- •Класифікація і зведення до канонічного вигляду квазілінійних рівнянь з частинними похідними: випадок гіперболічного рівняння.
- •Класифікація і зведення до канонічного вигляду квазілінійних рівнянь з частинними похідними: випадок параболічного рівняння.
- •Класифікація і зведення до канонічного вигляду квазілінійних рівнянь з частинними похідними: випадок еліптичного рівняння.
- •4.Коливання струни: виведення хвильового рівняння.
- •5.Формула д’аламбера (розв’язування задачі Коші для хвильового рівняння)
- •6.Розв’язувння змінної задачі для напівнескінченної струни за допомогою формули д’аламбера
- •7. Коливання обмеженої струни (стоячі хвилі)
- •10. Розв’язування змішаної задачі дифузійного типу методом відокремлення змінних
- •8. Вимушені коливання однорідної струни
- •9. Виведення рівняння теплопровідності
- •11. Перетворення неоднорідних (гу) у дифузійних задачах в однорідні
- •12. Задача коші для рівняння теплопровідності
- •13. Граничні умови в задачах дифузійного типу
- •14. Хвильове рівняння і граничні умови
- •15.Еліптичні задачі. Три основні типи граничних умов у крайових задачах
- •15. Еліптичні задачі. Три основні типи граничних умов в крайових задачах.
14. Хвильове рівняння і граничні умови
Ми розглянули один тип руху- коливання струни, але у природі існують і інші:
- звукові хвилі (подовжні);
- електромагнітні (світлові);
- коливання твердих тіл (подовжні ,поперечні та крутильні);
- хвилі ймовірності у Квантовій механіці;
- хвилі ні воді.
Зупинимося на різних типах ГУ, які виникають під час розв’язування задач хвильового характеру. Будемо розглядати лише одновимірні задачі, та ГУ (лінійні). Як правило розрізняють ГУ 3-ох типів:
Задача режиму у граничних точках 0,L (ГУ І-го роду)
U(t,0)=g1(t);
U(t,l)=g2(t);
Задано сили у граничних точках (ГУ ІІ-го роду)
Ux(t,0)=g1(t);
Ux(t,L)=g2(t);
Пружне закріплення у граничних точках.
Ux(t,0)
–
1
U(t,0)=g1(t);
Ux(t,1) - 2 U(t,l)=g2(t);
Розглянемо приклад:
Нехай мають місце ГУ І-го роду, тоді має місце L=1. У цьому випадку виникає задача:
Utt=c2Uxx ,0<x<1, t>0;
Далі маємо дві граничні умови:
U(t,0)= g1(t)
t>0;
U(t,l)=g2(t)
І дві початкові умови:
U(0,x)=f(x);
0<x<1;
Ut(0,x)=g(x)
Характерною задачею є крутильні коливання стержня, лівий кут якого закріплений, а правий повертається на деякий кут. Однією із важливих задач є задача визначення такої функції g2(f) , щоб за мінімальний час погасити коливання струни.
Задано сили у граничних точках.
Вершини сил, які діють на лівий та правий кінці струни визначаються виразом:
TUx(t,0), TUxx(t,1). Якщо кінець переміщується уздовж вертикальних направляючих без тертя то ГУ набувають такого вигляду:
Ux(t,0)=0
Ux(t,l)=1
ГУ такого типу виникають наприклад у подовжніх коливаннях пружини з вільним кінцем і коливання пружини під дією сили, яку прикладено до одного кінця.
Пружини закріплення кінців.
Нехай h- коєфіцієнт пружності кінців.
П
ружини,
які прикріплені до кінців струни
створюють вертикальні сили. Пропорційні
зміщенню кінців.
Зусилля, що створюються пружинами на кінцях струни такі:
Лівий кінець- TUx(t,0)
Правий - TUxx(t,l)
Враховуючи h маємо такі ГУ:
Ux(t,0)=h/T U(t,0)
Ux(t,1)=- h/T U(t,1)
Або
Ux(t,0)-h/T U(t,0)=0
Ux(t,0)-h/T U(t,1)=0
Для ДРЧП будь-якого типу розрізняють в залежності від типу ГУ І, ІІ, та ІІІ-тю крайові задачі.
Якщо у правих точках мають місце ГУ різних типів, то задачі називають змішаними крайовими задачами.
15.Еліптичні задачі. Три основні типи граничних умов у крайових задачах
Оператор
Лапласа
є
одним із найважливіших операторів
математичної фізики. Лапласіан функції
дозволяє оцінити значення функції в
точці через значення функції в сусідніх
точках і лапласіан можна вважати
узагальненням другої похідної функції
однієї змінної на багатомірний випадок.
Розглянемо основну властивості
лапласіана, завдяки якій він широко
використовується (двовимірний випадок).
Якщо
в точці (х,у),
то
значення u(x,y)
менше за “середнє значення функції в
сусідніх точках” (під середнім значенням
функції в сусідніх точках розуміють
середнє значення функції або по колу,
або по кругу з центром в точці (х,у)
);Якщо
в точці (х,у),
то
значення u(x,y)
рівне
“середньому значенню функції в сусідніх
точках”;Якщо
в точці (х,у),
то значення u(x,y)
більше за “середнє значення функції
в сусідніх точках”.
Використовуючи цей факт, дамо інтерпретацію основних рівнянь математичної фізики.
Згідно
з рівнянням теплопровідності
для температури (або концентрації) u,
швидкість зміни температури
пропорційна величині
.
Отже, якщо температура в точці менша за
середню температуру на колі, яке описує
цю точку, то температура в даній точці
буде зростати.
Згідно
з хвильовим рівнянням
для зміщення мембрани, прискорення
точки мембрани
(або сила, що діє на точку) пропорційна
величині
.
Отже, точка мембрани прискорюється
догори (сила направлена догори), якщо
її зміщення (за висотою) менше за зміщення
сусідніх точок.
Загальні властивості крайових задач
Розглянемо
стаціонарний (при
)
розв’язок рівняння теплопровідності
Оскільки розв’язок не змінюється з
плином часу, то
і
рівняння теплопровідності переходить
в рівняння Лапласа
.
Розглянемо задачу
(ДРЧП)
(ГУ)
,
,
(ПУ)
.
Щоб
знайти стаціонарний розв’язок
(якщо він існує) покладемо
і розв’яжемо крайову задачу
Її
розв’язок має вигляд
