Сначала рассмотрим простейшую задачу с однородными краевыми условиями первого типа.
Задача. На концах стержня конечной длины поддерживается нулевая температура. Источники тепла в стержне отсутствуют (однородное уравнение). Начальная температура в каждой точке стержня задана.
Решение. Функция – температура стержня – есть решение задачи:
(1)
Следуя методу Фурье, ищем сначала нетривиальные решения уравнения, удовлетворяющие однородным краевым условиям, в виде:
Знакомая схема приводит к соотношению:
.
Для задачи известны собственные значения и собственные функции
Каждому собственному значению соответствует функция удовлетворяющая уравнению первого порядка:
Общее решение этого уравнения имеет вид:
Значит, частные решения однородного уравнения теплопроводности, удовлетворяющие однородным граничным условиям, представляются в виде:
Здесь введена новая постоянная . Осталось просуммировать решения
(2)
В заключительной части метода Фурье определяются постоянные так, чтобы функция (2) удовлетворяла заданному начальному условию
(3)
Формула (3) показывает, что суть коэффициенты разложения начальной функции в ряд Фурье по синусам на , то есть
●