線性方程的邊界齊次化數(shù)學(xué)畢業(yè)論文

目 錄線性方程的邊界齊次化1摘 要1Abstract1第一章 引 言2第二章 波動(dòng)方程和熱傳導(dǎo)方程的邊界齊次化22.1 第一類非齊次邊界條件的齊次化22.1.1 考察波動(dòng)方程22.1.2 考察熱傳導(dǎo)問題62.2 第二類非齊次邊界條件82.3 第三類非齊次邊界條件的齊次化10第三章 總結(jié)13參考文獻(xiàn)14致謝15線性方程的邊界齊次化摘 要：分離變量法是線性偏微分方程求解中的一種普遍而重要的方法，而用分離變量法解方程時(shí)，我們需要將非齊次邊界條件齊次化。本文將以波動(dòng)方程和拋物方程為例，分別在第一邊界條件、第二邊界條件、第三邊界條件下，討論這些非齊次邊界條件的齊次化過程。 關(guān)鍵詞：分離變量法;非齊次邊界條件;齊次化On the homogeneity of boundary conditions for linear partial differential equations School of Mathematics and Computer ScienceAbstract: The method of variables separation is one of very efficient methods to solve linear partial differential equations. When we adopt this method, we have to make the boundary conditions homogeneous. This paper will focus on the hyperbolic equations and parabolic equations and discuss how to make the corresponding boundary conditions homogeneous. In particular, the boundary conditions considered in the present paper include the first and second boundary conditions, the third boundary condition. Keywords: variables separation method; inhomogeneous boundary conditions; homogeneity of boundary conditions. 第一章 引 言微積分產(chǎn)生以后，人們就開始把力學(xué)的一些問題，歸結(jié)為偏微分方程進(jìn)行研究。對(duì)它們進(jìn)行了定量的分析，而變量分離法是對(duì)其進(jìn)行定量分析的一種重要工具。應(yīng)用分離變量法解定解問題, 其核心是由泛定方程和定解條件通過變量分離能提出固有值問題。這就要求泛定方程和邊界條件是齊次的,因此將非齊次邊界條件齊次化就成為需要解決的重要問題。第二章 波動(dòng)方程和熱傳導(dǎo)方程的邊界齊次化2.1 第一類非齊次邊界條件的齊次化2.1.1 考察波動(dòng)方程泛定方程 邊界條件 初始條件 先找一個(gè)任意函數(shù)，滿足非齊次邊界條件，即,找函數(shù)最簡單的選取方法是寫成X的線性函數(shù),可以解得，所以設(shè)，代入定解問題轉(zhuǎn)為求解的如下定解問題： 于是關(guān)于的定解問題是齊次邊界條件的定解問題。對(duì)于熱傳導(dǎo)方程的定解問題可以令選取使即易見，可造由知與無關(guān)，故例1、設(shè)彈簧一端固定，一端在外力作用下作周期振動(dòng)，此時(shí)定解問題歸結(jié)為 求解此問題。解：邊值條件是非齊次的，首先將邊值條件齊次化，取，則滿足， 令代入原定解問題，則滿足滿足第一類齊次邊界條件，其相應(yīng)固有函數(shù)為，故設(shè) 將方程中非齊次項(xiàng)及初始條件中按展成級(jí)數(shù)，得其中 其中 將(2)代入問題(1)，得解方程，得通解由初始值，得所以 因此所求解為 2.1.2 考察熱傳導(dǎo)問題在研究熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散等現(xiàn)象，都會(huì)遇到拋物型方程，即熱傳導(dǎo)方程。這里邊值函數(shù)函數(shù)為，可采用下述方法將它延拓到區(qū)間中去。對(duì)任意固定的,將視為平面上的兩個(gè)點(diǎn)，只要用光滑曲線將這兩個(gè)點(diǎn)連接起來，就實(shí)現(xiàn)了的邊界值的延拓，而連接兩點(diǎn)的光滑曲線就是所求的函數(shù)，顯然，取為直線最簡單。由直線的兩點(diǎn)式方程得到，特別地，若，則的物理意義就是穩(wěn)定溫度分布。例2、將如下定解問題化為邊界條件為齊次的定界問題 解：邊界條件為非齊次的邊界條件，由于是線性的，故可利用疊加原理，通過選取輔助函數(shù)。設(shè)要使只要解得：故，再作未知函數(shù)的變換，則問題轉(zhuǎn)化為其次邊界條件的初邊值問題。2.2 第二類非齊次邊界條件考察定解問題中邊界條件均為第二類非齊次邊界條件的情形,即同樣找一個(gè)任意函數(shù)使它滿足，說明在任意時(shí)刻，在邊界和處的斜率不相同。因此就不是簡單的線性函數(shù)，此時(shí)最簡單的應(yīng)為關(guān)于的二次函數(shù)著手，設(shè)其中所以，于是。對(duì)于方程令選取，使即可令代入上式得例3、一均勻桿長為，一端受縱向壓力，另一端受縱向力作用，求解桿的穩(wěn)恒縱振動(dòng)。解：設(shè)為縱振動(dòng)位移，則定解問題為其中為桿的橫截面積，均為常數(shù)，本問題中，于是設(shè)，代入定解問題中得至此已使邊界條件齊次化。2.3 第三類非齊次邊界條件的齊次化考察定解問題 令則由（4）、（5）兩式可得將和延拓到區(qū)間0<x<l,中可得，將上式代入聯(lián)立求解可得 例4、第三類邊界條件定解問題在工程實(shí)踐和科學(xué)研究中廣泛存在，典型的第三類邊界條件一維波動(dòng)定解問題為 要解（7）式，必須利用線性問題疊加原理，引入輔助函數(shù)將問題化為關(guān)于的非齊次邊界條件定解問題。為此設(shè) （8）將（8）式代入（7），要求滿足其次邊界條件，得到 （9）結(jié)合（8）、（9）式，可得輔助函數(shù)滿足的方程為 （10）則可以是關(guān)于x的一次多項(xiàng)式，即 （11）代入（10）得解得為 （12）代入（11）式可確定輔助函數(shù)V（x,t）,結(jié)合（7）、（8）式，的定解問題為即完成了邊界條件齊次化。1515第三章 總結(jié)以上便是對(duì)非齊次邊界條件的邊界齊次化的討論，分別給出了第一非齊次邊界條件、第二非齊次邊界條件、第三非齊次邊界條件的邊界其次化過程，其中是以波動(dòng)方程以及熱傳導(dǎo)方程為例的。而三種非齊次邊界條件的邊界齊次化過程的核心，都是要找到一個(gè)輔助函數(shù)滿足其對(duì)應(yīng)的非齊次邊界條件，找到了這個(gè)函數(shù)，三種非齊次邊界條件的邊界齊次化過程就迎刃而解了。參考文獻(xiàn)：1數(shù)學(xué)物理方程（第二版）.谷超豪等著. 高等教育出版社出版2數(shù)學(xué)物理方法. 吳崇試著. 北京大學(xué)出版社3天津科技大學(xué)學(xué)報(bào).丁玉梅著.1672-6510200601-0084-02.4平頂山學(xué)院學(xué)報(bào).車行，龍姝明著.1673-1670201102-0006-04.5非齊次邊界條件.王芝威著.致謝首先感謝的是我的論文導(dǎo)師老師，在黃老師耐心和細(xì)心的指導(dǎo)下，我順利的完成了大學(xué)本科畢業(yè)論文，黃老師每次認(rèn)真的給我寶貴的建議，這讓我很感動(dòng)，因?yàn)闀r(shí)間原因，論文有點(diǎn)粗糙，但是黃老師和藹可親的指導(dǎo)我的論文，黃老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度，高尚的工作作風(fēng)，深深地感染了我，是我學(xué)習(xí)的榜樣，是我將來當(dāng)一名人民教師的理想目標(biāo).我還要感謝的是安徽師范大學(xué)的全體老師，是你們的成就創(chuàng)造了我大學(xué)四年美好的校園生活，在你們的諄諄教誨下，我現(xiàn)在已經(jīng)走在人民教師的崗位上，我正在努力的成為一名優(yōu)秀的人民教師，我會(huì)向著老師們的準(zhǔn)則邁進(jìn)，安徽師范大學(xué)的全體老師們，尤其是數(shù)計(jì)學(xué)院的老師們，謝謝您們，您們辛苦了！