变为 , 02122=∂∂+∂∂y uxu 已是标准形了(不必再化).2.化标准形:. 0222222222222=∂∂∂+∂∂∂+∂∂∂+∂∂∂+∂∂+∂∂t z ut x u z x u y x u zu x u解: u Lu )2222(434131212321δδδδδδδδδδ+++++≡.这是 ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂∂∂∂∂=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t z y x4321δδδδδ 的二次型,于是 , u A Lu Tδδ=其中 010*********1111⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=A 为实对称矩阵.则∃可逆矩阵M ,使 TMAM B = 为对角形. 令 , 'δδT M = 其中 , '4'3'2'1'''''⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂∂∂∂∂=δδδδδt z y x 则 u B u MAM Lu T T T '''')()(δδδδ==.M 的找法很多,可配方,可从矩阵入手等.取 ,11000110001100011-=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=N M , 1000110011101111)(1⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛==-TT M N . , 1''''''⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛===⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==-t zy x M MX X N t z y x X N T δδ则.)( )( 2222'2'2'2'2'''tu z uy u x u u B uMAM u A Lu TT T T ∂∂-∂∂+∂∂-∂∂====δδδδδδ这是超双曲型方程的标准形式.习题二1.决定任意函数法:(1).求解第一问题(0))(0) ( ).(),( , 002ψϕψϕ=⎪⎩⎪⎨⎧======-x ux u u a u at x at x xx tt .解:所给方程为双曲型,其特征线为 c at x =±. 令⎩⎨⎧-=+=,,at x at x ηξ 则可将方程化为 0=ξηu .其一般解为)()(),(21at x f at x f t x u -++= (其中21,f f 为二次连续可微函数). 由定解条件有)0()0()0()0( ).()2()0(),()0()2(212121ψϕψϕ==+⇒⎩⎨⎧=+=+f f x x f f x f x f . 则 ⎪⎩⎪⎨⎧-=-=⇒⎩⎨⎧-=-=).0()2()(),0()2()( ),0()()2(),0()()2(12211221f Y Y f f X X f f x x f f x x f ψϕψϕ 故 )()(),(21at x f at x f t x u -++=).0()2()2()]0()0([)2()2(21ϕψϕψϕ--++=+--++=at x at x f f atx at x (2).求解第二问题 ))0()0( ( ).(),( ,101002ϕϕϕϕ=⎪⎩⎪⎨⎧=====x u x u u a u t at x xx tt解:泛定方程的一般解为)()(),(21at x f at x f t x u -++=由定解条件有 (0))(0)(0)( ).()()(),()0()2(021121021ϕϕϕ=+⎩⎨⎧=+=+f f x x f x f x f x f 则 ),0()2()(201f xx f -=ϕ).0()2()()()()(201112f x x x f x x f +-=-=ϕϕϕ故 )()(),(21at x f at x f t x u -++= ).()2()2(100at x atx at x -+--+=ϕϕϕ (3).证明方程22222)1(])1[(tu h x a x u h x x ∂∂-=∂∂-∂∂ 的解可以写成)]()([1),(21at x f at x f xh t x u -++-=. 由此求该方程满足Cauchy 条件 ⎩⎨⎧====)(),(00x u x u t t t ψϕ 的解.解:令 ),,()(),(t x u x h t x v -= 则 ),(t x v 满足方程 xx tt v a v 2=.)()(),( 21at x f at x f t x v -++=∴.故 )]()([1),(21at x f at x f xh t x u -++-=. 因),(t x v 满足 ⎪⎩⎪⎨⎧≡-=≡-====),()()(),()()( ,10002x x x h vx x x h v v a v t t t xx tt ψϕϕϕ由D'Alembert 公式,得⎰+-+-++=atx atx d a at x at x t x v ααψϕϕ)(21)]()([21),( )]())(()())([(2100at x at x h at x at x h ---+++-=ϕϕ+ααϕαd h a atx at x ⎰+--)()(211 故 ),(1),(t x v xh t x u -=[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+---+++--=⎰+-atx atx d h a at x at x h at x at x h x h ααϕαϕϕ)()(21)())(()())((211100 即为所求之解.2.Poisson 公式及应用:(1).若),,,(t z y x u u =是初值问题 ⎪⎩⎪⎨⎧+=+=>++===)()( , )()(),0( )(002z y uy g x f u t u u u a u t t t zz yy xx tt ψϕ的解,试求解的表达式.解:IIIIIIu u u u ++=(线性叠加原理),其中IIIIII,,u u u 分别满足如下的初值问题:.0 ),(),0( )(:002I ⎪⎩⎪⎨⎧==>++===t t t zz yy xx tt ux f u t u u u a u u).( ),(),0( )(:002II ⎪⎩⎪⎨⎧==>++===y uy g u t u u u a u u t t t zz yy xx tt ϕ).( ,0),0( )(:002III ⎪⎩⎪⎨⎧==>++===z uu t u u u a u u t t t zz yy xx tt ψ由Poisson 公式,可得⎰⎰∂∂=MatS dS f t a t u ])( 41[2I ξπ)].()([21])(21[at x f at x f d f a t atx atx -++=∂∂=⎰+-ξξ.)(21)( 41.)(21)]()([21 ])( 41[)( 412III22II ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰+-+-==+-++=∂∂+=Mat M atMat S atz at z aty aty S S d a d t a ud aat y g at y g dS g t a t dS t a u ζζψζζψπηηϕηπηϕπ故IIIII I ),,,(u u u t z y x u ++=.)(21)(2a1)]()([21)]()([21 ⎰⎰+-+-++-+++-++=atz at z aty aty d a d at y g at y g at x f at x f ζζψηηϕ(2).求解初值问题 ⎪⎩⎪⎨⎧+==>-+++=== . ,00),(t )(2)(2002yz x u u z y u u u a u t t t zz yy xx tt解: IIIu u u +=,其中I u : ⎪⎩⎪⎨⎧+==>++=== . ,00),(t )(2002yz x u u u u u a u t t t zz yy xx ttII u : ⎪⎩⎪⎨⎧==>-+++===.0 ,00),(t )(2)(002t t t zz yy xx tt uu z y u u u a u由poisson 公式,得32222I 31)()( 41t a t yz x dS t a u Mat S ++=+=⎰⎰ηζξπ. 由Duhamel 原理,得.)( ])(2)( 41[);,,,(2020II)(t z y d dS t a d t z y x w u M t a S tt-=--==⎰⎰⎰⎰-τζητπτττ故 2322)(31)(),,,(t z y t a t yz x t z y x u -+++= 即为所求. 3.降维法:⎪⎩⎪⎨⎧==>++===.0 ,00),(t ),,()(002t t t yy xx tt uu t y x f u u a u 解:把所给初值问题的解),,(t y x u 看作),,,(t z y x 空间中的函数,即与y x ,平面垂直的直线上的函数值都相等:),,(),,,(*t y x u t z y x u =,则 ),,,(*t z y x u 应形式的满足⎪⎩⎪⎨⎧==>+++=== .0 ,00),(t ),,()(0*0****2*t t t zz yy xx tt u u t y x f u u u a u 由推迟势可得dV ra rt f a t z y x u atr ⎰⎰⎰≤-=),,( 41),,,(2*ηξπττηξτπτττηξπττd dS f t a d dS t f a tS tS M t a M t a ]),,([141]),,([ 410202)()(⎰⎰⎰⎰⎰⎰---=-=τηξτηξττηξτπτd y x t a d d t a f t a ty x M t a ])()()( )(),,(2[141222202),()9------∑-=⎰⎰⎰-τηξτηξτηξπτd y x t a d d f a tx M t a ])()()( ),,([ 212222),()(⎰⎰⎰∑-----=-.此即所求初值问题解的积分表达式.习题三1.求解特征值问题 ⎩⎨⎧=+=<<=+ . 0)()( ,0)0(),(0 0)()("''l X l X X l x x X x X λ 解:该特征值问题要有解0≥⇔λ.0>λ时,记2ωλ=,则 x B x A x X ωωsin cos )(+=.x B x A x X ωωωωcos sin )('+-=. 1(*) 由 0)0('=X ,有 0=B .从而 x A x X A ωcos )(,0=≠. 由 0sin cos ,0)()('=-=+l A l A l X l X ωωω有. ωω=l cot . 此即确定 ω(从而确定λ)的超越方程.由图解法,曲线 ωω==y l y cot 和 有无穷个交点,其横坐标<<<<<n ωωω210,从而 ),2,1( 2==n nn ωλ 便是非0特征值,相应的特征函数为2(*) ,2,1 , cos )( ==n x A x X n n n ω.)( , )( 0'A x XB Ax x X =+==时,λ由0)0('=X ,有0=A .由0)()('=+l X l X , 有 0=B .此时只有平凡解 0)(≡x X . 综上,所求特征值问题的解),2,1( , cos )( ==n x A x X n n n ω.其中n ω为超越方程 ωω=l cot 的正根.附注:下证特征函数系{}∞=1cos n n x ω是],0[l 上的正交系:事实上,设x x X n n ωcos )(=和x x X m m ωcos )(=分别是相应于不同特征值2n n ωλ=和2m m ωλ=的特征函数,即)(x X n 和)(x X m 分别满足).()(,0)0(,0)()(:)(''"⎩⎨⎧+==+l X l X X x X x X x X n n nn n n n λ (1) ⎩⎨⎧=+==+.0)()(,0)0(,0)()(:)(''"l X l X X x X x X x X m m m m m m m λ (2) 则[]0 )()2()()1(0=⋅-⋅⎰dx x X x Xln m,即 []⎰-+-=lm n m n n m m n dx x X x X x X x X x X x X"" )()()())()()()((0λλdx x X x X lm n m n ⎰-=0)()()(λλ若,m n λλ≠则 ),2,1,( 0)()(0==⎰m n dx x X x X lm n .即在],0[l 上,不同特征值所对应的特征函数彼此正交. 2.用分离变量法求波动方程混合问题⎪⎩⎪⎨⎧≤≤==>==><<+=== ),0( , ),0( ),( ,),0(),0 ,0( 20022l x x ux u t t t l u t t u t l x g u a u t t t x xx tt的形式解,其中g 为常数.解:(1).边界条件齐次化:令 ),,(),(),(t x Q t x v t x u +=使⎪⎩⎪⎨⎧====,,20t Q t Q l x x x (这不是定解问题),则取 2)(),(t t l x t x Q +-=即可. 这时),(t x v 满足 ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤--==>==><<-+===).0( )( , 0),( 0),( ,0),0(),0 ,0( 2200t 2l x l x x vx v t t l v t v t l x g v a v t t x xx tt(2).“拆”——由线性叠加原理:IIIv v v +=,其中⎪⎩⎪⎨⎧+-====><<=== ., ,0),(),0(),0,0( :2002I l x x vx v t l v t v t l x v a v v t t t x xx tt ⎪⎩⎪⎨⎧====><<-+=== .0,0 ,0),(),0(),0,0( 2:002IIt t t x xx tt vv t l v t v t l x g v a v v (3).用分离变量法求得l x n l at n b l at n a t x v n n n 2 )12(cos 2 )12(sin 2 )12(cos ),(1Iπππ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=∑∞=. 其中⎰⎰--=ll n d ln d ln a 022)12(cos2)12(cos 1ξπξξξπξ,ξπξξξξπξπd ln l d l n l a n b lln 2)12(cos )(2)12(cos 2 )12(122-+---=⎰⎰..,2,1 =n (n n b a ,都可算出来).(4).由Duhamel 原理: ττd t x w t x v t⎰=0II),,(),(,其中),,(τt x w 满足 ⎪⎩⎪⎨⎧-====><<=== . 2 , 0 ,0),( ,0),0( ),,(0 2g ww t l w t w t l x w a w t t t x xx tt τττ用分离变量法求得∑∞=---=12 )12(cos 2)( )12(sin),,(n n l xn l t a n c t x w πτπτ.其中 ξπξξπξπd ln g d l n l a n c lln 2)12(cos)2(2)12(cos 2 )12(12----=⎰⎰. ,3,2,1 =n (n c 可算出).综上: ),(),(),(),(),(),(III t x Q t x v t x v t x Q t x v t x u ++=+=.习题四1.用分离变量法求热方程混合问题⎪⎩⎪⎨⎧===><<-== )( ,0),(),0(),0,0( 022x u t l u t u t l x u b u a u t xx t ϕ 的形式解.解:这是齐次方程、齐次边界条件情形,直接分离变量: 令 )()(),(t T x X t x u =,代入泛定方程,得),( )(22'"λ-=+=a bTa T X X 从而 0)()()( , 0)()(2'"=++=+t T b a t T x X x X λλ. 由边界条件,得 ,0)()0(==l X X 于是,特征值问题为⎩⎨⎧==<<=+0.)((0))(0 , 0)()("l X X l x x X x X λ 特征值 2)(l n n πλ=, 特征函数为 x ln x X n πsin )(=,),2,1( =n . 而 )1,2,(n )(])[(22 ==+-t b lan n n eA t T π.取 11])[((*) . sin),(22x ln eA t x u n t b lan n ππ∑∞=+-=利用 ]0[ sinl x ln ,在⎭⎬⎫⎩⎨⎧π上的正交性,可定出 ⎰==ln n d ln l A 0),2,1( sin)(2 ξπξξϕ. 2(*) 1(*),2(*)给出所求混合问题的形式解.附注:若令 ),( ),,(),(2t x v t x v e t x u t b 则-=满足⎪⎩⎪⎨⎧===><<==== ).( ,0),0,0( 002x v v v t l x v a v t l x x xx t ϕ用分离变量法求得lxn eA t x v t lan n n sin),(2)(1ππ-∞=∑=. 而n A 同2(*),这恰与上面结果一致.习题五用Fourier 变换法求初值问题⎩⎨⎧=>++== .0),0( ),(202t xx t u t t x f tu u a u 的形式解.解:方程和初始条件两端关于x 做Fourier 变换(视t 为参数),并记),(~)],([ , ),(~)],([t f t x f F t u t x u F ξξ==.则原问题化为常微分方程的初值问题:⎪⎩⎪⎨⎧=>++-=)( .0)0,(~),0( ),(~~ 2~~22为参数ξξξξu t t f u t u a dtu d 其解为 ττξξτξτξd e f e e e t u a tt a t 2222220),(~),(~⋅⋅⋅=⎰--. 故 )],(~[),(1t uF t x u ξ-= ττξττξττξτξττξτξτξd e f F ee d ef e F e d e f e e e F ta t t a tt t t a t a t t ⎰⎰⎰-----------⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅⋅=01)(0101]),(~[]),(~[),(~)(22222222222222ττπτττd et a F x f F F e e tt a x t]])(21[)],([[0)(412222⎰-----⋅⋅=ττπτττd et a x f F F e e tt a x t]])(21*),([[0)(412222⎰-----⋅=τξττξπτξτd d et f e a ett a x t ]1),([20)(4)(2222⎰⎰---∞∞---=即为所求.习题六1.求边值问题⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤=≤≤==<≤≤<≤=++=== )(0 )( ),0( 0),20 ,0( 01102αθθρπαθρρρραθθθθρρρf u l u u l u u u l 的形式解.解:用分离变量法:令 )()(θρΘ=R u ,代入泛定方程可得)( "'"2λρρ=ΘΘ-=+RR R ,因而 0)()("=Θ+Θθλθ,0)()()('"2=-+ρλρρρρR R R (Euler 方程).由边界条件 00====αθθu u,得 0)()0(=Θ=Θα.于是特征值问题为,0)()0(),0( 0)()("⎩⎨⎧=Θ=Θ<<=Θ+Θααθθλθ 特征值 2)(απλn n =,特征函数为 )1,2,( sin)( ==Θn n n θαπθ.而 Euler 方程 0'"2=-+R R R λρρ 的解 απαπρρρn n D C R -+=)(.为保证有界性应取 0=D ,从而 ),2,1( )( ==n C R n n n απρρ.取 ∑∑∞=∞==Θ=11sin)()(),(n n n n n n n C R u απθρθρθραπ. 1(*)由边界条件 )(θρf ul ==,应有 ∑∞==1sin )(n n n n lC f απθθαπ.由 ⎭⎬⎫⎩⎨⎧απθn sin在 ],0[α上的正交性,可得),2,1( sin)( 2==⎰n d n f l C n n ϕαπϕϕαααπ. 2(*)1(*) ,2(*)给出所求问题的形式解.2.用Green 函数法求解上半平面Dirichlet 问题⎪⎩⎪⎨⎧∞→+=>=+=. ),( ),0( 0220有界时,u y x x f u y u u y yy xx 解:根据二维Poisson 方程Dirichlet 问题⎩⎨⎧=∈-=+∂ ),(D.),( ),,(2y x f u y x y x u u Dyy xx πρ 解的积分表达式P PDDdl n M P G P f dxdy M M G M y x u M u ∂∂-==⎰⎰⎰∂),()(21),()(),()(00000πρ(其中0M 是D 内任一点,P n是边界D ∂上点P 的外法线方向). 其中 满足而 ),( ),,(1ln),(0000M M g M M g r M M G MM -=⎪⎩⎪⎨⎧∂∈=∈=∆).( 1ln ),g(),( 0),(000D P r M P D M M M g PM M),(0M M G 称为Green 函数,找),(0M M G 的问题归结为“特定装置下”找感应电荷所产生的电势),(0M M g -.对上半平面0>y 而言,若在0M 处放置单位正电荷,它在M 处产生的电势为01lnMM r ,则感应电荷应放在0M 关于0=y 的对称点'0M 处,电量为 -1,它于M 处产生的电势为'1lnMM r -,从而Green 函数为'1ln1ln),(0MM MM r r M M G -=20202020)()(ln )()(ln y y x x y y x x ++-+-+--=.故所求解为⎰⎰⎰⎰∞∞-=∞∞-=∞∞-=∞∞-+-=∂∂=-∂∂-=∂∂-=.)()()(21 )()(21)(21),(22000000dx yx x x f y dx yG x f dxy G x f dx n G x f y x u y y y ππππ。
数学物理方程试卷及答案
数学物理⽅程试卷及答案参考解答:⼀、填空题1. A 定解 B 初值(或Cauchy 问题) C 存在性、唯⼀性和稳定性2. D 双曲3. E (1)(2)(4)4. F [x-3t,x+t] ,G 决定区域5. H 222(21)(1,2,)4n n L πλ-==L I(21)cos (1,2,)2n x X n Lπ-==L ⼆、解:⽆界区域上波动⽅程200,,0|(),|()tt tt t t t u a u x t u x u x ?ψ==?=-∞<<+∞>??==?? 的达朗贝尔公式为:22()()1(,)()22x atx at x at x at u x t d aψξξ+--++=+对于本题所给半⽆界区域上的⾃由端点定解问题,只需对初始条件作偶延拓,即令:2(),()||x x x x ?ψ==即可,2a = ,代⼊达朗贝尔公式得22222222(2)(2)1()||2224,25(4),24x tx tx t x t u x d x xt t x tx t x t ξξ+--++=+??++≥?=?+⼆、解:设(,)()()u x t X x T t =,则()''()4''()()X x T t X x T t =,分离变量成为''()''()4()()T t X x T t X x λ==-,则''()()0,'(0)'(1)0''()4()0X x X x X X T t T t λλ+===??+=?,解前⼀⽅程,得固有值22(0,1,2,)n n n λπ==L 和固有函数()cos X x n x π=,代⼊⽅程''()4()0T t T t λ+=中可得()cos 2sin 2T t A n t B n t ππ=+,1,2,3,)n =L (由叠加原理,原⽅程有解1(,)(cos 2sin 2)cos nnn u x t A n t Bn t n x πππ∞==+∑。
数理方程期末试题及答案
带入微分方程求解得:
k
a2
A 2
则得通解
T1
t
C1
cos
n l
a
t
D1
sin
n l
a
t
a2
A 2
sin t
带入初始条件得: C1
0,
D1
A a2 2
l a
则原定解问题的解为
u x,t
A a2 2
l sin a t cos
a l
l
x
2、 求解下列初值问题:(10 分)
uuttx,0u
xx
数; (3) 将形式解带入泛定方程以及初始条件,求解待定函数 Tn(t).
4、试述行波法的适用范围,并写出无限长弦自由振动的达朗贝尔公式。 答:行波法(特征线法)对双曲型方程是有效的,沿着双曲型方程两条特征线做
自变量替换总可以把双曲型方程化为可积形式,获得通解,由此行波法仅适用于
无界条件的波动方程。
3x x ,t sin x,ut x,0 x
0
解:应用达朗贝尔公式: u 1 (x at) (x at) 1
xat
( )d
其中
2
2a xat
,
x sin x, x x ,带入上式得:
u
1 2
sin
x
at
sin
x
at
1 2a
xat
d
xat
sin x cos at t
数学物理方程期末试题答案
一、 简述题:(每题 7 分,共 28 分) 1、 简述数学物理中的三类典型方程,并写出三类方程在一维情况下的具体形
式。
答:波动方程:
2u t 2
数学物理方程习题解答案
数学物理方程习题解答案数学物理方程习题解习题一1,验证下面两个函数:(,)(,)sin x u x y u x y e y ==都是方程0xx yy u u +=的解。
证明:(1)(,)u x y =因为32222222222222223222222222222222222222222211()22()2()()11()22()2()()0()()x xx y yy xx yy x u x x y x y x y x x x y u x y x y yu y x y x y x y y y y x u x y x y x y y x u u x y x y =-?=-+++-?-=-=++=-??=-+++-?-=-=++--+=+=++所以(,)u x y =是方程0xx yy u u +=的解。
(2)(,)sin xu x y e y = 因为sin ,sin cos ,sin x x x xx xxy yy u y e u y e u e y u e y=?=?=?=-?所以sin sin 0xxxx yy u u e y e y +=-=(,)sin x u x y e y =是方程0xx yy u u +=的解。
2,证明:()()u f x g y =满足方程0xy x y uu u u -=其中f 和g 都是任意的二次可微函数。
证明:因为()()u f x g y =所以()(),()()()()()()()()()()()()0x y xy xy x y u g y f x u f x g y u f x g y uu u u f x g y f x g y g y f x f x g y ''=?=?''=?''''-=?-??=得证。
3,已知解的形式为(,)()u x y f x y λ=+,其中λ是一个待定的常数,求方程 430xx xy yy u u u -+= 的通解。
数学物理方程考试试题及解答
数学物理方程试题(一)一、填空题(每小题5分, 共20分)1.长为 的两端固定的弦的自由振动, 如果初始位移为 , 初始速度为x 2cos 。
则其定解条件是2.方程.的通解................3.已知边值问题 , 则其固有函数 =4.方程0)(222'"2=-++y n x xy y x α的通解为 二.单项选择题(每小题5分, 共15分)1. 拉普拉斯方程 的一个解是.. )(A )xy e y x u x sin ),(= (B )22),(y x y x u +=(C )221),(y x y x u += (D )22ln),(y x y x u += 2.一细杆中每点都在发散热量, 其热流密度为 ,热传导系数为 , 侧面绝热,体密度为 ,比热为 , 则热传导方程....)(A )ρc t x F x u a t u),(22222+∂∂=∂∂ (B )ρc t x F x u a t u ),(222+∂∂=∂∂ (C ) ρc t x u x F a t F ),(22222+∂∂=∂∂ (D) ρc t x u x F a t F ),(222+∂∂=∂∂ (其中ρc k a =2) 3.理想传输线上电压问题( 其中CL a 12=)的解为( ) (A ))(cos ),(at x A t x u +=ω (B )t a x A t x u ωωcos cos ),(=(C )t a x A t x u ωωsin cos ),(= (D ))(cos ),(t a x A t x u -=ω1. 三.解下列问题2. ( 本题8分) 求问题 ⎪⎩⎪⎨⎧==∂∂+∂∂x ex u yu x u 38)0,(03的解3. ( 本题8分)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-==∂∂∂222),0(,cos 1)0,(6y y u x x u y x y x u...本题8分.求问. 的解1. 四.用适当的方法解下列问题2. ( 本题8分) 解问题 ⎪⎩⎪⎨⎧+-=∂∂=∂∂2222321)0,(x x x u x u a t u 2.( 本题8分) 解问题 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂+=∂∂+∂∂+∂∂=∂∂==202202222222226,32)(y t uxz y u z u y u x u a t u t t 五. ( 本题10分)解混合问题:六. ( 本题15分)用分离变量法解下列混合问题:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=∂∂-===∂∂=∂∂=xt u x x x u t u t u x u a t u t 2sin 3,)(2)0,(0),(),0(022222ππ 一.单项选择题(每小题4分, 共20分)1.(D..2.(B..3.(D..4.(D )二.填空题(每空4分, 共24分)1....2...3.. ,4.)(x X n =cos ,(0,1,2,3,)2n n x B n π= 5.通解为223(,)()()2u x t x y f x g y =++ 三.解下列问..本题7分.1. 求问题 的解解: 设 (2分)代入方程,330,1m m +==- (6分)所以解为 3(,)8x y u x t e -= (7分)2. ( 本题7分) 求问题 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂=∂∂=∂∂=20222223,2sin )0,(x t ux x u x u a t u t 的解 解: 由达朗贝尔公式, 得211(,)[sin 2()sin 2()]322x at x at u x t x at x at d aξξ+-=++-+⎰(3分) 223cos 2sin 23at x x t a t =++ (7分)四.用适当的方法解下列问题1. .本题7分.解问.解: 设代入方程,令 2066A A a x''=⎧⎨=+⎩ 显然成立 解为 22(,)12366u x t x x a t xt =-+++2.( 本题7分) 解问题 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂++=∂∂+∂∂+∂∂=∂∂==202202222222226,32)(y t u yz y x u z u y u x u a t u t t 解: 设 (2分)代入方程22326[(212)(12)]A Bt a y At t Bt +=++∆++∆ (4分)令 , 显然成立, 解为322222632),(t a t y t a yz y x t x u +++++=五. ( 本题7分)解混合问题:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===∂∂=∂∂x x u t u t u x u a t u πsin 2)0,(0),1(),0(222 解1(,){(,)}u x t L U x s -=222sin a t e x ππ-= 六. ( 本题15分)用分离变量法解下列混合问题:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=∂∂-===∂∂=∂∂=xt u x x x u t u t u x u a t u t 2sin 3,)(2)0,(0),(),0(022222ππ 解: 设 代入方程及边界200(0)()0T a T X X X X λλπ''⎧+=⎪''+=⎨⎪==⎩22(),sin n n n n X nx πλπ=== (cos sin )sin n n n u C ant D ant nx =+1(,)(cos sin )sin n n n u x t C ant D ant nx ∞==+∑其中 3028[1(1)]()sin n n C x x nxdx n ππππ--=-=⎰ 00(2)23sin 2sin 3(2)n n D x nxdx n aππ≠⎧⎪==⎨=⎪⎩⎰ 所以解为3138[1(1)](,)sin 2sin 2cos sin n n u x t at x ant nx a n π∞=--=+∑2009-2010学年第一学期数学物理方程试题一、 填空题(每小题4分, 共24分)1.方程.的特征线..........2.长为 的弦做微小的横振动, 、 两端固定, 且在初始时刻处于水平状态, 初始速度为 .则其定解条件.................3.方程 的通解.........4.已知边值问. .. 则其固有函数)(x X n =5.方程 的通解............6...........二. 单项选择题(每小题4分, 共20分)1.微分方程.是..)(A )三阶线性偏微分方程 (B )三阶非线性偏微分方程(C )三阶线性齐次常微分方.....(D )三阶非线性常微分方程2. 拉普拉斯方程 的一个解是.. )(A )xy e y x u x sin ),(= (B )22),(y x y x u +=(C )221),(y x y x u += (D )22ln),(y x y x u += 3.一细杆中每点都在发散热量, 其热流密度为 ,热传导系数为 , 侧面绝热,体密度为 ,比热为 , 则热传导方程....)(A )ρc t x F x u a t u),(22222+∂∂=∂∂ (B )ρc t x F x u a t u ),(222+∂∂=∂∂ (C ) ρc t x u x F a t F ),(22222+∂∂=∂∂ (D) ρc t x u x F a t F ),(222+∂∂=∂∂ (其中ρc k a =2) 4.理想传输线上电压问题(A ))(cos ),(at x A t x u +=ω (B )t a x A t x u ωωcos cos ),(=(C )t a x A t x u ωωsin cos ),(= (D ))(cos ),(t a x A t x u -=ω5.单位半径的圆板的热传导混合问题⎪⎩⎪⎨⎧=<=<∂∂+∂∂=∂∂)()0,(,),(,0),1()1()1(222ρρρρρρρf u M t u t u u u a t u 有形如( )的级数解。
物理方程测试题及答案
物理方程测试题及答案一、选择题(每题2分,共10分)1. 下列哪个方程是描述牛顿第二定律的?A. F=maB. F=G*(m1*m2)/r^2C. E=mc^2D. v=u+at答案:A2. 光速在真空中的速度是多少?A. 299,792,458 m/sB. 300,000,000 m/sC. 299,792,458 km/sD. 300,000,000 km/s答案:B3. 以下哪个单位是力的国际单位?A. 牛顿(N)B. 帕斯卡(Pa)C. 焦耳(J)D. 瓦特(W)答案:A4. 根据能量守恒定律,下列哪个说法是正确的?A. 能量可以被创造B. 能量可以被消灭C. 能量既不会被创造也不会被消灭D. 能量可以转化为质量答案:C5. 以下哪个是描述动量守恒定律的方程?A. p=mvB. F=maC. ΔU=QD. W=Fd答案:A二、填空题(每空1分,共10分)6. 根据万有引力定律,两个物体之间的引力与它们的质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,其公式为:F=________*(m1*m2)/r^2。
答案:G7. 根据库仑定律,两个点电荷之间的静电力与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,其公式为:F=________*(q1*q2)/r^2。
答案:k8. 根据欧姆定律,导体两端的电压与通过它的电流成正比,其公式为:V=________*I。
答案:R9. 根据焦耳定律,电流通过导体产生的热量与电流的平方、电阻和通电时间成正比,其公式为:Q=________*I^2*R*t。
答案:1/210. 根据开普勒第三定律,行星绕太阳公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比,其公式为:T^2=________*a^3。
答案:4π^2/GM三、计算题(每题10分,共20分)11. 一辆汽车以15m/s的速度行驶,突然刹车,加速度为-5m/s^2,求汽车完全停止所需的时间。
答案:t=(0-15)/(-5)=3s12. 一个物体从10m高处自由落下,忽略空气阻力,求物体落地时的速度。
数学物理方程 参考答案
1.求下列波动方程Cauchy 问题的解: (2)2005,tt xx t tt u a u u u x==⎧=⎪⎨==⎪⎩解:根据达朗贝尔公式可得521)55(21),(+=++=⎰+-xt d a t x u at x atx ξξ6.求下列强迫振动的Cauchy 问题的解:(1)⎩⎨⎧==+===2002,5x u u e u a u t t t xxx tt解:令)(),(),(x w t x v t x u +=,代入原方程,得xxx xx tt ew a v a v ++=22令2)(a ex w x-=可得⎪⎩⎪⎨⎧=+====222,5xv ae v v a v t tx t xxtt由达朗贝尔公式可得531)(2121)5()5(21),(3222222++++=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=+-+-+-⎰t a tx eead aaea e t x v atx atx atx atx atx at x ξξ所以原问题的解为2232211(,)()523x x atx ate u x t v w eetx a t aa-+=+=++++-7.求解下列定解问题:⎩⎨⎧==>+∞<<-∞=-++==)(),(0,,020022x u x u t x u a u u u t t t xx t tt ψϕεε解:令)0(),,(),(>=-ββt x v et x u t,代入原方程得:)2()(2222=+-+-+-v v v a v t xx tt βεβεβε取εβ=,可得⎩⎨⎧+==>+∞<<-∞=-==)()(),(0,,0002x x v x v t x v a v t t t xx tt εϕψϕ 由达朗贝尔公式得:[][]11(,)()()()()22x at x atv x t x at x at d aϕϕψξεϕξξ+-=++-++⎰所以,原定解问题的解为:[][]11(,)()()()()22x at t tx atu x t x at x at d eaeββϕϕψξεϕξξ+-=++-++⎰习题4.22.求解下列定解问题2000,0,00,0()tt xx t t t x x u a u x t u u u h t ===⎧=<<+∞>⎪==⎨⎪=⎩解:通解为12(,)()()u x t f x at f x at =++-由初始条件1212(,0)()()0(1)(,0)()()0(2)t u x f x f x u x af x af x =+=⎧⎨''=-=⎩对(2)式积分可得121()()f x f x C -=则有1112()2,0()2C f x x C f x ⎧=⎪⎪≥⎨⎪=⎪⎩0x at +≥恒成立,但是x at -可能小于零当0x at -<时1212()()()()()()f at f at h t f f h a ξξξ''+=⎧⎪⎨''+-=⎪⎩令0at ξ=>,积分可得12120()()()(0)(0)f f h d f f aξξξξξ+-=+-⎰令aξη=上式变为12120()()()(0)(0)a f f a h d f f ξξξηη+-=+-⎰21101110()()()()2()2a a a f f a h d C C a h d C C a h d ξξξξξηηηηηη⎡⎤-=-+⎢⎥⎣⎦=--=--⎰⎰⎰所以1210,02()(),02a C f C a h d ξξξηηξ⎧-≥⎪⎪=⎨⎪--<⎪⎩⎰则有1210,2()(),2a C x t a f x at C xa h d t a ξηη⎧-≤⎪⎪-=⎨⎪-->⎪⎩⎰又因为11()2C f x at +=所以00,(,)(),a x t a u x t xa h d t a ξηη⎧≤⎪⎪=⎨⎪->⎪⎩⎰习题4.31.求解下列定解问题200,,,,0,tt t t t u a u x y z t u yz u xz ==⎧=∆-∞<<+∞>⎪⎨==⎪⎩解:对于三维波动方程,其解为1(,,)(,,)(,,,)41(,,)1(,,)44x y z x y z u x y z t dS dS a t atatx y z x y z dS dSa tataatϕψπϕψππ''''''∂⎡⎤=+⎢⎥∂⎣⎦''''''∂⎡⎤=+⎢⎥∂⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰其中2sin cos ,02,0sin sin cos ()sin x x at y y at z z at dS at d d θϕϕπθπθϕθθϕθ'=+≤≤≤≤⎧⎪'=+⎪⎨'=+⎪⎪=⎩在本题目中(,,)x y z yzϕ=,(,,)x y z xz ψ=()()2222222001(,,)41(sin sin )(cos )()sin 41sin sin cos sinsin sin cos sin 412sin 2sin cos 4x y z dS a t aty r z r at d d a tatat yz aty at a t d d a tat yz aty d a t πππππϕπθϕθθϕθπθθθθϕθθϕϕθππθπθθθπ'''∂⎡⎤⎢⎥∂⎣⎦∂++⎡⎤=⎢⎥∂⎣⎦∂⎛⎫=+++ ⎪∂⎝⎭∂=+∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰ ()1404at yz a t yzππ⎛⎫ ⎪⎝⎭∂⎛⎫=+⎪∂⎝⎭=⎰1(,,)4x y z dSa atxztψπ'''=⎰⎰则(,,,)u x y z t yz xzt=+3.利用三维泊松公式求解下列问题220,,,,00,tt t t t u a u x y z t u u x yz ==⎧=∆-∞<<+∞>⎪⎨==+⎪⎩ 解:对于三维波动方程,其解为1(,,)(,,)(,,,)41(,,)1(,,)44x y z x y z u x y z t dS dS a tatatx y z x y z dS dSa t ataatϕψπϕψππ''''''∂⎡⎤=+⎢⎥∂⎣⎦''''''∂⎡⎤=+⎢⎥∂⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰在本题目中有(,,,)0x y z t ϕ=,则有()()()()()()()()()222220220021(,,)(,,,)4sin sin sin sin cos 1sin 4sin sin sin sin cos sin 4sin sin sin 4sin 4x y z u x y z t dSaatx at y at z at at d d a at t x at y at z at d d t x at d d yzttx d ππππππψπθϕθϕθθϕθπθϕθϕθθϕθπθϕθϕθπθπ'''=⎛⎫++++ ⎪=⎪⎝⎭=++++=++=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ ()()22222322000022223200232sin sin 2sin sin 4sin sin 043d a t d d xat d d yztt x a t d d yzta t x t yztππππππππϕθθϕϕθθϕϕθπθθϕϕπ+++=+++=++⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰习题4.43.导出二维Cauchy 问题解的表达式200(,,),,,00,0tt t t t u a u f x y t x y t u u ==⎧=∆+-∞<<+∞>⎪⎨==⎪⎩ 解:利用齐次化原理求解 如果(,,,)w x y t τ是定解问题20,(,,)tt t tt W a W W W f x y τττ==⎧=∆⎪⎨==⎪⎩的解 则0(,,)(,,,)tu x y t w x y t d ττ=⎰即为定解问题200(,,)0,0tt t t t u a u f x y t u u ==⎧=∆+⎪⎨==⎪⎩的解 对于0(,,)(,,,)tu x y t w x y t d ττ=⎰显然存在如下的关系(,,,)0t uw x y t d ττ===⎰(,,,)t t t u w w w x y t d d tttττττ=∂∂∂=+=∂∂∂⎰⎰此时有00t ut =∂=∂又有222222222000(,,)(,,)t tttu w w w wd f x y t a wd f x y t a d tttx y ττττ=⎛⎫∂∂∂∂∂=+=+∆=++ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭⎰⎰⎰且222222220tuuw wd x y xy τ⎛⎫∂∂∂∂+=+ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎰将上式代入22u t∂∂表达式可得2222222(,,)(,,)u u u f x y t a f x y t a u txy ⎛⎫∂∂∂=++=+∆ ⎪∂∂∂⎝⎭因此齐次化原理得以证明.由齐次方程柯西问题解的泊松公式可得1(,,)(,,,)2Mf w x y t aττπ=⎰⎰所以,原问题的解为()201(cos ,sin ,)(,,)2t a t f x r y r u x y t d aτπθτπ-++=⎰⎰⎰习题5.1 1.若[]()()F g x f ω=,求证[]()2()F f x g πω=-.证明:由傅里叶反变换式1()()2j xg x f ed ωωωπ+∞-∞=⎰,将式中自变量x 换为x -,得1()()2j xg x f ed ωωωπ+∞--∞-=⎰将上式变量x 换为ω,而把ω换为x ,得 1()()2j xg f x e dx ωωπ+∞--∞-=⎰ 即[])(2)(ωπ-=g x f F2.求证 (1)1,0y Fe y ω--⎡⎤>⎣⎦(2)00()()j xF ef x f ωωω⎡⎤=-⎣⎦证明:根据Fourier 变换可得出000++()0()()()()j xj xj xj xF e f x f x e edxf x edxf ωωωωωωω∞--∞∞---∞⎡⎤⎣⎦===-⎰⎰(3)[]()()f aF f at aω=证明:若0>a ,则)(at f 的傅里叶变换为[]+()()j tF f at f at edtω∞--∞=⎰令at x =,则adtdx=代入上式,可得[]+1()()j x adx F f x f x ef aa a ωω-∞-∞⎛⎫==⎪⎝⎭⎰若0<a ,则类似地有[]1()Ff at f aa ω⎛⎫=-⎪⎝⎭综上所述[]()()f aF f at aω=3.求函数的Fourier 变换 (1) ()xf x e -= 证明:2cos sin 22cos 1xxxxj xxF e eedx exdx i exdxexdx ωωωωω+∞+∞+∞------∞-∞-∞+∞-⎡⎤==-⎣⎦==+⎰⎰⎰⎰由于积分区间是关于坐标轴对称,且积分函数是个奇函数故sin 0xexdx ω+∞--∞=⎰因此2022cos 1x xF e e xdx ωω+∞--⎡⎤==⎣⎦+⎰(2) 2()xf x eπ-=证明:直接利用公式[]2222()cos sin 2cos xj xxxxF f x e edxexdx i exdxexdxπωπππωωω+∞---∞+∞+∞---∞-∞+∞-==-=⎰⎰⎰⎰根据公式22240cos xa ba bexd ωωω-+∞-=⎰则[]22441()22Ff x eeωωππ--=⋅=(3)2()cos f x ax = 证明:[]2()cos j xF f x ax edxω+∞--∞=⋅⎰根据cos 2izize ez -+=上式可以变为2222222222222()()2424()42cos 211221122112212j xjaxjaxj xjaxj xjaxj xjax j xjax j xja x jja x jaaa ajja x aaax edxee edxe edx eedxedx edxedx edxeeωωωωωωωωωωωω+∞--∞-+∞--∞+∞+∞----∞-∞+∞+∞----∞-∞--+++∞+∞-∞-∞--⋅+==+=+=+=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰22()4212jja x aadx eedxωω++∞+∞-∞-∞+⎰⎰令)2x aωξ=-以及)2x aωη=+上式变为222222222222()()4242444401122112211jja x jja x aaaajjj j aajjj j aaeedx eedxeedeede d ed ωωωωωωξηωωξηξη--++∞+∞-∞-∞-+∞+∞-∞-∞-+∞+∞+==+⎰⎰⎰⎰⎰⎰再利用公式2402jj ed πξξ+∞=⎰上式可变为22222222440()()4444()()444422)44jjj j aaj j a a j j a a ed ed ee e e aωωξηωπωπωπωπξηωπ-+∞+∞------+⎤=+⎥⎥⎦⎤+⎥=⎥⎥⎣⎦=-⎰⎰5.求()0axf x ea -=>,,Fourier 正弦与余弦变换.解:由定义,得:2202cos 1cos 11cos cos 1sin 1sin 1sin cos 1cos axaxaxaxaxaxaxaxaxexdxxdeaxe ed xaaexdxa axdea axe xdea a xdeaaωωωωωωωωωωωωωω+∞-+∞-+∞+∞--+∞-+∞-+∞+∞--+∞-=-=-+=-=+⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦=+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰由此得出222cos axaexdx a ωω+∞-=+⎰即22()c a f a ωω=+同理可得22ˆ()sin axs f exdx a ωωωω+∞-==+⎰习题5.21. 用Fourier 变换法求解定解问题 ⎩⎨⎧==>∈=0)0,(,sin )0,(0,,2x u x x u t R x u a u t xx tt 解:对于初值问题关于x 作Fourier 变换,得:[]2222d (,)(,),,0d (,0)sin ,(,0)0t u t a u t x R t t u F x uωωωωω⎧+∈>⎪⎨⎪==⎩该方程变为带参数ω的常微分方程的初值问题. 解得12(,)ja t ja t ut C e C e ωωω-=+ 于是1212(,0)(sin ),(,0)()0t uF x C C u ja C C ωωω==+=-= 则由[]121sin 2C C F x ==可得[]1(,)sin ()2ja tja tut F x eeωωω-=+作像函数(,)ut ω 的Fourier 逆变换 [][][]11111(,)[(,)]1sin ()21sin (sin )211sin (sin )221[sin()sin()]2sin cos ja t ja t ja t ja t ja t ja t u x t F u t F F x e e F F x e F x e FF x e F F x e x at x at x atωωωωωωω--------=⎡⎤=+⎣⎦⎡⎤=+⎣⎦⎡⎤⎡⎤=+⎣⎦⎣⎦=-++=2.求解下列定解问题2cos ,0,0(,0)0,(,0)0,lim (,)0(0,)0tt xx t x x u a u t x t u x u x u x t u t →+∞⎧=+<<+∞>⎪===⎨⎪=⎩ 解:对自变量t 取Laplace 变换可得⎪⎩⎪⎨⎧=+∞=+=-0),(~,0),0(~1~~22222s u s us s dx ud a u s x求解常微分方程,得)(1~22s s Be Ae u xa sx as+++=-ω于是)1(1,02s s B A +-==所以]1[)1(1~2xas es s u --+=且111222()22211L (1)L L (1)(1)(1)R e s ,R e s ,(1)(1)s x sa x a xs t sta k k kke e s s s s s s e e s s s s s s ------⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎢⎥⎣⎦∑∑其中k s 是u ~的极点 由于01=s ,js =2,j s -=3都是一级极点,所以222202R e s ,lim lim ()lim ()(1)(1)(1)(1)11()2(1cos )12sin2st st st stk s s j s j kjtjte e e e s s s j s j s s s s s s s s eet t→→→--⎡⎤=⋅+-++⎢⎥++++⎣⎦=-+=-=∑2()2()2sin ,2R e s ,(1)0,x s t a k kat x x t e a a s x s s t a --⎧⎡⎤>⎪⎪⎢⎥=⎨⎢⎥+⎪≤⎢⎥⎣⎦⎪⎩∑所以,最后定解问题为22122sin 2sin ,22[]2sin ,2t at x x t aau L ut x t a--⎧->⎪⎪==⎨⎪≤⎪⎩4.求解定解问题(,),,0(,0)(),(,0)()tt xx t u u f x t x t u x x u x x ϕψ=+-∞<<+∞>⎧⎨==⎩解:首先使用分离变量法,令u VW=+,则可将原定解问题分解为200()(1)()tt xx t t t V a V V x V x ϕψ==⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩200(,)0(2)0tt xx t t t W a W f x t W W ==⎧=+⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩对于方程(1).对初值问题关于x 做Fourier 变化,得2222(,)(,)0(,0)(),(,0)()t d v t a v t dt v v ωωωωϕωωψω⎧+=⎪⎨⎪==⎩该方程变为带参数ω的常微分方程的初值问题.解得12(,)j at j at vt C e C e ωωω-=+ 于是1212()(,0)()(,0)()t v C C vj a C C ϕωωψωωω==+==-即有1111(,)()()()()22j at j at vt e ej a j a ωωωϕωψωϕωψωωω-⎡⎤⎡⎤=++-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦做像函数的Fourier 逆变换[]11111(,)(,)1111()()()()22j at j at j at j at W x t Fut Fe F e F e F e aj a j ωωωωωϕωϕωψωψωωω-------=⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=++-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦因为[][]()()()j atj atF x at eF x eωωϕϕϕω±±±== 做逆变换可得 1()()j at Fe x at ωϕωϕ-±⎡⎤=±⎣⎦又因为1()()()x at x j atj at F s ds e F s ds e j ωωψψψωω±±±-∞-∞⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎰⎰ 做逆变换可得11()()x at j at Fe s dsj ωψωψω±-±-∞⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎰因此[][]11(,)()()()()2211()()()22x atx at x at x atV x t x at x at s ds s ds a x at x at s dsaϕϕψψϕϕψ+--∞-∞+-⎡⎤=++-+-⎢⎥⎣⎦=++-+⎰⎰⎰对于方程(2).根据齐次化原理,如果(,,)w x t τ是齐次方程Cauchy 问题的解20(,)tt xx t t t w a ww w f x τττ==⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩则0(,)(,,)tW x t w x t d ττ=⎰是原问题的解.利用变换t t τ'=-则2000(,)t t xx t t t w a w w w f x τ'''=''=⎧=⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩ 利用达朗贝尔公式有1(,,)(,)2x at x at w x t f d a τατα'+'-'=⎰ ()()1(,,)(,)2x a t x a t w x t f d aτττατα+---=⎰可求得()0()1(,)(,)2t x a t x a t W x t f d d aττατατ+---=⎰⎰最后,[]()0()111()()()(,)222x at t x a t x atx a t u V W x at x at s ds f d d aaττϕϕψατατ++----=+=++-++⎰⎰⎰习题5.31.求证Laplace 变换的位移定理. 证明: Laplace 变换的位移定理为L ()(),Re()axef x f s a s a σ⎡⎤=-->⎣⎦ 根据Laplace 变换的定义可以求得()00L ()()()(),Re()axaxsxs a xef x ef x edx f x edx f s a s a σ+∞+∞---⎡⎤===-->⎣⎦⎰⎰3.用留数计算1221L (1)()sx ae s s ω--⎡⎤-⎢⎥+⎣⎦解:1122222211L (1)L ()()()sx sa x a e e s s s s s s ωωω----⎡⎤⎡⎤⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎢⎥⎣⎦根据L 变换的线性性质11122222211L (1)L L ()()()sx sa x ae e s s s s s s ωωω-----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦根据留数定理可得出()12222221L (1)R e s ,R e s ,()()()xs t ssta x a k k kk eee s s s s s s s s ωωω---⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦∑∑其中k s 是极点.由于01=s ,ωj s =2,ωj s -=3都是一级极点,所以22222222022222R e s ,lim lim ()lim ()()()()()11()21(1cos )2sin2st st st stk s s j s j kj tj te e e e s s s j s j s s s s s s s s eet tωωωωωωωωωωωωωωωω→→→--⎡⎤=⋅+-++⎢⎥++++⎣⎦=-+=-=∑对于()22R e s ,()xs t a k kes s s ω-⎡⎤⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦∑需要分情况讨论当xt a >时,()()()()222222220()()22222R e s ,lim lim ()lim ()()()()()1121()1cos 2()sin2x x x x s t s t s t s t a a a a k s s j s j kx xj t j t aae e e e s s s j s j s s s s s s s s e e at x a at x aωωωωωωωωωωωωωωωω----→→→----⎡⎤⎢⎥=⋅+-++⎢⎥++++⎢⎥⎣⎦⎡⎤=-+⎢⎥⎣⎦-⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦-=∑当x t a≤时,()22R e s ,0()xs t a k kes s s ω-⎡⎤⎢⎥=⎢⎥+⎢⎥⎣⎦∑综上所述,可以得出2()2222()sin ,2R e s ,()0,x s t a k kat x x t e a a s x s s t a ωωω--⎧⎡⎤>⎪⎪⎢⎥=⎨⎢⎥+⎪≤⎢⎥⎣⎦⎪⎩∑所以,最后结果为22221222222()sin sin ,122L (1)2()sin ,2s x at at x x t a a e t xs s t a ωωωωωωω---⎧->⎪⎡⎤⎪-=⎨⎢⎥+⎣⎦⎪≤⎪⎩7.求下列函数的Laplace 逆变换 (1) 5482+++s ss (2) )0(,)(222>+a a s s解:(1)对原式进行分解,得1)2(61)2(2548222++++++=+++s s s s s s则)sin 6(cos 1)2(61)2(25482212121t t e s L s s L s s s L t+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++----[查表可得](2)对原式进行分解,得22222)(14)(14)(ja s a j ja s a j a s s--+=+由于[]2)(1a s te L at+=-,得:1112222211()4()4()()41sin 2jatjats j jL L L s a a s ja a s ja j t eea t ata ----⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥++-⎣⎦⎣⎦⎣⎦=-=[查表可得] 习题5.41.用Laplace 变换法解下列定解问题:(2)2000,0,00,00tt xx t t t x u a u c x t u u u ===⎧=+<<∞>⎪⎪==⎨⎪=⎪⎩解:对时间变量t 坐拉普拉斯变换222200,x x d u c a s u u dx s u =→∞⎡⎤=⎧-=-⎪⎪⎩⎣⎨⎦=求解微分方程上述微分方程. 对应的特征方程为220s a λ⎛⎫-= ⎪⎝⎭特征根为s aλ=±对应齐次方程的通解为s sxxaauAe Be-=+由于00λ=不是特征方程对应的特征根,故非齐次方程的一个特解为*uC =将特解代入原方程可得3c C s=因此原问题的解为*3s sxxa ac uu u Ae Bes-=+=++根据边界条件可得出30c A s B ⎧=-⎪⎨⎪=⎩则33s xac c uess-=-+对其做逆变换可得[]1133(,)sx a c c u x t L u L e ss ---⎡⎤==-+⎢⎥⎣⎦ 根据线性定理可将其变为1133(,)sx ac c u x t L e L s s ---⎡⎤⎡⎤=-+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦其中,2132c ctL s -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦133Re s ,ssx x staa k kc c L e e e s s s ---⎡⎤⎡⎤-=-⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦∑其中,0s =是三阶极点故有()332()32302R e s ,R e s ,1lim (0),(31)!0,(),20,,s xx t s sta a k k kkxt s as c c e e s e s s s d c x s e t ds s a x t a c x x t t a a x t a ---→⎡⎤⎡⎤-⋅=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎧⎡⎤->⎪⎢⎥⎪-⎣⎦=⎨⎪≤⎪⎩⎧->⎪⎪=⎨⎪≤⎪⎩∑∑因此222(),22(,),2ct c x xt t a au x t ct x t a ⎧-->⎪⎪=⎨⎪≤⎪⎩4.用Laplace 变换求解⎪⎩⎪⎨⎧===+∞=>+∞<<=0)0,(,0)0,(0),(),(),0(0,0,2x u x u t u t f t u t x u a u t x xx tt 解:对自变量t 取Laplace 变换22220(0,)(),(,)0x d u s u a dx u s f s us ⎧-=⎪⎨⎪=+∞=⎩微分方程的解为x a sx a sBe Ae u-+=~ 再由(0,)(),(,)0x u s f s us =+∞= 所以()s xa a uef s s-=-由 Laplace 变换的卷积定理,得[][][]()*()()()L g x f x L g x L f x =⋅令xa s es a x g --=)(,对其求逆,得:()()0R e s ,lim (0)0,xxs t s t a a k s kx a t a a a e s s e xs s t a --→⎧->⎪⎡⎤⎡⎤⎪-=--=⎨⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪≤⎪⎩∑,最后定解问题的解是)(*)(x f x g 则最后的解为0()(,)0,xt ax a f d t au x t x t a ττ-⎧->⎪⎪=⎨⎪≤⎪⎩⎰,6.有一根均匀弹性细杆,长为l ,一端固定,另一端受外力sin F A tω=作用.杆的初始位移与速度都为0,求杆的纵向振动规律.解:设Y 与S 分别是细杆杨氏模量与截面积,则定解问题为2,0,0sin (0,)0,(,)(,0)0,(,0)0tt xx xx u a u x l t A t u t u l t SY u x u x ω⎧=<<>⎪⎪==⎨⎪==⎪⎩对自变量t 取Laplace 变换2222220(,)(0,)0,x ld u a s u dx du x s Au s dx SY s ωω=⎧-=⎪⎪⎨⎪==⎪+⎩求解常微分方程可得ss xxaauC eD e-=+代入边界条件可得出2201()l l s s aaC D A C SY s s e e ωω-+=⎧⎪⎪=⎨+⎛⎫⎪+ ⎪⎪⎝⎭⎩所以221()ssx x x x s s a a a a l ls s a a u C e D e e e s s e eωω---⎛⎫=+=- ⎪+⎛⎫⎝⎭+ ⎪⎝⎭对上式取Laplace 逆变换可求得。
数学物理方程期中答案
2.求解热传导方程的初值问题 { ut = a2 uxx , −∞ < x < ∞, t > 0 u|t=0 = cosx 解:对各项以x为变量施行Fourier变换,得 ∫ ∞ F [u(x, t)] = u(x, t)eiλx dx = u ˆ(λ, t) ∫ F [cosx] =
∂Ω
∂v ∂v ∂v ( )2 + ( )2 ( )2 − 2f v dΩ − ∂y ∂z Ω ∂x
考察变分问题: 求 u ∈ V ,使 J (u) = min J (v ).
v ∈V
¯ 。试导出与其等价的边值问题,并证明他们的等价 其中V = C 2 (Ω) ∩ C 1 (Ω) 性。 解: 等价的边值问题为: { −△u = f, ∂u | = g ∂n ∂ Ω 一方面,若u 是变分问题的解,则对于任意的v ∈ V ,令 v = u + λw, 有 ∫ ∫ ∫ ∂u ∂u ∂u λ2 J (v ) = J (u) + λ( ∇u∇w − f w + ( )2 + ( )2 + ( )2 gw) + 2 Ω ∂x ∂y ∂z Ω ∂Ω 因 J (u + λw)在0处取极小值, 从而有 J ′ (u + λw)|λ=0 = 0 3
BR BR
证明 (1): 利用 Green 第二公式, ∫ ∂v ∂u u△v − △u = int∂ Ω u −v ∂n ∂n Omega
(0.1)
取 v = rn1 −2 , Ω = BR (M0 )\Bϵ (M0 ),代入到 (0.1)则得到(1)的第一式, 因为第一 式对任意的半径R均成立,在第一式的基础上,同时关于半径r 在区间 [0, R] 上 积分即可得(1)的第二式. (2): 对球上的任意两点M1 , M2 ,有 BR (M1 ) ⊂ B2R (M0 ) ⊂ B3R (M2 ) 由(1)的第二式知: ∫ ∫ 1 1 cccu(M1 ) = u≤ u wn Rn BR (M1 ) wn Rn B2R (M0 ) ∫ 1 ≤ u = 3n u(M2 ). n wn R B3R (M2 ) 证毕. 6. 对Rn 中的有界连通区域Ω 中的方程 { ∑ ∂u 3 Lu = △u + n i=1 bi ∂xi + c(x)u = 0, in Ω ∂u + σu|∂ Ω = φ. ∂n 其中,bi (x) 和c(x) < 0 都是Ω 中的连续函数 且σ ≥ σ0 > 0. 试证明下列极致原 理: (1) 方程的解u(x) 不能在Ω 内部取到正的极大值或负的极小值. 1 (2)成立极大摸估计: supx∈Ω |u(x)| ≤ σ |φ(x)|. 0 4
数学物理方程试卷
数学物理方程试卷一、常微分方程(1)证明椭圆线方程$x^2+y^2=1$的曲率半径是无穷的证明:曲线的曲率半径R为曲线点处的法线与曲率半径的夹角$\frac{1}{R}$的反正切值,其表达式为$\frac{,y',}{\sqrt{1+y'^2}}$,其中$y'$为曲线其中一点处的导数值。
而椭圆线方程$x^2+y^2=1$的一阶导数分别为$\frac{dy}{dx}=\frac{-x}{y}$以及$\frac{dx}{dy}=\frac{x}{y}$,这里可以得到$y' = \frac{-x}{y}=\frac{-1}{x}$。
此时曲率半径表达式变为$\frac{x}{,x,\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}}$,表达式中的$,x,$可以去掉,并且$x$取任意值,故椭圆线方程$x^2+y^2=1$的曲率半径是无穷的。
(2)证明球面$x^2+y^2+z^2=a^2$的曲率、曲率半径一致证明:根据曲线曲率的定义可知,球面$x^2+y^2+z^2=a^2$的曲率为$\kappa=\frac{,R_1\cdot R_2,}{R^3}$,其中$R_1$、$R_2$分别为曲线其中一点处的两个切线的曲率半径,$R$为曲线其中一点处的曲率半径。
而对于球面,它的两个曲率半径$R_1$和$R_2$是完全一样的,这是因为在球面其中一点的法线方向没有区别,故$R_1=R_2$。
此时曲率可以表示为$\kappa=\frac{R_1^2}{R^3}=\frac{R^2}{R^3}=\frac{1}{R}$,即曲率等于其曲率半径的倒数,也就是说球面$x^2+y^2+z^2=a^2$的曲率和曲率半径是一致的。
二、偏微分方程。
数学物理方程作业题及解答
)22y2t-x-22y2t-x-35ïïîïïíì=¶¶==¶¶-¶¶==x t u u xt x ut ut t sin |,0sin 002222解:根据叠加原理,问题可以分解为以下两类问题的叠加: (I )ïîïïíì=¶¶==¶¶-¶¶==xt u ux u tu tt sin |,0011212212(II) ïïîïïíì=¶¶==¶¶-¶¶==0|,0sin 020222222t t t u u x t x u t u 根据达朗贝尔方程,问题(I )的解为:)的解为: a a d t x u tx tx ò+-=sin21),(1=)]cos()[cos(21t x t x --+-=t x sin sin根据齐次化原理,问题(II )的解为)的解为t x x tt t d d t x u t t x t x òò-+--=0)()(2sin 21),(=ò----+-td t x t x 0))](cos())([cos(21t t t t=ò-td t x 0)sin(sin t t t=))cos()cos((sin 0ò---tt d t t x t t t t=))sin((sin 0tt t x t -+=)sin (sin t t x - =t x x t sin sin sin - 所以,x t t x u t x u t x u sin ),(),(),(21=+=第2次作业:(分离变量法)p22 1. 用分离变量法求下列问题的解:(1) ïïïîïïïíì==<<-=¶¶=¶¶=¶¶==0),(),0()0()1(,3sin 022222t l u t u l x x x t u l x u x ua t u ot t p解:采用分离变量法,令解:采用分离变量法,令)()(),(t T x X t x u =带入偏微分方程,得到带入偏微分方程,得到0)()(")(")(2=-t T x X a t T x X (1)将上式分离变量,有将上式分离变量,有 )()(")()("2x X x X t T a t T =(2)上式只有在两边均等于常数时才成立。
数学物理方程第5章习题及答案
11.设 {(x, y) | x2 y2 R2, y 0}, 考虑半圆域狄利克雷问题
u 0, x
u(x, y) (x, y),(x, y)
应用对称法求区域 上的格林函数。
解:该问题所求格林函数应满足
G (P, P0 ), P
G(P, P0 ) 0, P B(圆周) G(P, P0 ) 0, P L(x轴上的边界)
C1
1
4
解为 u 1
4 r
方法二: 本题中u只与r有关,则
所以
uxx
u yy
+uzz
=
1 r
(2ur
rurr )
2ur rurr 0 2rur r 2urr 0 (r 2ur )r 0 r 2ur C
ur
C r2
u
C1
1 r
C2
随后求解过程与方法一相同。
注:在球面坐标系中
uxx
记 G \ B ,则 G B ,在格林第二公式
(uv vu)d
(u
v n
v
u )ds n
中,令 v (P, P0 ),注意到 0 ,则有
ud
G
(u
G
n
u )ds n
或
ud (u u )ds (u u )ds
G
n n
B n n
在圆周B 上有
( 1
随后求解过程与方法一相同。
(3)uxx uyy +uzz =0,r 0
解:方法一: 三维拉普拉斯方程的基本解表示通解
1 u C1 r C2
lim u(r)=0
r
C2
0
u n |B(0, )
u n
B(0, )
数学物理方程练习题第九版(学生用)汇编
8
= ∆u 0, (x, y, z) ∈ KR \ Kr ,
= u Γr 1,= u ΓR 2, 证明:在 KR \ Kr 内, 1 < u < 2.
3. 用积分变换法求解定解问题:
7
= ut a2u xx +ku, -∞<x < +∞, t > 0, u(x,0) = ϕ(x).
练习十四
1.证明二维调和函数的积分表达式:
u(M 0 )
=
−
1 2π
∫ C u
∂ ∂n
ln
1 r
− ln
1 r
∂u ∂n
ds.
2.在下半平面 y < 0 内求解拉普拉斯方程的边值问
《数学物理方程与特殊函数》习题
练习一
1.写出长为 L 的弦振动的边界条件和初始条件:
(1)端点 x = 0, x = L 是固定的;
(2)初始状态为 f (x) ;
(3)初始速度为 g(x) ; (4)在任何一点上,在时刻 t 时位移是有界的. 2.写出弦振动的边界条件:(1)在端点 x = 0 处,弦是移动的,由 g(t) 给出;(2) 在端点 x = L 处,弦不固定地自由移动. 3. 验证函数 u = f (xy) 是方程 xux − yu y = 0 的解,其中 f 是任意连续可微函数.
= u t a2u xx ,
x > 0, t > 0,
= u(0,t) u= 0 , u(x,0) 0, u(x,t)有界.
成都理工数学物理方程试题
《数学物理方程》模拟试卷一、填空题<3分10=30分)1.说明物理现象初始状态的条件叫<),说明边界上的约束情况的条件叫<),二者统称为<).2.三维热传导齐次方程的一般形式是:<) . 3 .在平面极坐标系下,拉普拉斯方程算符为<) . 4.边界条件是第<)类边界条件,其中为边界.5.设函数的傅立叶变换式为,则方程的傅立叶变换 为<) .6.由贝塞尔函数的递推公式有<) . 7.根据勒让德多项式的表达式有= <). 8.计算积分<) .9.勒让德多项式的微分表达式为<) . 10.二维拉普拉斯方程的基本解是<) .二、试用分离变量法求以下定解问题<30分):1. 2. ⨯f u nuS=+∂∂)(σS ),(t x u ),(t U ω22222xu a t u ∂∂=∂∂=)(0x J dx d)(31)(3202x P x P +=⎰-dx x P 2112)]([)(1x P ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<=∂∂===><<∂∂=∂∂====30,0,3,000,30,200322222,0x t u x x t x x u t u t t x u u u ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===><<∂∂=∂∂===x t x x ut u u u u t x x 2,0,00,40,040223. 三、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题<10分)四、用积分变换法求解下列定解问题<10分):五、利用贝赛尔函数的递推公式证明下式<10分):六、在半径为1的球内求调和函数,使它在球面上满足,即所提问题归结为以下定解问题<10分):(本题的只与有关,与无关>《数学物理方程》模拟试卷参考答案一、 填空题:1.初始条件,边值条件,定解条件.2.3.. ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<=∂∂===><<+∂∂=∂∂====20,0,8,00,20,162002022222x t u t x x u t u t t x x u u u ⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂=>+∞<<-∞+∂∂=∂∂==0,2sin 0,,cos 0022222t t t u x u t x x x u a t u ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=>>=∂∂∂==,1,10,0,1002y x u y u y x y x u)(1)()('0''02x J xx J x J -=u θ21cos ==r u .0,12cos 3,0,10,0)(sin sin 1)(11222πθθπθθθθθ≤≤+=≤≤<<=∂∂∂∂+∂∂∂∂=r u r ur r u r r r u θ,r ϕ)(2222222zu y u x u a t u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂01)(1222=∂∂+∂∂∂∂θρρρρρu u4. 三.5..6..7..8..9..10..二、试用分离变量法求以下定解问题1.解令,代入原方程中得到两个常微分方程:,,由边界条件得到,对的情况讨论,只有当时才有非零解,令,得到为特征值,特征函数,再解,得到,于是再由初始条件得到,所以原定解问题的解为b5E2RGbCAP 2.解令,代入原方程中得到两个常微分方程:,,由边界条件得到,对的情况讨论,只有当时才有非零解,令,得到为特征值,特征函数,再解,得到,于是再由初始条件得到,所以原定解问题的解为p1EanqFDPw 3.解由于边界条件和自由项均与t 无关,令,代入原方程中,将方程与边界条件同时齐次化。
数学物理方程期末考试题及答案
数学物理方程期末考试题及答案一、选择题(每题2分,共10分)1. 以下哪一项不是数学物理方程的特点?A. 连续性B. 离散性C. 线性D. 非线性答案:B2. 波方程是描述什么的方程?A. 热传导B. 电磁波C. 机械波D. 流体动力学答案:C3. 拉普拉斯方程通常出现在哪种物理现象中?A. 热传导B. 流体流动C. 电磁场D. 弹性力学答案:C4. 以下哪个不是偏微分方程的解的性质?A. 唯一性B. 线性C. 稳定性D. 离散性答案:D5. 波动方程的解通常表示什么?A. 温度分布B. 电荷分布C. 压力分布D. 位移分布答案:D二、填空题(每空2分,共20分)6. 波动方程的基本形式是 _______。
答案:\( \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u \)7. 热传导方程,也称为________方程。
答案:傅里叶8. 拉普拉斯方程 \( \nabla^2 \phi = 0 \) 在静电学中描述的是________。
答案:电势9. 边界条件通常分为________和________。
答案:狄利克雷边界条件;诺伊曼边界条件10. 波动方程的一般解可以表示为________和________的叠加。
答案:基频解;高阶谐波三、简答题(每题10分,共30分)11. 解释什么是边界层的概念,并给出一个实际应用的例子。
答案:边界层是流体力学中的一个概念,指的是流体靠近物体表面处的一层非常薄的流体,其中速度梯度很大。
在边界层内,流体的速度从物体表面的零速度逐渐增加到与外部流体速度相匹配。
一个实际应用的例子是飞机的机翼,边界层的厚度和特性对飞机的升力和阻力有重要影响。
12. 描述什么是格林函数,并解释它在解决偏微分方程中的作用。
答案:格林函数是一种数学工具,用于解决线性偏微分方程。
它是一个特定的函数,当它与方程的算子相乘时,结果是一个狄利克雷问题,其解是原始方程的一个解。
物理方程测试题及答案
物理方程测试题及答案一、选择题(每题2分,共20分)1. 光在真空中传播的速度是多少?A. 299,792,458 m/sB. 299,792,458 km/hC. 299,792,458 km/sD. 299,792,458 m/h答案:A2. 以下哪个是牛顿第二定律的表达式?A. F = maB. F = mvC. F = m/aD. F = ma^2答案:A3. 一个物体的质量为2kg,受到的力为10N,它的加速度是多少?A. 5 m/s^2B. 10 m/s^2C. 20 m/s^2D. 40 m/s^2答案:A4. 根据动能定理,一个物体的动能与其速度的平方成正比,与其质量成什么关系?A. 正比B. 反比C. 无关D. 无法确定答案:A5. 以下哪个选项是描述电磁波的方程?A. E = mc^2B. E = hνC. F = G*(m1*m2)/r^2D. F = ma答案:B6. 一个物体从静止开始自由下落,其加速度是多少?A. 9.8 m/s^2B. 10 m/s^2C. 0 m/s^2D. 无法确定答案:A7. 以下哪个是描述理想气体状态方程的?A. PV = nRTB. P = ρghC. F = maD. E = mc^2答案:A8. 以下哪个是描述欧姆定律的方程?A. V = IRB. I = V/RC. R = V/ID. A. B. C. 都是答案:D9. 以下哪个是描述电磁感应定律的方程?A. E = F/qB. E = hνC. E = -dΦ/dtD. E = mc^2答案:C10. 以下哪个是描述库仑定律的方程?A. F = G*(m1*m2)/r^2B. F = k*(q1*q2)/r^2C. F = maD. E = mc^2答案:B二、填空题(每题2分,共20分)1. 根据牛顿第三定律,作用力和反作用力大小________,方向________。
答案:相等;相反2. 光年是光在一年内通过的距离,其值约为________光年。
数学物理方程期末考试试题及答案
数学物理方程期末考试试题及答案一、求解方程(15分)⎧utt -a2uxx=0⎪⎨ux-at=0=ϕ(x)⎪u⎩x+at=0=ψ(x).其中ϕ(0)=ψ(0)。
⎧ξ=x-at解:设⎨则方程变为:η=x+at⎩uξη=0,u=F(x-at)+G(x+at)(8’)由边值条件可得:F(0)+G(2x)=ϕ(x),F(2x)+G(0)=ψ(x)由ϕ(0)=ψ(0)即得:u(x,t)=ϕ(x+at x-at)+ψ()-ϕ(0)。
22二、利用变量分离法求解方程。
(15分)⎧utt -a2uxx=0,(x,t)∈Q,⎪⎨ux=0=ux=l=0,t≥0,⎪u=ϕ(x),ut t=0=ψ(x)⎩t=0其中0≤x≤l。
a>0为常数解:设u=X(x)T(t)代于方程得:X''+λX=0,T''+λa2T=0(8’)X=C1cosλx+C2sinλx,T=C1cosλat+C2sinλat由边值条件得:C 1=0,λ=(∞n π2)ln πx lu =∑(B n cos λat +A n sin λat )sin n =1B n =2l n πx 2l n πx ,ϕ(x )sin dx A =ψ(x )sin dx n ⎰⎰00l l an πl2三.证明方程u t -a u xx -cu =0(c ≥0)具有狄利克雷边界条件的初边值问题解的唯一性与稳定性. (15分)证明:设v =e -ct u 代入方程:⎧v t-a 2v xx =0⎪⎨v t =0=ϕ(x )⎪v (0,t )=g (t ),v (l ,t )=g (t ).12⎩设v 1,v 2都是方程的解设v =v 1-v 2代入方程得:⎧v t-a 2v xx =0⎪⎨v t =0=0⎪v (0,t )=,v (l ,t )=0⎩由极值原理得v =0唯一性得证。
(8’)由v 1-v 2≤v 1-v 2得证。
τ≤ε,稳定性得证由v =e -ct u 知u 的唯一性稳定性四.求解二维调和方程在半平面上的狄利克雷问题(15分).∆u =u xx +u yy +u zz=0,z >0,u z =0=f (x ).解:设p (ξ,η,ζ)是上半平面内一点,在该点放置单位点电荷,其对称点p (ξ,η,-ς)格林函数:G (x ,y ,ξ,η)=-14π14π1(x -ξ)+(y -η)+(z -ς)1(x -ξ)+(y -η)+(z +ς)222222+∂G∂G=-∂n∂z z=0=ς2π[(x-ξ)+(y-η)+ς]2223/2方程的解:u(ξ,η)=ς2πϕ(x,y)⎰[(x-ξ)2+(y-η)2+ς2]3/2dx R2五、证明下列初边值问题解的唯一性.(20分)u utt-a2(uxx+uyy)=f(x,y,t) t=0=ϕ(x,y),=ψ(x,y),ut t=0uΓ=g(x,y,t).其中t>0,(x,y)∈Ω,Γ为Ω的边界.解:设u1,u2都是方程的解设u=u1-u2代入方程得:u tt -a(uxx+uyy)=0u u t t=02 =0=0 t=0uΓ=0.设E(t)=12222[u+a(u+u]dxdy t x y⎰⎰2ΩdE(t)=2⎰⎰[ut utt+a2(uxuxt+uyuyt)]dxdydtΩ=2[ut [utt-a(uxx+uyy)]dxdyΩ⎰⎰2=0(10’)E(t)=E(0)=0,u=C,由边值条件得:u=0。
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《数学物理方程》模拟试题一、填空题(3分⨯10=30分)1.说明物理现象初始状态的条件叫(),说明边界上的约束情况的条件叫(),二者统称为().2.三维热传导齐次方程的一般形式是:().3 .在平面极坐标系下,拉普拉斯方程算符为() .4.边界条件funuS=+∂∂)(σ是第()类边界条件,其中S为边界.5.设函数),(txu的傅立叶变换式为),(tUω,则方程22222xuatu∂∂=∂∂的傅立叶变换为().6.由贝塞尔函数的递推公式有=)(xJdxd() .7.根据勒让德多项式的表达式有)(31)(322xPxP+= ().8.计算积分=⎰-dxxP2112)]([().9.勒让德多项式)(1xP的微分表达式为() .10.二维拉普拉斯方程的基本解是() .二、试用分离变量法求以下定解问题(30分):1.⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<=∂∂== =><<∂∂=∂∂====30,0,3,0 0,30,2322222,0xtuxxtxxututtxuuu2.⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===><<∂∂=∂∂===xtxxutuuuutxx2,0,0,40,4223. ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<=∂∂===><<+∂∂=∂∂====20,0,8,00,20,162002022222x t u t x x ut u t t x x u u u三、用达朗贝尔公式求解下列一维波动方程的初值问题(10分)⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂=>+∞<<-∞+∂∂=∂∂==0,2sin 0,,cos 0022222t t t u x u t x x x u a t u四、用积分变换法求解下列定解问题(10分):⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=>>=∂∂∂==,1,10,0,1002y x u y u y x y x u五、利用贝赛尔函数的递推公式证明下式(10分):)(1)()('0''02x J xx J x J -=六、在半径为1的球内求调和函数u ,使它在球面上满足θ21cos ==r u ,即所提问题归结为以下定解问题(10分):.0,12cos 3,0,10,0)(sin sin 1)(11222πθθπθθθθθ≤≤+=≤≤<<=∂∂∂∂+∂∂∂∂=r u r ur r u r r r(本题的u 只与θ,r 有关,与ϕ无关)《数学物理方程》模拟试题参考答案一、 填空题:1.初始条件,边值条件,定解条件.2.)(2222222z u y u x u a t u ∂∂+∂∂+∂∂=∂∂ 3.01)(1222=∂∂+∂∂∂∂θρρρρρu u .4. 三.5.U a dt Ud 2222ω-=.6.)(1x J -.7.2x .8.52.9.)1(212-x dx d .10.2020)()(1lny y x x u -+-=.二、试用分离变量法求以下定解问题1.解 令)()(),(t T x X t x u =,代入原方程中得到两个常微分方程:0)()(2''=+t T a t T λ,0)()(''=+x X x X λ,由边界条件得到0)3()0(==X X ,对λ的情况讨论,只有当0>λ时才有非零解,令2βλ=,得到22223πβλn ==为特征值,特征函数3s in)(πn B x X n n =,再解)(t T ,得到32s in32c o s )(;;t n D t n C t T n n n ππ+=,于是,3sin )32sin 32cos(),(1xn t n D t n C t x u n n n πππ+=∑∞=再由初始条件得到0,)1(183sin 332130=-==+⎰n n n D n xdx n x C ππ,所以原定解问题的解为,3sin )32cos )1(18(),(11x n t n n t x u n n πππ+∞=-=∑2. 解 令)()(),(t T x X t x u =,代入原方程中得到两个常微分方程:0)()('=+t T t T λ,0)()(''=+x X x X λ,由边界条件得到0)4()0(==X X ,对λ的情况讨论,只有当0>λ时才有非零解,令2βλ=,得到22224πβλn ==为特征值,特征函数4sin)(πn B x X n n =,再解)(t T ,得到16;22)(tn n n eC t T π-=,于是,4s i n (),(16122x n eC t x u t n n n ππ-∞=∑=再由初始条件得到140)1(164sin 242+-==⎰n n n xdx n x C ππ,所以原定解问题的解为,4sin)1(16),(161122xn e n t x u t n n n πππ-+∞=-=∑3.解 由于边界条件和自由项均与t 无关,令)(),(),(x w t x v t x u +=,代入原方程中,将方程与边界条件同时齐次化。
因此212''''22222)(16)(416)]([4c x c x x w x w x w x vt v ++-=⇒=⇒++∂∂=∂∂,再由边界条件有8)2(,0)0(==w w ,于是0,821==c c ,x x x w 82)(2+-=.再求定解问题⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<=∂∂-===><<∂∂=∂∂====20,0),(,000,20,200322222,0x t v x w x t x x v t v t t x v v v 用分离变量法求以上定解问题的解为,2sin cos ])1)1[(32)1(16(),(331x n t n n n t x v n n n ππππ--+-=∑∞=故,2sin cos ])1)1[(32)1(16(28),(3312xn t n n n x x t x u n n n ππππ--+-+-=∑∞=三.解令)(),(),(x w t x v t x u +=,代入原方程中,将方程齐次化,因此x a x w x x w a x x w x v a t v cos 1)(0cos )(cos )]([2''2''22222=⇒=+⇒++∂∂=∂∂,再求定解问题⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∂∂-=>∂∂=∂∂==,0),(cos 12sin 0,02022222t t tv x xw a x t xv a t v v 由达朗贝尔公式得到以上问题的解为atx a at x at x aat x at a a at x t x v cos cos 1cos sin 0)]cos(1)(2sin )cos(1)(2[sin 21),(222-=+---++-+=故.cos 1cos cos 1cos sin ),(22x a at x a at x t x u +-=四.解 对y 取拉普拉斯变换),()],([p x U y x u L =,对方程和边界条件同时对y 取拉普拉斯变换得到p p U pdx dU px 11,120+===,解这个微分方程得到p p x p p x U 111),(22++=,再取拉普拉斯逆变换有1),(++=y yx y x u 所以原问题的解为1),(++=y yx y x u .五.证明 由公式)())((1x J x x J x dx d n n n n+---=有)()()(1'x J x x nJ x xJ n n n +-=-,令1=n有)()()(211'x xJ x J x xJ -=-,所以)(1)()(11'2x J xx J x J +-=,又)()(),()(1'0''10'x J x J x J x J -=-=,所以)(1)()(0'0''2x J x x J x J -=.六.解 由分离变量法,令)()(),(θθΦ=r R r u ,得到∑∞==0)(cos ),(n n n n P r C r u θθ,由边界条件有∑∞===+=01)(cos 12cos 3n n n r P C uθθ,令x =θc o s ,)()()(261)12(322110022x P c x P c x P c x x ++=-=+-∴,)13(212622102-++=-x c x c c x , 4,0,0210===∴c c c ,故222222cos 6)1cos 3(214),(r r r r u -=-=θθθ。