Классификация ДУ с частными производными второго порядка.

Введение.

Уравнения математической физики – дифференциальные уравнения, в них входят частные производные.

 

Примеры уравнений первого порядка:

(1)

Примеры уравнений второго порядка:

(2)

Рассмотрим простейшее уравнение:

. (3)

Очевидно, что его решение:

(4)

Где φ(y) – произвольная функция.

Следующий пример уравнения

где f(y) – заданная функция. (5)

Общее решение

(6)

Где φ(y) – произвольная функция.

Упражнение. Проверить, что общее решение уравнения

(7)

Есть

(8)

Где φ – произвольная дифференцируемая функция.

 

Простейшее уравнение второго порядка:

(9)

Заменим . Тогда наше уравнение принимает вид:

(10)

Его общее решение v=f(y). Тогда, возвращаясь к замене, получаем:

(11)

Общее решение

(12)

Или

(13)

Упражнение. Проверить, что функция является общим решением уравнения

(14)

Уравнения гиперболического типа.

Основные задачи.

3.1.1. Поперечные колебания струны.

 

Рассмотрим струну, колеблющуюся в одной плоскости. Для описания процесса колебаний вводится функция u(x,y) – вертикальное смещение струны, так что u=u(x,y) – уравнение струны в данный момент. В нашей модели струна – гибкая упругая нить, что означает, что напряжение в струне всегда направлены по касательной к струне. Мы будем рассматривать малые колебания струны. В этом приближении можно показать, что сила натяжения струны не зависит от x и t, т.е.

(44)

 

Для получения уравнения малых колебаний струны составим ее уравнение движения. Рассмотрим элемент струны от х до и запишем для него уравнение движения в проекциях на вертикальную ось:

(45)

Так как мы рассматриваем малые колебания, то можно пренебрегать величинами высшего порядка малости по сравнению с

- линейная плотность струны.

m – масса единицы длины струны.

- сила, которая действует на весь элемент струны.

Каждая точка струны двигается по вертикали

u(x,y) – смещение.

a – ускорение элемента струны.

 

В этом приближении

В результате уравнение движения может быть переписано в виде:

(46)

При получаем

(47)

Полученное уравнение – уравнение малых поперечных колебаний струны. В случае однородной струны его можно переписать в виде

(48)

где

- сила

- линейная плотность струны.

- плотность силы, отнесенная к единице массы. При отсутствии внешней силы получаем однородное уравнение

(49)

 

 

Продольные колебания стержня.

 

Уравнение продольных колебаний однородного стержня имеет вид:

 

(50)

Где

,

k – модуль Юнга стержня,

.

u – смещение точки стержня.

Поперечные колебания мембраны.

 

Мембраной называется плоская пленка, не сопротивляющаяся изгибу и сдвигу. Мы будем рассматривать только поперечные колебания мембраны. Дифференциальное уравнение таких колебаний имеет вид

(51)

Для однородной мембраны

(52)

Где

Колебания круглой мембраны.

Применим метод решения задачи о колебаниях прямоугольной мембраны к колебаниям круглой мембраны. Пусть мембрана в состоянии покоя занимает круг радиуса R с центром в начале координат. Введем полярные координаты r и φ:

x=rcos φ, y=rsin φ.

 

Выполняя замену переменных u(x,y,t) à u(r,φ,t) уравнение колебаний мембраны приводятся к виду

(131)

 

 

Граничные условие будет иметь вид

Начальные условия

Будем рассматривать только осесимметричные колебания мембраны, т.е. начальные условия не должны зависеть от угла φ. Очевидно, что в любой момент времени скорости и отклонения точек будут зависеть от угла, поэтому наша задача упрощается:

(132)

Граничные условия

Начальные условия

 

Будем искать решение в виде

(133)

Из краевого условия сразу находим

U(R)=0

Подставляя (133) в уравнение, получаем

разделим на UT

(134)

В результате приходим к уравнениям

(135)

(136)

В последнем сделаем замену :

Подставляя в наше уравнение, получаем

(137)

Получившееся уравнение является частным случаем уравнения Бесселя:

(138)

Решениями последнего уравнения при заданном k называется бесселевыми функциями порядка k (цилиндрическими функциями).

Найдем решение уравнения (138). Очевидно, что оно имеет особую точку при x=0, поэтому его решение будем искать в виде степенного ряда. Для этого преобразуем его к виду:

(139)

 

 

Записываем ряд:

(140)

Подставляя (140) в (139) и приравнивая коэффициенты при каждой степени x нулю, получим систему уравнений

(141)

Где l=2,3…

Предполагая, что , находим

Из второго уравнения (141) находим, что =0. преобразуем l-е уравнение в системе (141).

 

(142)

Отсюда получаем рекуррентную формулу:

(143)

С учетом найденного =0 делаем вывод, что все нечетные коэффициенты равны нулю. Очевидно, что при решение обращается в бесконечность при x=0. будем рассматривать случай . В результате, для четных коэффициентов получаем

(144)

Применяя эту формулу m-1 раз, получим

(145)

Полагая,

Получаем

(146)

В результате, полученное решение называется функцией Бесселя первого рода k-ого порядка и имеет вид:

(147)

 

Колебания круглой мембраны.

Введем полярные координаты r и φ: x=rcos φ, y=rsin φ.

Выполняя замену переменных u(x,y,t) à u(r,φ,t) уравнение колебаний мембраны приводятся к виду

Граничные условие будет иметь вид

Начальные условия

Будем рассматривать только осесимметричные колебания мембраны, т.е. начальные условия не должны зависеть от угла φ. Очевидно, что в любой момент времени скорости и отклонения точек будут зависеть от угла,

Граничные условия

Начальные условия

Будем искать решение в виде

Из краевого условия сразу находим U(R)=0

С учетом этого находим

Задачи диффузии.

Концентрация – число атомов и молекул этого вещества в единице объема.

В задачах диффузии находится неизвестная функция – концентрация диффундирующего вещества, обозначаемая

Процесс диффузии аналогичен теплопроводности, поэтому уравнение диффузии будет иметь вид

Здесь D – коэффициент диффузии.

Начальные условия –

мы задаем начальную концентрацию. Краевые условия

соответствует тому, что граница G непроницаема для диффундирующего вещества, - концентрация на границе

Введение.

Уравнения математической физики – дифференциальные уравнения, в них входят частные производные.

 

Примеры уравнений первого порядка:

(1)

Примеры уравнений второго порядка:

(2)

Рассмотрим простейшее уравнение:

. (3)

Очевидно, что его решение:

(4)

Где φ(y) – произвольная функция.

Следующий пример уравнения

где f(y) – заданная функция. (5)

Общее решение

(6)

Где φ(y) – произвольная функция.

Упражнение. Проверить, что общее решение уравнения

(7)

Есть

(8)

Где φ – произвольная дифференцируемая функция.

 

Простейшее уравнение второго порядка:

(9)

Заменим . Тогда наше уравнение принимает вид:

(10)

Его общее решение v=f(y). Тогда, возвращаясь к замене, получаем:

(11)

Общее решение

(12)

Или

(13)

Упражнение. Проверить, что функция является общим решением уравнения

(14)

Классификация ДУ с частными производными второго порядка.

Уравнением с частными производными второго порядка с двумя независимыми переменными x, y называется соотношение между неизвестной функцией u(x,y) и ее частными производными до второго порядка включительно:

(15)

Линейное относительно старших производных уравнение

(16)

Здесь коэффициенты являются функциями x и y.

Линейное уравнение

(17)

Причем a, b, c, f – зависят только от x и y. Если a, b, c, f не зависят от x и y, то (17) – однородное уравнение.

Рассмотрим вопрос о приведении уравнения (16) к наиболее простому виду. Для этого рассмотрим замену переменных:

(18)

(19)

По правилу нахождения производной сложной функции:

(20)

(21)

Далее

(22)

Аналогично,

Подставляем вычисленные значения производных в уравнение (16)

(23)

Коэффициенты при старших производных имеют вид:

(24)

(25)

(26)

Очевидно, что наиболее простой вид рассматриваемое уравнение будет иметь, если и .

Для того, чтобы , необходимо, чтобы функция φ(x,y) была решением уравнения.

(27)

Для того, чтобы , , необходимо, чтобы функция φ(x,y) была решением уравнения (27).

Теорема. Для того, чтобы функция z = φ(x,y) удовлетворяла уравнению (27), необходимо, чтобы соотношение φ(x,y)=С (28)

было общим интегралом уравнения

(29)

Докажем необходимость. Пусть функция z = φ(x,y) удовлетворяет уравнению (27).

Тогда из (27) получаем:

(30)

Из (28) находим:

(31) получаем, как φ(x,y)=С – берем полный дифференциал.

(31)

Подставляем в уравнение (30)

Домножаем на

. Таким образом мы доказали необходимость.

Докажем теперь достаточность.

Пусть φ(x,y)=С – общий интеграл уравнения (29), которое мы перепишем еще раз:

Отсюда получаем:

Подставляем сюда (31), находим

Отсюда,

, что и требовалось доказать.

Таким образом, если и =const есть общий интеграл уравнения

(33)

то коэффициент при =0. если и =const есть другой независимый интеграл этого уравнения, то коэффициент при .

Уравнение (33) называется характеристическим, а его интегралы – характеристиками.

Уравнение (33) распадается на два:

(34)

(35)

Знак подкоренного выражения определяет тип уравнения

(36)

Если >0, то уравнение (36) – уравнение гиперболического типа. В этом случае правые части (34) и (35) действительны и различны. Получаем соответствующие общие интегралы =С и =С. Далее выполняем замену переменных

, (37)

И разделив на коэффициент при получаем уравнение вида:

(38)

Полученное уравнение – каноническая форма уравнений гиперболического типа.

Далее выполняем замену:

или

Т.е.

Вычисляем производные:

Подставляя в уравнение (38), получаем:

(39)

Если =0, то уравнение (36) – уравнение параболического типа. В этом случае уравнения (34) и (35) совпадают. Соответственно, возникает только один общий интеграл =const

Выбираем переменные следующим образом:

, (40)

где функция - любая независимая от φ.

Рассмотрим коэффициент . С учетом, находим

(41)

Тогда для (42)

Таким образом, мы доказали, что

В результате мы получаем каноническую форму уравнения параболического типа:

Если <0, то уравнение (36) – уравнение эллиптического типа.

 

z=x+iy;

z=|z|

z*=x-iy

z*=|z|

В этом случае правые части уравнений (34) и (35) комплексны. Если φ(x,y)=С – есть комплексный интеграл (34), то φ*(x,y)=С* - есть комплексный интеграл (35).

Если ввести новые переменные

,

то уравнение эллиптического типа приводится к формально тому же виду, что и гиперболическое, но с комплексными переменными. Для того, чтобы перейти к действительным переменным, сделаем замену:

или

Отсюда,

В результате наше уравнение приводится к виду

,

Если из коэффициентов при старших производных составить матрицу

(43)

и вычислить знак определителя, то знак детерминанта матрицы А будет определять тип уравнения:

detA>0 – эллиптический.

detA<0 - гиперболический

detA=0 – параболический