Chapter3 积分变换法
基础知识
欧拉公式
eiθ=cosθ+isinθsinθ=2ieiθ−e−iθcosθ=2eiθ+e−iθ
双曲正弦/余弦
sinhθ=2eθ−e−θcoshθ=2eθ+e−θdθdsinhθ=coshθdθdcoshθ=sinhθ
双曲函数的恒等式
cosh2θ−sinh2θ=1
高斯积分
∫−∞∞e−x2dx=π∫−∞∞e−ax2dx=aπ
一阶常微分方程的解
齐次
y′+p(x)y=0
解为
y=Ce−∫p(x)dx
非齐次
y′+p(x)y=q(x)
解为(使用常数变易法得到,不过建议直接记结论)
y=e−∫p(x)dx(∫q(x)e∫p(x)dxdx+C)
实际用的时候积分起点可以随便选一个计算方便的(比如0)
三角函数公式
积化和差
sinαcosβ=21[sin(α+β)+sin(α−β)]cosαsinβ=21[sin(α+β)−sin(α−β)]cosαcosβ=21[cos(α+β)+cos(α−β)]sinαsinβ=−21[cos(α+β)−cos(α−β)]
和差化积
sinα+sinβ=2sin(2α+β)cos(2α−β)sinα−sinβ=2cos(2α+β)sin(2α−β)cosα+cosβ=2cos(2α+β)cos(2α−β)cosα−cosβ=−2sin(2α+β)sin(2α−β)
Fourier变换
对傅里叶级数取极限,可以得到
f(t)=2π1∫−∞∞[∫−∞∞f(τ)e−iωτdτ]eiωtdω
且
F−1[F[f(t)]]=⎩⎨⎧f(t)2f(t+)+f(t−)t为f(t)连续点t为f(t)第一类间断点
Fourier变换
F[f(t)]=∫−∞∞f(t)e−iωtdt=F(ω),−∞<ω<∞
Fourier逆变换
F−1[F(ω)]=2π1∫−∞∞F(ω)eiωtdω=f(t)
例题
- 求函数f(t)=e−β∣t∣的Fourier积分公式
解
f(t)=∫−∞∞e−β∣t∣eiωtdt=∫−∞∞e−β∣t∣(cosωt−isinωt)dt=2∫0∞e−βtcosωtdt=−β2∫0∞cosωtd(e−βt)=−β2[cosωte−βt∣0∞+ω∫0∞e−βtsinωtdt]=−β2[−1−βω∫0∞sinωtd(e−βt)]=−β2[−1−βω[sinωte−βt∣0∞−∫0∞e−βtωcosωtdt]]=−β2[−1−βω(−ω)∫0∞e−βtcosωtdt]=−β22[β−ω2∫0∞e−βtcosωtdt]=2∫0∞e−βtcosωtdt⟹2∫0∞e−βtcosωtdt=β2+ω22β=F(ω)
由此可以得到一个常用积分公式
f(t)=∫−∞∞F(ω)eiωtdω=π1∫0∞β2+ω22β(cosωt)dω⟹∫0∞β2+ω2cosωtdω=2βπe−β∣t∣
-
求单边指数函数
f(t)={e−βt0t>0t<0
的Fourier变换公式,并计算积分
∫0+∞β2+ω2βcosωt+ωsinωtdω
解
F[f(t)]=∫−∞∞f(t)e−iωtdt=∫0∞eβte−iωtdt=∫0∞e−(β+iω)tdt=−β+iω1e−(β+iω)t∣0∞=β+iω1=β2+ω2β−iω
求积分
2π1∫−∞∞β2+ω2β−iωeiωtdω=2π1∫−∞∞β2+ω2(β−iω)(cosωt+isinωt)dω
由奇偶性分析,可以得到
∫0∞β2+ω2βcosωt+ωsinωtdω=π⎩⎨⎧e−βt210t>0t=0t<0
这个题目还提供一个常用结论
F[e−αtu(t)]=α+iω1⟺F−1[α+iω1]=e−αtu(t),α>0
重要的Fourier变换
δ函数的简单介绍
冲激函数:峰值集中性
δ(x)={0∞x=0x=0
归一化条件
∫−∞∞δ(x)dx=1
抽样性质(筛分性质)
∫−∞∞f(x)δ(x)dx=f(0)
平移性质(筛分性质)
∫−∞∞f(x)δ(x−x0)dx=f(x0)
导数性质:用分部积分就可以得到
∫−∞∞f(x)δ′(x)dx=f′(0)∫−∞∞f(x)δ′(x−x0)dx=f′(x0)
δ函数
F[δ(t)]=1⟺F−1[1]=δ(t)F[δ(t−t0)]=e−iωt0⟺F[e−iωt0]=δ(t−t0)
单位阶跃函数
F[u(t)]=iω1+πδ(ω)
指数函数
F[eiω0t]=2πδ(ω−ω0)F[1]=2πδω
正弦/余弦函数
F[sin(ω0t)]=iπ[δ(ω−ω0)−δ(ω+ω0)]⟺F−1[iπ(δ(ω−ω0)−δ(ω+ω0))]=sin(ω0t)F[cos(ω0t)]=π[δ(ω−ω0)+δ(ω+ω0)]⟺F−1[π(δ(ω−ω0)+δ(ω+ω0))]=cos(ω0t)
e−t2的Fourier变换
两种方法可以求得,用像函数的微分性,或者用积分公式
F[e−t2]=πe−4ω2
推导过程
F(ω)=∫−∞∞e−t2e−iωtdt=∫−∞∞e−(t2+iωt)dt
通过完全平方法简化
t2+iωt=(t+2iω)2−4ω2
于是积分变为:
F(ω)=∫−∞∞e−(t+2iω)2e−4ω2dt
常数 e−4ω2可以提到积分外部:
F(ω)=e−4ω2∫−∞∞e−(t+2iω)2dt
根据标准高斯积分公式以及复变积分平移的不变性(复变积分的章节有讲)
∫−∞∞e−x2dx=π
所以:
F(ω)=πe−4ω2
因此,e−t2 的 Fourier 变换为
F[e−t2]=πe−4ω2
Fourier变换的性质
以下所有性质中,设F[f(t)]=F(ω)
线性性质
相似性
F[f(at)]=∣a∣1F(aω)F−1[F(aω)]=∣a∣1f(at)
位移性质
F[f(t−t0)]=e−iωt0F(ω)F[eiω0tf(t)]=F(ω−ω0)
微分性
1. 原像的微分性
性质:
如果 lim∣t∣→∞f(t)=0,那么有
F{f′(t)}=iωF(ω)
更一般地,
F{f(n)(t)}=(iω)nF(ω)
推导过程:
由傅里叶变换的定义
F(ω)=∫−∞∞f(t)e−iωtdt
使用分部积分
F{f′(t)}=∫−∞∞f′(t)e−iωtdt=[f(t)e−iωt]−∞∞−∫−∞∞f(t)(−iω)e−iωtdt
故如果 lim∣t∣→∞f(t)=0,则
F{f′(t)}=iωF(ω)
2. 像的微分性
性质:
F′(ω)=−iF[tf(t)]F[tf(t)]=iF′(ω)
更一般地,
F(n)(ω)=−iF[tf(t)]
推导过程:
从傅里叶反变换定义出发:
f(t)=2π1∫−∞∞F(ω)eiωtdω
对 F(ω) 的导数 F′(ω) 求傅里叶反变换:
F−1{F′(ω)}=2π1∫−∞∞F′(ω)eiωtdω
使用分部积分
F−1{F′(ω)}=[F(ω)eiωt]−∞∞−∫−∞∞F(ω)⋅(iteiωt)dω=−it⋅2π1∫−∞∞F(ω)eiωtdω
因此,
F−1{F′(ω)}=−itf(t)
即
F′(ω)=−iF[tf(t)]
积分性
如果limt→∞∫−∞tf(τ)dτ=0,则有以下积分性质
F[∫−∞tf(τ)dτ]=iω1F(ω)
更一般地,
F[∫−∞tf(τ)dτ]=iω1F(ω)+πF(0)δ(ω)
卷积性质
对于两个函数 f(t) 和 g(t),它们的卷积 (f∗g)(t) 的傅里叶变换等于它们各自傅里叶变换的乘积,即:
F{(f∗g)(t)}=F(ω)G(ω)
其中 F(ω)=F{f(t)} 和 G(ω)=F{g(t)}。
证明过程
卷积的定义为:
(f∗g)(t)=∫−∞∞f(τ)g(t−τ)dτ
对 (f∗g)(t) 进行傅里叶变换:
F{(f∗g)(t)}=∫−∞∞(∫−∞∞f(τ)g(t−τ)dτ)e−jωtdt
交换积分顺序,得到:
F{(f∗g)(t)}=∫−∞∞f(τ)(∫−∞∞g(t−τ)e−jωtdt)dτ
令 u=t−τ,则 t=u+τ,dt=du,代入得到:
F{(f∗g)(t)}=∫−∞∞f(τ)(∫−∞∞g(u)e−jω(u+τ)du)dτ
将指数项展开:
F{(f∗g)(t)}=∫−∞∞f(τ)e−jωτ(∫−∞∞g(u)e−jωudu)dτ
将与τ无关项提出积分,得到:
F{(f∗g)(t)}=(∫−∞∞f(τ)e−jωτdτ)(∫−∞∞g(u)e−jωudu)
即
F{(f∗g)(t)}=F(ω)G(ω)
这证明了傅里叶变换的卷积性质。
逆变换的卷积性质
对于两个频域函数 F(ω) 和 G(ω),它们的卷积 (F∗G)(ω) 的傅里叶逆变换等于它们各自傅里叶逆变换的乘积,即:
F−1{(F∗G)(ω)}=2πf(t)g(t)
其中 f(t)=F−1{F(ω)} 和 g(t)=F−1{G(ω)}。
证明过程
频域卷积的定义为:
(F∗G)(ω)=∫−∞∞F(ξ)G(ω−ξ)dξ
对 (F∗G)(ω) 求傅里叶逆变换:
F−1{(F∗G)(ω)}=2π1∫−∞∞(∫−∞∞F(ξ)G(ω−ξ)dξ)ejωtdω
交换积分顺序,得到:
F−1{(F∗G)(ω)}=2π1∫−∞∞F(ξ)(∫−∞∞G(ω−ξ)ejωtdω)dξ
令 η=ω−ξ,则 ω=η+ξ,dω=dη,代入得到:
F−1{(F∗G)(ω)}=2π1∫−∞∞F(ξ)(∫−∞∞G(η)ej(η+ξ)tdη)dξ
将指数项展开:
F−1{(F∗G)(ω)}=2π1∫−∞∞F(ξ)ejξt(∫−∞∞G(η)ejηtdη)dξ
根据傅里叶逆变换的定义,得到:
F−1{(F∗G)(ω)}=2π(2π1∫−∞∞F(ξ)ejξtdξ)(2π1∫−∞∞G(η)ejηtdη)
即
F−1{(F∗G)(ω)}=2πf(t)g(t)
这证明了傅里叶逆变换的卷积性质。
Fourier变换的应用
解常系数常微分方程
例
x′′(t)−x(t)=−f(t),−∞<t<+∞
解
记
X(ω)=F[x(t)]F(ω)=F[f(t)]
原方程两边进行傅里叶变换,得到
−ω2X(ω)−X(ω)=−F(ω)
解得
X(ω)=ω2+1F(ω)
再对X(ω)进行傅里叶逆变换,即得解x(t)
x(t)=F−1[X(ω)]=F−1[ω2+1F(ω)]=F−1[ω2+11]∗F−1[F(ω)]=21e−∣t∣∗f(t)=21∫−∞∞f(s)e∣t−s∣ds
Laplace变换
由于Fourier变换对原函数的性质要求较为严格,很多情况下难以满足,而且−∞到∞的积分在很多需要分析的情况下不适用(很多情况只考虑0以后的情形)
故考虑对其进行改进
F[u(t)f(t)e−σt]=∫0∞f(t)e−iωte−σtdt=∫0∞f(t)e−ptdt
其中
p=σ+iω
定义
故定义laplace变换为
L(t)=∫0∞f(t)e−ptdt
适用Laplace变换的函数
指数级函数:对于一个实变量的复函数f(t),如果存在M>0及实数σc,使得
∣f(t)∣≤Meσct,∀t>0
定理:如果函数f(t)满足
- 在任一有限区间上分段连续
- 当t→+∞时,f(t)是指数级函数
则F(p)=∫0+∞f(t)e−ptdt在半平面Rep=σ>σc上存在且解析,其中σc为f(t)的增长指数
这里证明一个存在性:
∣∫0∞f(t)e−ptdt∣≤∫0∞Meσcte−σtdt≤Mσ−σc1
常用函数的Laplace变换
单位阶跃函数
L[u(t)]=p1⟺L−1[p1]=1
指数函数ekt
L[ekt]=p−k1⟺L−1[p−k1]=ekt
正弦函数,余弦函数
L[sinkt]=p2+k2k⟺L−1[p2+k2k]=sinktL[coskt]=p2+k2p⟺L−1[p2+k2p]=coskt
幂函数tn
L[t]=p21⟺L−1[p21]=tL[tn]=pn+1n!⟺L−1[pn+11]=n!1tn
一般幂函数tm(m>−1的实数)
Gamma函数
Γ(z)=∫0∞tz−1e−tdt
对于正整数,Gamma函数和阶乘的关系
Γ(n)=(n−1)!
一般幂函数可以表示为
L[tm]=pm+1Γ(m+1)
Laplace变换的性质
设
F(p)=L[f(t)]
线性性
L[αf(t)+βg(t)]=αL[f(t)]+βL[g(t)]L−1[αF(p)+βG(p)]=αL−1[F(p)]+βL−1[G(p)]
延迟性质
L[f(t−t0)u(t−t0)]=e−pt0F(p)L−1[e−pt0F(p)]=f(t−t0)u(t−t0)
平移性质
F(p−p0)=L[ep0tf(t)]L−1[F(p−p0)]=ep0tf(t)
微分性质
如果函数f(t)在[0,+∞)上可微且F(p)=L[f(t)],则
L[f′(t)]=pF(p)−f(0)⟺L−1[pF(p)−f(0)]=f′(t)F′(p)=−L[tf(t)]⟺L−1[F′(p)]=−tf(t)
更一般地,
L[f(n)(t)]=pnF(p)−[f(n−1)(0)+⋯+pn−1f(0)]F(n)(p)=(−1)nL[tnf(t)]
积分性质
L[∫0tf(s)ds]=pF(p)
如果∫p∞F(s)ds收敛,则
∫p+∞F(s)ds=L[tf(t)]
卷积性质
Laplace变换考虑[0,+∞)上的卷积(即函数<0的部分为0)
f1(t)∗f2(t)=∫0tf1(s)f2(t−s)ds
有如下性质
L[f1∗f2]=F1(p)F2(p)L−1[F1(p)F2(p)]=f1(t)∗f2(t)
Laplace变换的应用
求解微分方程
没什么好说的,先Laplace变换变成一般方程,然后求出解后再Laplace逆变换
用Laplace变换求广义积分
弦振动方程的初值问题
使用Fourier变换求解
{utt−a2uxx=0u(0,x)=φ(x),ut(0,x)=ψ(x)−∞<x<∞,t>0
Step1.先对u(t,x)关于x作Fourier变换
记
u^(t,ω)=F[u(t,x)]=∫−∞∞u(t,x)e−ixωdx
为u(t,x)关于x的Fourier变换
则
utt^=∫−∞∞utt(t,x)e−ixωdx=∂tt∫−∞∞u(t,x)e−ixωdx=∂ttu^(t,ω)uxx^=(iω)2u^(t,ω)=−ω2u^(t,ω)
原方程和初值条件都进行Fourier变换,得到
⎩⎨⎧∂ttu^(t,ω)+a2ω2u^(t,ω)=0u^(0,ω)=φ^(ω)ut^(0,ω)=ψ^(ω)
可以看到,PDE已经转换为一个二阶齐次常微分方程
Step2. 解二阶齐次ODE
u^(t,ω)=C1e−aωit+C2eaωit
Tips. 因为后面要做傅里叶逆变换,所以这边不要写成三角函数形式,写成e的复指数方便后序处理
u^(0,ω)=C1+C2=φ^(ω)ut^(0,ω)=C1(−aωi)+C2(aωi)=ψ^(ω)
解得
C1=21[φ^(ω)−aωi1ψ^(ω)]C2=21[φ^(ω)+aωi1ψ^(ω)]
代入
u^(t,ω)=21[φ^(ω)−aωi1ψ^(ω)]e−aωit+21[φ^(ω)+aωi1ψ^(ω)]eaωit=21φ^(ω)[e−aωit+eaωit]+2a1ωi1ψ^(ω)[−e−aωit+eaωit]
Step3. 关于ω作Fourier逆变换
u(t,x)=F−1[u^(t,ω)]=21[φ(x−at)+φ(x+at)]+2a1[∫−∞x+atφ(τ)dτ−∫−∞x−atφ(τ)dτ]=21[φ(x−at)+φ(x+at)]+2a1∫x−atx+atψ(τ)dτ
这个结论称为达朗贝尔公式
u(t,x)=21[φ(x−at)+φ(x+at)]+2a1∫x−atx+atψ(τ)dτ
行波法
引入两个新的独立变量
ξ=x−atη=x+at
考虑u(t,x)=U(ξ,η),则有
ux=Uξξx+Uηηx=Uξ+Uηuxx=Uξξ+2Uξη+Uηηut=Uξ(−a)+Uηautt=Uξξ−2a2Uξη+a2Uηη
代入原来的PDE,可以得到一个很简单的方程
Uξη=0
那么就有
(Uξ)η=0⟹Uξ=f(ξ)⟹U(ξ,η)=∫f(ξ)dξ+C(η)=F(ξ)+G(η)
从而有
u(t,x)=U(ξ,η)=F(x−at)+G(x+at)
然后利用初始条件,确定F和G即可
u(0,x)=F(x)+G(x)=φ(x)ut(0,x)=−aF′(x)+aG′(x)=ψ(x)
进行一些变形,得到方程
⎩⎨⎧F(x)+G(x)=φ(x)−F(x)+G(x)=a1∫0xψ(ξ)dξ+C
解得
⎩⎨⎧F(x)=21[φ(x)−a1∫0xψ(ξ)dξ−C]G(x)=21[φ(x)−a1∫0xψ(ξ)dξ+C]
从而有
u(t,x)=F(x−at)+G(x+at)=21[φ(x−at)+φ(x+at)]+2a1∫x−atx+atψ(ξ)dξ
解的性质
解中的F(x−at)可以看成速度为a,向左传播的波
G(x+at)可以看成速度为a,向右传播的波
依赖区间
u(t0,x0):[x0−at0,x0+at0]
上的φ,ψ的值有关,与区间外的值无关
决定区域
对于x轴上两点x1<x2,过x1点做一条斜率为a1的直线,过x2点做一条斜率为−a1的直线,这两条直线与x轴围成的三角形区域内的值完全由x1和x2之间的初始值决定,故这个三角形区域被称为决定区域
影响区域
对于x轴上两点x1<x2,过x1点做一条斜率为−a1的直线,过x2点做一条斜率为a1的直线,这两条直线与x轴围成的梯形区域内的值受到x1和x2之间的初始值的影响,而该区域外的值完全不受x1和x2之间的初始值的影响,故这个梯区域被称为影响区域
非齐次弦振动方程-齐次化原理
{utt−a2uxx=f(t,x)u(0,x)=φ(x),ut(0,x)=ψ(x)−∞<x<∞,t>0
用非齐次问题的解决方法分解该问题,可以得到一个齐次问题+一个非齐次问题,我们已经能够解决齐次问题,接下来要解决非齐次问题
{utt−a2uxx=f(t,x)u(0,x)=0,ut(0,x)=0−∞<x<∞,t>0
可以用动量定理将外力条件f(t,x)转变为初始条件,f(t,x)实际上是t时刻在x处单位质量上所受外力
f(t,x)=ρF(t,x)
考虑
t:τ∈[0,t]f(τ,x)
取[ti−1,ti]的时间元Δti,一个时间元内的外力条件可以视为恒定f(ti,x),则由动量定理,时间点ti相对上一时刻速度满足以下关系
f(ti,x)Δti=1⋅w~t∣t=ti
其中w~t为ti时刻相对于ti−1时刻的速度,w~为ti时刻相对于ti−1时刻的位移
且在ti时刻,有
{w~tt−a2w~xx=0w~(0,x)=0,w~t(0,x)=f(ti,x)Δxi−∞<x<∞,t>0
从而可以将u(t,x)表示为
u(t,x)=i=1∑n+1w~(t,x;ti,Δti)
取w(t,x;ti)=Δtiw~(t,x;ti,Δti)
则方程化为
{wtt−a2wxx=0w(0,x)=0,wt(0,x)=f(ti,x)−∞<x<∞,t>0
u(t,x)为
u(t,x)=i=1∑n+1w(t,x;ti)Δti
结论:
方程
{wtt−a2wxx=0w(0,x)=0,wt(0,x)=f(τ,x)−∞<x<∞,t>0
取极限Δti→0,求和转化为积分
u(t,x)=∫0tw(t,x;τ)dτ
再使用达朗贝尔公式
令s=t−τ,得到
w(t,x;τ)=2a1∫x−asx+asf(τ,ξ)dξ=2a1∫x−a(t−τ)x+a(t−τ)f(τ,ξ)dξ
整理并化简,可以得出非齐次初值问题的解(完整版达朗贝尔公式)
u(t,x)=21[φ(x−at)+φ(x+at)]+2a1∫x−atx+atψ(τ)dτ+2a1∫0t∫x−a(t−τ)x+a(t−τ)f(τ,ξ)dξdτ
Chapter3 积分变换法
3.3 热传导方程的初值问题
{ut−a2uxx=0u(0,x)=φ(x)−∞<x<∞,t>0
使用Fourier变换求解
Step1. 对x做Fourier变换
记
F[u(t,x)]=∫−∞∞u(t,x)e−iωxdx=u^(t,ω)F[φ(x)]=φ^(ω)
则有
F[ut]=∂tu^(t,ω)Fuxx=(iω)2u^(t,ω)=−ω2u^(t,ω)
Step2. 解关于t的常微分方程
{∂tu^(t,ω)+a2ω2u^(t,ω)=0u^(0,ω)=φ^(ω)
易得
u^(t,ω)=Ce−a2ω2t=φ^(ω)e−a2ω2t
Step3. Fourier逆变换
u(t,x)=F−1[u^(t,ω)]=F−1[e−a2ω2t]∗F−1[φ^(ω)]
分别计算
F−1[e−a2ω2t]=2π1∫−∞∞e−a2ω2teiωxdω=2π1∫−∞∞e−a2t[ω2−a2tiωx]dω=2π1∫−∞∞e−a2t(ω−2a2tix)2−4a2tx2dω=2π1∫−∞∞e−a2t(ω−2a2tix)2dωe−4a2tx2
由积分定理,
F−1[e−a2ω2t]=2π1∫−∞∞e−a2ω2tdωe−4a2tx2=2π1at1∫−∞∞e−y2dte−4a2tx2=2aπt1e−4a2tx2
从而得到解的表达式(基本解)
u(t,x)=G∗φ=2aπt1∫−∞+∞e−4a2ty2φ(x−y)dy
整理一下,得到
u(t,x)=2aπt1∫−∞+∞e−4a2t(x−ξ)2φ(ξ)dξ
常见题目
使用齐次化原理解非齐次热传导方程的初值问题
{ut−a2uxx=f(t,x)u(0,x)=φ(x)−∞<x<∞,t>0
由叠加原理,只需要考虑非齐次热传导方程,具有齐次初始条件的初值问题
{ut−a2uxx=f(t,x)u(0,x)=0−∞<x<∞,t>0
使用齐次化原理
u的解可以看作满足以下方程w(t,x;τ)的叠加
{wt−a2wxx=0w(t=τ,x)=f(τ,x)−∞<x<∞,t>0
而
u(t,x)=∫0tw(t,x;τ)dτ
令s=t−τ
{ws−a2wxx=0w∣s=0=f(τ,x)
应用前面推过的公式
w(s,x)=2aπs1∫−∞∞f(τ,ξ)e−4a2s(x−ξ)2dξ⟹w(t,x;τ)=2aπ(t−τ)1e−4a2(t−τ)(x−ξ)2dξ
然后就可以求出u(t,x)
u(t,x)=∫0tw(t,x;τ)dτ=2aπ1∫0t∫−∞∞t−τf(τ,ξ)e−4a2(t−τ)(x−ξ)2dξdτ
完整的解为
u(t,x)=2aπt1∫−∞+∞e−4a2t(x−ξ)2φ(ξ)dξ+2aπ1∫0t∫−∞∞t−τf(τ,ξ)e−4a2(t−τ)(x−ξ)2dξdτ
这个解可以进一步写成以下形式
G(t,x)=2at1e−4a2tx2
从而
u(t,x)=∫0t∫−∞∞f(τ,ξ)G(t−τ,x−ξ)dξdτ
然后写出非齐次方程的解
u(t,x)=∫−∞∞φ(ξ)G(t,x−ξ)dξ+∫0t∫−∞∞f(τ,ξ)G(t−τ,x−ξ)dξdτ
3.4 半空间上的弦振动方程,热传导方程的初边值问题
半无界弦上的弦振动方程的初边值问题
考虑一根半无界长的弦,一端固定在x=0,则弦的自由振动满足以下定解问题
⎩⎨⎧utt−a2uxx=0u∣x=0=0,u有界u∣t=0=0,ut∣t=0=bx>0,t>0t>0x>0
对x作Laplace变换
U(t,p)=L[u(t,x)]=∫−∞∞u(t,x)e−pxdx
易知
L[utt]=Utt(t,p)L[uxx]=p2U(t,p)−pu(t,0)−ux(t,0)
对t作Laplace变换
U(p,x)=L[u(t,x)]=∫−∞∞u(t,x)e−ptdt
易知
L[ux]=Uxx(p,x)L[utt]=p2U(p,x)−pu(0,x)−ut(0,x)
PDE对x作Laplace变换
p2U(p,x)−b−a2Uxx(p,x)=0⟹−a2dx2d2U+p2U(p,x)=b
这是个非齐次常微分方程,很容易找到一个特解
U0(p,x)=p2b
从而得到常微分方程的解
U(p,x)=C1e−apx+C2eapx+p2b
又有边界值条件
u(t,0)=0⟹U(p,0)=0⟹C1+C2=−p2bu有界⟹C2=0
从而
C1=−p2bC2=0
代入,得
U(p,x)=−p2be−apx+p2b
最后Laplace逆变换
u(t,x)=L−1[−p2be−apx+p2b]=−b(t−ax)u(t−ax)+bt
半无限杆上的热传导方程的初边值问题
⎩⎨⎧ut−a2uxx=0u∣x=0=φ(t),limx→+∞u有界u∣t=0=u0x>0,t>0t>0x>0
对x作Laplace变换
pU(p,x)−u0−a2Uxx(p,x)=0⟹−a2dx2d2U+pU(p,x)=u0
类似地,可以得到
U(p,x)=C1e−apx+C2eapx+pu0
由有界性,易知C2=0
代入初始值条件
U(p,0)=C1+pu0=Φ(p)⟹C1=Φ(p)−pu0U(p,x)=(Φ(p)−pu0)e−apx+pu0=Φ(p)e−apx−pu0e−apx+pu0
最后进行Laplace逆变换
u(t,x)=L−1[Φ(p)e−apx−pu0e−apx+pu0]=φ(t)
反正很恶心的一堆东西,不想写了