Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Задачи по мат.физике

.pdf
Скачиваний:
24
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
749.32 Кб
Скачать

A) IMELA BY RE[ENIE. eDINSTWENNO LI \TO RE[ENIE? B) NE IMELA BY RE[ENIJ.

rE[ENIE.

nAJDEM HARAKTERISTIKI URAWNENIQ uxx + 5uxy ; 6uyy = 0 :

(dy)2 ; 5 dy dx ; 6(dx)2 = 0

y + x = C1 y ; 6x = C2

I ZAPI[EM EGO OB]EE RE[ENIE

 

u(x y ) = f(y + x) + g(y ; 6x)

GDE f( ) ( ) 2 C2(R) | PROIZWOLXNYE FUNKCII ODNOJ PEREMEN- NOJ. pODSTAWIM OB]EE RE[ENIE W NA^ALXNYE USLOWIQ, ZADANNYE NA ODNOJ IZ HARAKTERISTIK

(

u y=6x

=

f(7x) + g(0)

=

'(x)

(16)

uy

 

=

f0(7x) + g0(0)

=

(x):

 

y=6x

 

 

 

 

 

nEOBHODIMOE USLOWIE RAZRE[IMOSTI SISTEMY (16) IMEET WID

'0(x) = 7 (x) + const

PRI^EM IZ SISTEMY (16) NAJTI MOVNO TOLXKO FUNKCI@ f( ) A FUNKCIQ g( ) NE OPREDELQETSQ.

A) pRIMER NA^ALXNYH DANNYH, PRI KOTORYH ZADA^A kO[I IMEET RE[ENIE:

 

 

'(x) = 7x2

(x) = 2x:

rE[ENIE ZADA^I NEEDINSTWENNO:

 

 

 

1

 

 

 

u(t x ) = 7 (x + y)2 + g(y ; 6x)

GDE g( ) 2 C

2

R

 

 

( ) | L@BAQ FUNKCIQ, UDOWLETWORQ@]AQ USLOWIQM

g(0) = g0(0) = 0:

 

B) pRIMER NA^ALXNYH USLOWIJ, PRI KOTORYH ZADA^A kO[I

NE IMEET RE[ENIQ:

 

 

 

'(x) = x2

(x) = 2x:

w \TOM SLU^AE SISTEMA (16) PROTIWORE^IWA.

81

zADA^A 3.14.

nAJTI RE[ENIE u(x t ), x = (x1

2

3), W R3 R+ ZADA^I:

utt = xu

u

 

 

= 0

ut

 

 

= x 7:

 

 

t=0

 

 

t=0

j j

rE[ENIE. pEREJDEM W SFERI^ESKIE KOORDINATY. tAK KAK NA- ^ALXNYE USLOWIQ ZADA^I ZAWISQT TOLXKO OT jxj = r TO I RE[ENIE, W SILU EDINSTWENNOSTI, QWLQETSQ FUNKCIEJ TOLXKO PEREMENNYH r I t:

dLQ FUNKCIJ, ZAWISQ]IH TOLXKO OT RADIUSA, OPERATOR lAP- LASA W PROSTRANSTWE x 2 Rn IMEET WID

x =

@2

+ n ; 1

@

:

@r2

 

 

r @r

 

sLEDOWATELXNO, ZADA^A DLQ FUNKCII u = u(r ) PEREPI[ETSQ TAK

utt = urr + 2 ur

r > 0>

 

 

0

u

t=0

= 0 ut

 

t=0

= r7:

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dOMNOVIM URAWNENIE NA r :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rutt = rurr + 2ur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I SDELAEM ZAMENU v(r

) = ru(r ): tOGDA vtt = rutt

r = rur + u

vrr = rurr + 2ur: tAK KAK u(0

) OGRANI^ENA, TO v(0

 

) = 0:

pOLU^IM ZADA^U DLQ FUNKCII v(r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vtt = vrr r > 0>

0

v

 

t=0

= 0 t

 

 

= r8

 

v

 

r=0

= 0:

 

 

 

 

 

 

t=0

 

 

 

 

 

pRIMENIM METOD D'aLAMBERA DLQ POLUOGRANI^ENNOJ STRUNY, PRODOLVIW NA^ALXNYE USLOWIQ NE^ETNO W OBLASTX r < 0 (SM. TEORI@ K PARAGRAFU 3):

 

 

8

1

r+t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2rZt

8 d =

 

 

(r + t)9

; (r ; t)9

 

r > t

 

v(r ) =

18

 

>

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

r+t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

8

 

 

 

9

; (t ; r)

9

 

 

 

 

>

 

;

d =

 

(r + t)

 

 

r < t:

 

 

:

2tZr

18

 

 

 

 

82

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tOGDA

u(r ) =

1

 

1

 

(r + t)9

r v(r ) =

 

 

18r

nAJTI u(0

) MOVNO LIBO KAK lim u(r

HGOFA

 

 

 

 

 

r!0

 

u(0 ) =

1

Z

j j7 dS =

 

t7

Z

4 t

 

4 t

 

 

j j=t

 

 

 

 

j j=t

t

 

r

9

 

r = 0:

; j

;

 

j

 

6

) LIBO PO FORMULE kIR-

dS =

 

t7

4 t2 = t8:

 

4 t

oTWET:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x t ) =

1

 

x

+ t

 

9

 

t

 

x

9

x = 0

u(0 ) = t8:

18jxj ;j

 

 

;

 

j

 

j

 

 

 

; j

 

6

 

zADA^A 3.27.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pRI KAKIH A I ! SU]ESTWUET RE[ENIE u 2 C2(

R

+

R

+) W

R

+

R

+

KRAEWOJ ZADA^I:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

utt = uxx

u

 

x=0

= cos !t u

 

= A e;x2

ut

 

t=0

= 0 ?

 

 

 

 

 

t=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nAJTI \TO RE[ENIE.

rE[ENIE. oB]EE RE[ENIE URAWNENIQ STRUNY IMEET WID

u(x t ) = f(x ; t) + g(x + t):

pRI x > t RE[ENIE OPREDELQETSQ PO FORMULE dALAMBERA: u(x t ) = f(x ; t) + g(x + t) = A2 ;e;(x;t)2 + e;(x+t)2 :

pRI x < t IMEEM

u(x t ) = f(x ; t) + g(x + t) = f(x ; t) + A2 e;(x+t)2

GDE PADA@]AQ WOLNA g( ) TA VE, ^TO PRI x > t, A OTRAVENNAQ WOLNA f( ), < 0, NAHODITSQ IZ GRANI^NOGO USLOWIQ:

u

 

 

= f(

;

t) + Ae;t2 = cos !t

()

f( ) = cos !

A e; 2 :

 

 

 

2

 

83

 

 

x=0

 

 

 

 

 

 

tOGDA PRI x < t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

;e;(x+t)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ cos !(x ; t):

 

 

 

 

 

 

 

u(x t ) = 2

 

; e;(x;t)

 

 

 

 

fUNKCIQ u(x t ) PRINADLEVIT KLASSU C2(

 

+

 

 

+), ESLI ONA IME-

R

R

ET DWE NEPRERYWNYE PROIZWODNYE NA UGLOWOJ HARAKTERISTIKE

x = t. dLQ \TOGO FUNKCIQ f( ), ZADAWAEMAQ f( ) = Ae; 2 =2 PRI

> 0

I f( ) =

;

Ae; 2 =2 + cos ! PRI < 0, DOLVNA BYTX KLAS-

SA C

2

W NULE,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TO ESTX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(+0) = f(;0)

 

 

 

 

()

 

 

 

A

 

= 1 ;

A

 

 

 

()

 

A = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

f0(+0) = f0(;0)

 

 

 

(WYPOLNENO WSEGDA),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

! = p

 

 

 

f00(+0) = f00(;0)

 

 

 

 

()

 

 

 

;1 = 1 ; !2

 

 

()

 

 

2

 

 

TAK KAK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f0(+0) = ; e; 2

 

=0 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f0(

;

0) =

 

e; 2

 

! sin

!t

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f00

(+0) =

 

;

e;

 

 

+ 2 2e;

 

=0

=

;

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f00

(;0) = e;

 

; 2 2e;

 

; !2 cos ! =0 = 1 ; !2

 

pRI NAJDENNYH ZNA^ENIQH

A

I

!

POLU^IM DWAVDY NEPRERYW

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NO DIFFERENCIRUEMOE RE[ENIE ZADA^I:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e;(x+t)2 + e;(x;t)2

=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x > t

 

u(t x ) = (;e;(x+t)2

 

 

 

e;(x;t)2

=2 + cos

;

p

 

(x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

t)

x < t:

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

zADA^A 3.33.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pUSTX u(x t ) | RE[ENIE W [0 1]

 

+ SME[ANNOJ ZADA^I

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

utt = 4uxx

 

 

u x=0 = u x=1 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

t=0

= 4 sin3 x

 

 

 

 

ut

t=0

= 30x(1

 

 

x):

 

 

 

 

84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A) nAJTI f

 

 

 

1

, GDE f(t) =

 

ut2(x t ) + 4u2x(x t )

 

dx.

 

 

 

3

 

 

B) nAJTI u;(x

2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rE[ENIE. A)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f0(t) = Z01

2ut(x t )utt(x t ) + 8ux(x t )utx(x t ) dx =

 

 

 

 

 

= f

 

IZ URAWNENIQ utt = 4uxx g =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 8

 

Z0

ut(x t )uxx(x t ) + ux(x t )utx(x t )

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= fPO ^ASTQMg = 8ut(x t )ux(x t )

x=0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

8

Z0

1 utx(x t )ux(x t )dx + 8

 

 

1 ux(x t )utx(x t )dx = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PODSTANOWKA RAWNA NUL@ IZ GRANI^NYH USLOWIJ:

 

 

 

 

 

 

 

 

u x=0 = u x=1 = 0 =) ut

x=0 = ut

 

x=1 = 0:

tAK KAK f

0(t) = 0 TO f(t) const, I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f;

1

 

= f(0) = Z01

ut2(x 0) + ux2(x 0) dx:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

dLQ TOGO, ^TOBY NAJTI ux(x 0)

PRODIFFERENCIRUEM NA^ALXNOE

USLOWIE u(x 0) = 4 sin3 x PO x. pOLU^IM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

1

 

 

Z0

1

 

 

 

 

 

 

 

x))2 + 4(12 sin2 x cos x)2

 

dx = 30 + 36 2:

f

=

 

 

(30x(1

;

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B) nAJDEM OB]EE RE[ENIE ZADA^I METODOM fURXE:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x t ) =

1

 

An cos 2 nt + Bn sin 2 nt

 

 

sin nx:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tOGDA RE[ENIE u(x t ) 1{PERIODI^NO PO WREMENI, I

 

 

 

 

 

 

 

u(x 2) =

X

 

An cos 4 n + Bn sin 4 n

 

sin nx =

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

X

An sin nx = u(x 0) = 4 sin3 x:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

85

zADA^A 3.39.

A) nAJTI WSE k > 0, DLQ KOTORYH PRI NEKOTOROJ FUNKCII

'(x) 2 C1((0

))

SU]ESTWUET NEOGRANI^ENNOE RE[ENIE W

[0 ]

R+ ZADA^I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

utt = 9uxx

u x=0 = (ux ; ku) x= = 0

 

 

 

 

 

 

 

u t=0

= 0

 

ut

t=0 = '(x):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

)

dLQ

k =

1

OPISATX WSE FUNKCII

'(x) 2 C1((0 )),

DLQ

 

 

 

 

 

 

 

 

KOTORYH RE[ENIE u(t x ) \TOJ ZADA^I OGRANI^ENO.

 

 

rE[ENIE. A) rAZDELQQ PEREMENNYE, POLU^AEM, ^TO RE[ENIE ZA- DA^I I]ETSQ W WIDE RQDA

1

u(t x ) = X Tj(t)Xj (x)

j=1

GDE SISTEMA FUNKCIJ Xj(x) 6 0 | RE[ENIE ZADA^I {TURMA{ lIUWILLQ

X00(x) = jXj(x)

Xj(0) = 0

X0 ( )

;

kXj( ) = 0

(17)

j

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A FUNKCII Tj(t) | RE[ENIQ ZADA^I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

 

 

 

Z0

 

 

T 00 = 9 jTj Tj(0) = 0

0(0) =

 

'(x)Xj(x)dx

.

X2

(x)dx:

j

j

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(18)

rASTU]IE PO t RE[ENIQ U ZADA^I (18) MOGUT BYTX LI[X W SLU^AE j > 0, PRI^EM OBQZATELXNO ONI I BUDUT, ESLI TOLXKO Tj0(0) 6= 0. tAKIM OBRAZOM, NEOBHODIMO PONQTX, KOGDA U ZADA^I {TURMA{lIUWILLQ (17) BYWA@T NEOTRICATELXNYE SOBSTWENNYE ZNA^ENIQ j.

nENULEWOE RE[ENIE Xj(x) ZADA^I (17) S j = 0 S TO^NOSTX@ DO UMNOVENIQ NA KONSTANTU IMEET WID Xj(x) = x (KAK LINEJNAQ FUNKCIQ S NULEWYM ZNA^ENIEM W NULE) I SU]ESTWUET TOLXKO W SLU^AE, ESLI \TA FUNKCIQ UDOWLETWORQET GRANI^NOMU USLOWI@ W TO^KE , TO ESTX

1 ; k = 0 ()

k = 1= :

86

w SLU^AE j = !2 > 0, ! > 0, WWIDU USLOWIQ Xj(0) = 0 \TO RE[ENIE IMEET WID Xj(x) = sh !x (OPQTX-TAKI S TO^NOSTX@ DO UMNOVENIQ NA KONSTANTU), I ONO SU]ESTWUET W SLU^AE, ESLI SLEDU@]EE URAWNENIE OTNOSITELXNO ! IMEET RE[ENIE

! ch ! ; k sh ! = 0 () k th ! = ! (19)

^TO, W SWO@ O^EREDX, BUDET, ESLI PROIZWODNAQ FUNKCII f(!) = k th ! W NULE MENX[E 1, TO ESTX k > 1. zAMETIM, ^TO W SI- LU STROGOJ WYPUKLOSTI WWERH FUNKCII f(!) NA POLOVITELXNOJ POLUOSI URAWNENIE (19) IMEET NE BOLEE ODNOGO RE[ENIQ ! > 0. sLEDOWATELXNO, NEOGRANI^ENNOE PO WREMENI RE[ENIE ISHOD-

NOJ ZADA^I SU]ESTWUET PRI k > 1= .

B). eSLI k = 1, TO, KAK UKAZANO WY[E, ZADA^A {TURMA{ lIUWILLQ (17) IMEET ROWNO ODNO POLOVITELXNOE SOBSTWENNOE ZNA^ENIE 1 > 0, I RE[ENIE u(t x ) BUDET OGRANI^ENO TOGDA I TOLXKO TOGDA, KOGDA SOOTWETSTWU@]AQ SOBSTWENNAQ FUNKCIQ X1(x) NE BUDET U^ASTWOWATX W RAZLOVENII \TOGO RE[ENIQ, TO ESTX T10(0) = 0. |TO OZNA^AET, ^TO

Z '(x)X1(x)dx = 0:

0

zADA^A 4.9.

pRI KAKIH USLOWIQH NA FUNKCI@ ' 2 C1;(0 1) L@BOE RE[ENIE

0

u(t x ) ZADA^I

:

ut = uxx

(0 1)>

 

0

:

ut = uxx

 

 

(0 1)> 0

 

 

 

x2=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A) 8 u x=0

= ux

= 0

!

B) 8 ux

x=0 = ux 2x=1

= 0

 

 

 

= '(x)

 

 

 

 

!

 

 

1

 

 

 

 

 

<

u

t=0

 

 

 

<

u

t=0

= '(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OBLADAET SWOJSTWOM u(t x )

 

 

0 PRI t

 

 

+

 

 

 

?

 

 

 

 

rE[ENIE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A) nAJDEM RE[ENIE ZADA^I METODOM fURXE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2(n+

1

)2t

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(t x ) =

'n e;

 

 

 

 

 

sin

 

n + 2

 

x

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

87

GDE 'n | KO\FFICIENTY RAZLOVENIQ FUNKCII '(x) PO BAZISU

 

sin

;

n +

1

 

 

2

0

;;!

 

 

 

 

 

x n

= 0 1:: : sLEDOWATELXNO, u(t x )

 

0 PRI

 

 

 

2

 

 

 

 

t

 

L@BOJ FUNKCII '(x)

C1(0 1):

!1

 

 

 

B) pRI GRANI^NYH USLOWIQH WTOROGO RODA RE[ENIE IMEET WID

u(t x ) = '0 +

1

'n e; 2n2t cos( nx)

 

X

 

 

n=1

 

GDE 'n | KO\FFICIENTY fURXE RAZLOVENIQ FUNKCII '(x) PO BA-

ZISU 1 cos( nx) = 1 2::

: sLEDOWATELXNO, lim u(t x ) = '0

A KO\FFICIENT

 

t!1

'0 = 0 PRI SLEDU@]EM USLOWII NA FUNKCI@ '(x) :

 

Z1

'(x) dx = 0:

 

0

 

s TO^KI ZRENIQ FIZIKI \TO USLOWIE OZNA^AET, ^TO PREDELXNAQ TEMPERATURA STERVNQ S TEPLOIZOLIROWANNYMI KONCAMI RAWNA SREDNEMU ZNA^ENI@ NA^ALXNOJ TEMPERATURY. tEMPERATURA STERVNQ STREMITSQ K NUL@ S TE^ENIEM WREMENI TOLXKO W TOM SLU^AE, ESLI SREDNEE ZNA^ENIE NA^ALXNOJ TEMPERATURY RAWNO NUL@.

zADA^A 4.21.

pUSTX u(t x ) | RE[ENIE W Q1

)

ZADA^I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ut = uxx

u x=0 = ux x= = 0

u t=0 = '(x)

GDE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'(0) = '0( ) = 0.

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

A) dOKAZATX, ^TO

 

sup

u(1

 

)

6

sup

'(x)

:

 

 

 

 

0<x< j

 

 

 

 

0<x< j

 

j

 

 

 

B) wERNO LI, ^TO

 

sup

u(1

 

)

j

6

1

sup

 

'(x)

j

?

 

 

0<x< j

 

 

 

 

2

0<x< j

 

 

 

rE[ENIE. A). pRODOLVIM FUNKCI@ u(t x ) ^ETNYM OBRAZOM ^E-

REZ TO^KU NA MNOVESTWO x 2

( 2 ), TO ESTX POLOVIM u~(t x ) =

u(t 2 ; x) PRI x 2 ( 2 ). pOSTROENNAQ FUNKCIQ u~(t x ) QWLQ-

ETSQ RE[ENIEM KRAEWOJ ZADA^I

u~t = u~xx

x 2 (0 2 ) t > 0

u~jx=0 = u~jx=2 = 0 u~jt=0 = '~(x)

88

GDE FUNKCIQ '~(x) QWLQETSQ ANALOGI^NYM PRODOLVENIEM '(x) NA OTREZOK [0 2 ]. w SILU PRINCIPA MAKSIMUMA DLQ URAWNENIQ TEP- LOPROWODNOSTI W OGRANI^ENNOJ OBLASTI, RE[ENIE u~(t x ) PRINI- MAET MAKSIMALXNOE PO MODUL@ ZNA^ENIE PRI t = 0 (TAK KAK u~ RAWNO 0 NA BOKOWOJ GRANICE x = 0 I x = 2 ). iTAK,

sup

u(1

)

j

=

sup

u~(1 )

j

6

sup

'~(x)

j

=

sup

'(x)

:

0<x< j

 

 

 

0<x<2 j

 

 

0<x<2 j

 

 

0<x< j

j

 

B). nEWERNO. pRIMER: '(x) = sin(x=2) SOOTWETSTWU@]EE RE- [ENIE u(t x ) = e;t=4 sin(x=2), TOGDA

 

sup

u(1

)

= e;1=4

 

sup

'(x)

j

= 1

 

0<x< j

 

j

 

 

 

0<x< j

 

 

 

e;1=4 > 1=2, TAK KAK e < 24.

 

 

 

 

 

 

 

zADA^A 4.33.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pUSTX u(x t ) | RE[ENIE W R R+ ZADA^I kO[I

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + sin x

 

 

 

 

ut = 4uxx

u

t=0 = 1 + 2x2

:

 

nAJTI

lim u(x t ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t!+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zADA^A 4.34.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pUSTX u(x t ) | RE[ENIE W R R+ ZADA^I kO[I

 

 

 

ut = uxx

u

t=0

= arcctg x:

 

 

 

nAJTI

lim u(x t ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t!+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zADA^A 4.35.

pUSTX u(x t ) | OGRANI^ENNOE RE[ENIE W R R+ ZADA^I kO[I

 

ut = uxx

u t=0 = '(x) 2 C(R) \ L1(R):

 

 

 

 

1

l

nAJTI

lim u(0 ),

lim

'(x) dx = A:

ESLI

 

 

t!+1

 

l!+1 l

Z;l

89

rE[ENIE ZADA^ 4.33{4.35 OSNOWANO NA TEOREMAH O STABILI- ZACII:

pUSTX u(x t ) | OGRANI^ENNOE RE[ENIE ZADA^I kO[I:

 

 

 

ut = uxx

W

R

 

R

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

( u t=0 = '(x)

 

 

x

2

R

 

'(x) 2 C(R) \ L1(R): tOGDA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. eSLI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

'(x) = A

lim

'(x) = B

(20)

 

 

x!+1

x!;1

 

 

 

 

TO

lim

u(x t ) =

A + B :

 

 

 

 

 

 

 

t!+1

 

2

 

 

 

 

 

 

2. eSLI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim 1 l

'(x)dx = A

 

 

(21)

 

 

 

l!+1 l ;Zl

 

 

 

 

 

 

TO

lim

u(x t ) =

A:

 

 

 

 

 

 

 

t!+1

 

2

 

 

 

 

 

u(x t ) = '0

3. eSLI

'(x) | PERIODI^ESKAQ FUNKCIQ, TO lim

' | t!+1 '(x)

GDE 0 NULEWOJ KO\FFICIENT RAZLOVENIQ FUNKCII W RQD fURXE, TO ESTX PROSTRANSTWENNOE SREDNEE FUNKCII '(x).

dOKAZATELXSTWA.

1. pREDSTAWIM ' W WIDE SUMMY SWOEJ ^ETNOJ I NE^ETNOJ SO-

STAWLQ@]IH '+ =

'(x) + '(;x)

 

=

'(x) ;

'(;x)

: w SILU

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

;

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

FORMULY pUASSONA POLU^IM,

^TO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x t ) =

 

 

1

 

1 '+( ) exp

;

( ; x)2

 

d +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p t Z

 

 

4t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

1 1

'

 

 

( ) exp

;

( ; x)2

 

d =

 

=

;

x

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p t Z

;

 

 

 

 

 

 

 

4t

 

 

 

 

 

2pt

 

 

;1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

90