Giáo trình hình thành lý thuyết trường và phương thức sử dụng toán tử hamilton p6

Chia sẻ: phuoctam32

Định lý Cho các h m f ∈ C(H, 3) ∩ C1(D, 3), g ∈ C2(D, 3), h ∈ C1(D, 3) Giải các bài toán (7.8.4) v (7.8.5) tìm các h m v(x, t) v w(x, t) sau đó thế vào công thức (7.8.3) suy ra nghiệm của bài toán HH1. Định lý Cho các h m f ∈ C(H, 3) ∩ C1(D, 3), g ∈ C2(D, 3), h ∈ C1(D, 3)

Nội dung Text: Giáo trình hình thành lý thuyết trường và phương thức sử dụng toán tử hamilton p6

 

  1. h a n g e Vi h a n g e Vi XC XC e e F- F- w w PD PD er er ! ! W W O O N N y y bu bu to to k k lic lic C C w w m m w w w w o o .c .c Ch−¬ng 7. Ph−¬ng Tr×nh TruyÒn Sãng .d o .d o c u -tr a c k c u -tr a c k ∂2v ∂2v = a2 2 ∂t 2 ∂x x v(x, 0) = g(x) - p(0) - (q(0) - p(0)) = g1(x) l ∂v x (x, 0) = h(x) - p’(0) - (q’(0) - p’(0)) = h1(x) ∂t l v(0, t) = v(l, t) = 0 (7.8.4) víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn g1(0) = g1(l) = 0 ⇔ g(0) = p(0), g(l) = q(0) h1(0) = h1(l) = 0 ⇔ h(0) = p’(0), h(l) = q’(0) H m w(x, t) l nghiÖm cña b i to¸n HH1b ∂2w ∂2w ∂2w x = a2 2 + f(x, t) - p”(t) - (q”(t) - p”(t)) = a2 2 + f1(x, t) ∂t 2 ∂x ∂x l ∂w w(x, 0) = 0, (x, 0) = 0 ∂t w(0, t) = w(l, t) = 0 (7.8.5) • Gi¶i c¸c b i to¸n (7.8.4) v (7.8.5) t×m c¸c h m v(x, t) v w(x, t) sau ®ã thÕ v o c«ng thøc (7.8.3) suy ra nghiÖm cña b i to¸n HH1. §Þnh lý Cho c¸c h m f ∈ C(H, 3) ∩ C1(D, 3), g ∈ C2(D, 3), h ∈ C1(D, 3) v c¸c h m p, q ∈ C2([0,T], 3) tho¶ m n g(0) = p(0), g(l) = q(0) v h(0) = p’(0), h(l) = q’(0) H m u(x, t) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (7.8.3) víi c¸c h m v(x, t) v w(x, t) l nghiÖm cña c¸c b i to¸n (7.8.4) v (7.8.5) l nghiÖm duy nhÊt v æn ®Þnh cña b i to¸n HH1. ∂2u ∂2u víi (x, t) ∈ [0, 1] × [0, T] VÝ dô Gi¶i b i to¸n = 4 2 + xt ∂t 2 ∂x ∂u u(x, 0) = sinπx, (x, 0) = x v u(0, t) = 0, u(1, t) = t ∂t • T×m nghiÖm cña b i to¸n d−íi d¹ng u(x, t) = v(x, t) + w(x, t) + xt trong ®ã h m v(x, t) l nghiÖm cña b i to¸n HH1a víi g1(x) = sinπx v h1(x) = 0 cßn h m w(x, t) l nghiÖm cña b i to¸n HH1b víi f1(x, t) = xt. Gi¶i b i to¸n HH1 1 ak = 2 ∫ sin πx sin kπxdx =  1 k = 1 v bk = 0 víi k ∈ ∠*  0 k >1  0 Suy ra v(x, t) = cos2πtsinπx Trang 130 Gi¸o Tr×nh To¸n Chuyªn §Ò
  2. h a n g e Vi h a n g e Vi XC XC e e F- F- w w PD PD er er ! ! W W O O N N y y bu bu to to k k lic lic C C w w m m w w w w o o .c .c Ch−¬ng 7. Ph−¬ng Tr×nh TruyÒn Sãng .d o .d o c u -tr a c k c u -tr a c k Gi¶i b i to¸n HH2a 2(-1) k +1 1 fk(t) = 2t ∫ x sin kπxdx = t víi k ∈ ∠* kπ 0 Gi¶i hä ph−¬ng tr×nh vi ph©n hÖ sè h»ng 2(-1) k +1 T k′ (t ) + (2kπ)2Tk(t) = ′ ′ t , Tk(0) = 0, Tk (0) = 0 kπ T×m ®−îc c¸c h m (-1) k +1   1 t − sin 2 kπt  víi k ∈ ∠* Tk(t) = 2( kπ )  2 kπ 3  Suy ra nghiÖm cña b i to¸n (-1) k +1  +∞  1 1 ∑ t − sin 2 kπt  sin kπx u(x, t) = xt + cos2πtsinπx +  2 kπ 2π 3 3  k k =1 NhËn xÐt B»ng c¸ch kÐo d i liªn tôc c¸c h m liªn tôc tõng khóc, c¸c c«ng thøc trªn vÉn sö dông ®−îc trong tr−êng hîp c¸c h m g v h cã ®¹o h m liªn tôc tõng khóc. B i tËp ch−¬ng 7 • §−a vÒ chÝnh t¾c c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹o h m riªng tuyÕn tÝnh cÊp 2 sau ®©y. ∂2u ∂2u ∂2u 1. +2 + 5 2 - 16u = 0 ∂x∂y ∂x 2 ∂y ∂2u ∂2u ∂2u ∂u ∂u 2. -2 + +9 -9 + 9u = 0 ∂x∂y ∂x ∂y ∂x ∂y 2 2 ∂2u ∂2u ∂2u ∂u ∂u 3. 2 +3 + +7 -4 =0 ∂x∂y ∂x ∂y ∂x 2 ∂y 2 ∂2u ∂2u ∂2u ∂u - cos2x 2 + sinx 4. - 2sinx =0 ∂x∂y ∂y ∂x ∂y 2 • LËp b i to¸n ph−¬ng tr×nh VËt lý - To¸n tõ c¸c b i to¸n sau ®©y. 7. D©y rÊt m¶nh cã ®é d i l ®Æt trªn trôc Ox, mót x = 0 cè ®Þnh, mót x = l chuyÓn ®éng theo qui luËt Asinωt, dao ®éng trong m«i tr−êng cã lùc c¸n tû lÖ víi vËn tèc, hÖ sè tû lÖ l λ, ®é lÖch ban ®Çu l g(x), vËn tèc ban ®Çu l h(x). X¸c ®Þnh dao ®éng cña d©y? 8. §Üa rÊt máng ®ång chÊt b¸n kÝnh R ®Æt trong mÆt ph¼ng Oxy, mËt ®é nguån nhiÖt trong tû lÖ víi kho¶ng c¸ch ®Õn t©m, nhiÖt ®é m«i tr−êng gi÷ ë nhiÖt ®é u0, nhiÖt ®é ban ®Çu l g(x, y). X¸c ®Þnh ph©n bè nhiÖt trªn ®Üa? Gi¸o Tr×nh To¸n Chuyªn §Ò Trang 131
  3. h a n g e Vi h a n g e Vi XC XC e e F- F- w w PD PD er er ! ! W W O O N N y y bu bu to to k k lic lic C C w w m m w w w w o o .c .c Ch−¬ng 7. Ph−¬ng Tr×nh TruyÒn Sãng .d o .d o c u -tr a c k c u -tr a c k • Gi¶i b i to¸n Cauchy ∂2u ∂2u ∂u = a2 2 ut=0 = ex, = e-x 9. t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂2u 2∂ u ∂u 2 + te-x 10. =a ut=0 = sinx, = x + cosx t=0 ∂t ∂t ∂x 2 2 ∂2u ∂2u ∂u = a2 2 + tsinx 11. ut=0 = cosx, =x t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂2u ∂2u ∂u = a2 2 + tcosx 12. ut=0 = sinx, = 2x t=0 ∂t 2 ∂t ∂x • Gi¶i b i to¸n gi¶ Cauchy ∂2u ∂2u ∂u = a2 2 + te-x 13. ut=0 = sinx, = x, u(0, t) = 0 t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂2u ∂2u ∂u = a2 2 + tsinx = sinx, u(0, t) = e-t 14. ut=0 = xcosx, t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂2u ∂2u ∂u ∂u = a2 2 + xsinx = 3 x 2, 15. ut=0 = cosx, (0, t) = 0 t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂x ∂2u ∂2u ∂u ∂u = a2 2 + xcosx 16. ut=0 = sinx, = cosx, (0, t) = 0 t=0 ∂t 2 ∂t ∂x ∂x • Gi¶i c¸c b i to¸n hçn hîp sau ®©y víi H = [0, l] × 3+ ∂ 2u ∂u ∂2u = a2 2 17. ut=0 = x(l - x), = 0 v u(0, t) = u(l, t) = 0  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂ 2u ∂u ∂2u = a2 2 18. ut=0 = 0, = xsinx v u(0, t) = u(l, t) = 0  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂ 2u ∂u ∂2u = a2 2 19. ut=0 = xcosx, = 0 v u(0, t) = t, u(l, t) = 0  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂ 2u ∂u ∂2u = a2 2 + bshx 20. ut=0 = 0, = 0 v u(0, t) = u(l, t) = 0  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂ 2u ∂u ∂2u = a2 2 + tcosx 21. ut=0 = sinx, = x v u(0, t) = 0, u(l, t) = t  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂ 2u ∂u ∂2u = 0 v u(0, t) = 0, u(l, t) = Asinωt = a2 2 22. ut=0 = 0,  ∂t t=0 ∂t 2 ∂x ∂2u ∂2u ∂u ∂u + 2λ = a2 2 23. ut=0 = g(x), = h(x) v u(0, t) = u(l, t) = 0 t=0 ∂t 2 ∂t ∂t ∂x Trang 132 Gi¸o Tr×nh To¸n Chuyªn §Ò
  4. h a n g e Vi h a n g e Vi XC XC e e F- F- w w PD PD er er ! ! W W O O N N y y bu bu to to k k lic lic C C w w m m w w w w o o .c .c .d o .d o c u -tr a c k c u -tr a c k Ch−¬ng 8 Ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt §1. B i to¸n Cauchy thuÇn nhÊt B i to¸n CP1a Cho c¸c miÒn D = 3, H = D × 3+ v h m g ∈ C(D, 3). T×m h m u ∈ C(H, 3) tho¶ m n ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt ∂2u ∂u = a2 2 víi (x, t) ∈ H0 (8.1.1) ∂t ∂x v ®iÒu kiÖn ban ®Çu u(x, 0) = g(x) (8.1.2) • T×m nghiÖm riªng bÞ chÆn cña b i to¸n CP1a d¹ng t¸ch biÕn u(x, t) = X(x)T(t) ThÕ v o ph−¬ng tr×nh (8.1.1) ®−a vÒ hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n T’(t) + λa2T(t) = 0 X”(x) + λX(x) = 0 HÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n trªn cã hä nghiÖm riªng bÞ chÆn 2 T(t) = e −( αa ) t v X(x) = A(α)cosαx + B(α)sinαx víi α ∈ 3+ Suy ra hä nghiÖm riªng bÞ chÆn cña b i to¸n CP1a 2 uα(x, t) = e −( αa ) t (A(α)cosαx + B(α)sinαx), α ∈ 3+ • T×m nghiÖm tæng qu¸t cña b i to¸n CP1a d¹ng tÝch ph©n suy réng +∞ +∞ − ( αa ) 2 t ∫ u α (x, t )dα = ∫e [A(α) cos αx + B(α ) sin αx]dα u(x, t) = (8.1.3) 0 0 ThÕ v o ®iÒu kiÖn ban ®Çu (8.1.2) +∞ ∫ [A(α) cos αx + B(α) sin αx]dα = g(x) u(x, 0) = 0 NÕu h m g cã thÓ khai triÓn th nh tÝch ph©n Fourier th× +∞ +∞ 1 1 A(α) = ∫ g(ξ) cos(αξ )dξ v B(α) = ∫ g(ξ) sin(αξ )dξ π −∞ π −∞ Thay v o c«ng thøc (8.1.3) v biÕn ®æi +∞ +∞ 1  − ( αa ) 2 t ∫∞ ∫ g(ξ) cos α(ξ − x)dξ e dα u(x, t) = π−  0    §æi thø tù lÊy tÝch ph©n Gi¸o Tr×nh To¸n Chuyªn §Ò Trang 133
  5. h a n g e Vi h a n g e Vi XC XC e e F- F- w w PD PD er er ! ! W W O O N N y y bu bu to to k k lic lic C C w w m m w w w w o o .c .c Ch−¬ng 8. Ph−¬ng Tr×nh TruyÒn NhiÖt .d o .d o c u -tr a c k c u -tr a c k +∞ +∞ 1  − ( αa ) 2 t  u(x, t) = ∫  ∫ e cos α(ξ − x)dα g(ξ)dξ (8.1.4) π − ∞ 0    • §æi biÕn β = αa t ⇒ dβ = a t dα ξ−x ⇒ ξ = x + 2a t s, dξ = 2a t ds s= 2a t BiÕn ®æi tÝch ph©n bªn trong cña tÝch ph©n (8.1.4) +∞ +∞ 1 1 2 −β 2 − ( αa ) t ∫e ∫e cos α(ξ − x)dα = cos 2sβ dβ = I(s) at0 at 0 §¹o h m I(s), sau ®ã tÝch ph©n tõng phÇn, nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh vi ph©n +∞ π π −s 2 −β 2 ∫ sin 2sβde ⇒ I(s) = I’(s) = = -2sI(s) v I(0) = e 2 2 0 Thay v o tÝch ph©n (8.1.4) suy ra c«ng thøc sau ®©y. ( ξ − x )2 +∞ +∞ 1 1 − −s2 ∫ g(x + 2a ∫ g(ξ)e dξ 4a 2t u(x, t) = t s)e ds = (8.1.5) π 2a πt −∞ −∞ §Þnh lý Cho h m g ∈ C(D, 3) ∩ B(D, 3). B i to¸n CP1a cã nghiÖm duy nhÊt v æn ®Þnh x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (8.1.5) Chøng minh • Theo gi¶ thiÕt h m g liªn tôc v bÞ chÆn 2 2 ∀ (x, t) ∈ H, ∀ s ∈ 3,  g(x + 2a t s) e −s  ≤ M e −s Suy ra tÝch ph©n (8.1.5) bÞ chÆn ®Òu. Do ®ã cã thÓ lÊy giíi h¹n v ®¹o h m qua dÊu tÝch ph©n theo x hai lÇn, theo t mét lÇn. KiÓm tra trùc tiÕp h m u(x, t) l nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh (8.1.1) tho¶ m n ®iÒu kiÖn ban ®Çu (8.1.2) ( ξ −x )2 +∞ ∂u ξ−x − ∫ g( ξ ) 4a dξ 4a 2 t = e ∂x πt 3 3/2 −∞ (ξ −x )2 +∞ −1 (ξ − x ) 2 ∂2u  − ∫  4a πt 3 / 2 8a πt 5 / 2 g(ξ) 3 +5 dξ e 4a 2 t =  ∂x 2   −∞ ( ξ −x )2 +∞ −1 (ξ − x ) 2 ∂2u ∂u  − ∫  4a πt 3 / 2 8a πt 5 / 2 g(ξ) +3 dξ = a2 e 4a 2 t =  ∂t ∂x 2   −∞ +∞ 1 2 t s)e − s ds = g(x) ∫ g(x + 2a lim u(x, t) = lim t →0 + π t →0 + −∞ ∂2u ∂u • NÕu ui l hai nghiÖm cña b i to¸n = a2 2 , u(x, 0) = gi ∂t ∂x ∂2u ∂u = a2 2 , u(x, 0) = g1 - g2 = g th× u = u1 - u2 l nghiÖm cña b i to¸n ∂t ∂x Trang 134 Gi¸o Tr×nh To¸n Chuyªn §Ò
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản