Р е ш е н и е. Здесь нужно решать смешанную задачу

методом разделения переменных, полагая u (x, t)= X (x) T (t).

Тогда и из граничных условий найдем

Собственные значения и собственные функции определяются из задачи

поэтому на этот раз смешанная задача решается рядом с неопределенны-

 

 

ми коэффициентами:

Подставляя этот ряд в начальное условие, будем иметь

 

и следовательно окончательный ответ будет иметь вид

194. Дан однородный шар радиуса b, центр которого расположен в начале координат. Внешняя поверхность шара поддерживается при нулевой температуре, а начальная температура Опреде-

лите температуру u (r,t) внутри шара при t >0.

Р е ш е н и е. Поставленная задача равносильна смешанной задаче

Следуя схеме метода Фурье, полагаем u (r,t) =R (r) T (t)и после подстанов-ки в уравнение получим

Из граничных условий будем иметь

 

Следовательно, нужно решать задачу Штурма Лиувилля

При решении уравнения найдем

и тогда пишем ряд с неопределенными коэффициентами

В силу начального условия будем иметь

и стало быть ответ в задаче имеет вид

195. Найдите распределение температуры в однородном шаре радиуса b, внутри которого при t ³0 действует источник тепла с постоянной плот- ностью q, а его поверхность поддерживается при нулевой температуре. Начальная температура во внутренних точках шара равна нулю.

Р е ш е н и е. Здесь нужно иметь дело со смешанной задачей:

 

Функция есть решение дифференциального урав- нения, удовлетворяющее граничным условиям, поэтому после замены

относительно новой функции v (r,t) придем к смешанной задаче

которая несущественно отличается от задачи 194. В итоге окончательно получим ответ:

196. Найдите решение смешанной задачи

Р е ш е н и е. Непосредственно проверяется, что функция w=t (x+ 1) удовлетворяет уравнению и граничным условиям

поэтому после замены u (x,t) =v (x,t) + t (x+ 1) относительно новой функции v (x,t) получим смешанную задачу

решение которой находится в виде ряда по собственным функциям зада- чи Штурма Лиувилля:

Подставляя ряд в уравнение, будем иметь

К полученным дифференциальным уравнениям для функций

нужно присоединить условие .Получим семейство задач Коши:

откуда находим Для четных k= 2 m все будут равными нулю, и, следовательно, придем к отве- ту:

где

197. Сфера радиуса b содержит растворенное вещество с начальной концентрацией u ₀. Концентрация на поверхности сферы поддерживается постоянной, равной u ₁ >u ₀. Найдите количество абсорбированного вещества в момент времени t >0.

198. Решите задачу об остывании однородного стержня длиной l с тепло- изолированной боковой поверхностью, если его начальная температура u (x, 0) =l-x, концевая точка x= 0 теплоизолирована, а x=l поддерживается при постоянной температуре.

199. Дан тонкий однородный стержень длиной l, начальная температура которого равна нулю. На конце x=l поддерживается нулевая темпера- тура, а на конце x= 0 температура растет линейно со временем, так что u (0 ,t) =At, где A – константа. Найдите распределение температуры u (x,t) при t >0.

Решите следующие смешанные задачи

201.

202.

203.

204.

205.

206.

224.

225.

 

§ 7. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

И РЕШЕНИЕ СМЕШАННЫХ ЗАДАЧ

ДЛЯ УРАВНЕНИЙ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО

И ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ТИПОВ

Дифференциальное уравнение 2-го порядка

(65)

принято называть уравнением Бесселя порядка v или уравнением цилин- дрических функций. Здесь есть произвольное действительное или ком-плексное число,

Если , то общее решение уравнения (65) есть линейная комбина- ция

(66)

где и называются соответственно цилиндрическими функ- цииями Бесселя первого и второго рода, для которых имеются представ- ления в виде рядов

Если v=n, n= 0,1,2,…, то функция J_n (x) и J_-n (x) линейно зависимы, что можно установить посредством соотношений (67),(68). В этих обстоят- ельствах для представления общего решения употребляются цилиндриче- ские функции Вебера-Неймана:

Функция N_n (x) линейно независима от J_n (x), для нее имеется представ-

ление в виде ряда

из которого видно, что функция Вебера-Неймана не ограничена в окрест- ности точки х= 0. Вместо соотношения (66) при v=n общее решение урав- нения (65) берется в виде

(70)

Цилиндрические функции Бесселя с соседними индексами и их произ- водные связаны между собой рекуррентными соотношениями

Отметим важный частный случай второй из формул (71) при v= 0

(72)

Третье из соотношений (72) может быть записано в интегральной форме

(73)

Наиболее часто употребляются цилиндрические функции с целыми

индексами J ₀(x), J ₁(x), …, J_n (x), …, а также положительные нули этих функций. Всякое уравнение J_n (x)=0 имеет счетное множество положи- тельных корней:

или, что то же самое, функция J_n (x)имеет счетное множество положи- тельных нулей. Приведём вычисленные с точностью до четырех десятич- ных знаков значения первых шести нулей функции J ₀(x):

Вспомним, что если коэффициент k (х) обращается в нуль при х =0, то появляется так называемый особый случай постановки задачи Штурма Лиувилля (сравните (61 62)):

(74)

Уравнение (65) может быть записано в эквивалентной форме:

(75)

и естественно, что оно соответствует особому случаю постановки крае-вых задач, когда k (x) =x, k (0)=0.

Простейшая краевая задача для уравнения Бесселя возникает при изу- чении собственных колебаний круглой мембраны:

Здесь k (r) =r и весовая функция p (r) =r. Чтобы ее решить, полагаем x=λr, где x новая независимая переменная. Тогда

и уравнение (76) приводится к уравнению Бесселя

Общее решение этого уравнения представим формулой (70), а после возвращения к переменной r получим общее решение уравнения (76) в виде

(78)

Из (77) и (79) ясно, что J_n (0)=0, N_n (0)=∞, поэтому выполнимость первого из граничных условий (77)

означает, что С ₂=0.Тогда полагаем С ₁=1, и со второго граничного усло- вия находим собственные значения

Соответственно из (78) найдем собственные функции

(79)

Найденные собственные функции образуют ортогональную систему с весом r на отрезке [0, l ], т.е. выполнено условие ортогональности

и можно рассматривать ряды Фурье по системе (79):

Квадрат нормы собственной функции вычисляется точно и имеет значение

(80)

Отметим также частный случай (см. (42))

(81)

Довольно часто встречается и вторая краевая задача для уравнения Бесселя

И на этот раз общее решение уравнения (82) может быть записано в ви-

де (78), снова получим С ₂=0 и С ₁=1, а собственные значения будут определяться из условия

где через обозначены положительные нули производной Собственные функции задачи (82 83) будут записаны в виде

они образуют ортогональную систему с весом r на [0, l ], а квадрат нормы

229. Решите задачу о свободных колебаниях однородной круглой мемб- раны радиуса l, закрепленной по краю, если начальная скорость равна ну- лю, а начальное отклонение

 

Р е ш е н и е. Здесь нужно решать смешанную задачу

по методу Фурье, полагая

После подстановки в дифференциальное уравнение и разделения переменных придем к равенству

Из условия найдем R (l)=0, а второе условие как в особом случае поэтому придем к задаче Штурма Лиувилля:

Вводя новую переменную будем иметь

и его общее решение (см.(35))

Возвращаясь к переменной r, получим общий вид радиальной функции:

 

Из условия найдем

тогда полагаем откуда

Для временной функции T (t) имеем дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами

и его решение есть линейная комбинация

Умножая ее на собственную функцию и суммируя по всем k, получим ряд

Из второго начального условия получим

Первое начальное условие приводит к равенству

откуда с учетом (81) найдем (см.также (73))

Подставляя найденные коэффициенты в ряд, придем к ответу

где положительные корни уравнения J ₀(x)=0.

230 Решите задачу о свободных колебаниях круглой мембраны радиуса l, закрепленной по краю и колеблющейся в среде, сопротивление которой пропорционально скорости, если

Р е ш е н и е. Здесь нужно решать смешанную задачу

методом Фурье, полагая u (r,t) =R (r) T (t). Тогда после разделения перемен-

ных в дифференциальном уравнении

С учетом граничных условий придем к задаче Штурма Лиувилля для

радиальной функции

и ее собственные значения и собственные функции, как и в предыдущей задаче, соответственно равны

Дифференциальное уравнение для временной функции при малом h

имеет решение

Составляем ряд

и подставляя его в начальное условие придем к равенству

Из второго граничного условия вытекает, что

В итоге придем к ответу

231. Уравнение малых продольных колебаний нити, подвешенной в кон- цевой точке x=l и колеблющейся под действием силы тяжести, имеет вид

Найдите u (x,t) при t >0если

Р е ш е н и е. Здесь возникает смешанная задача

Полагая u (x,t) =X (x) T (t) придем к соотношению

С учетом граничных условий, придем к задаче Штурма Лиувилля

ее собственные функции ортогональны с единичным весом на [0, l ]. Вве- дя новую переменную , найдем

соответственно преобразуется и задача Штурма Лиувилля

а ее собственные значения и собственные функции соответственно бу- дут

 

Дифференциальное уравнение для временной функции

имеет решение

поэтому составляем ряд

Подставляя его в первое начальное условие, найдем

причем для интеграла, стоящего в знаменателе, верно равенство

следовательно, окончательно имеем

Из второго начального условия вытекает, что B_k= 0, поэтому в ответе получим

232.Круглая однородная мембрана радиуса l закреплена по краю, нахо- дится в состоянии равновесия при натяжении Т ₀. Найдите отклонение мембраны u (r,t) от положения равновесия, если к ней прилагается равно- мерно распределенная нагрузка

Р е ш е н и е. Текстовая задача равносильна смешанной задаче

Найдем решение имеющегося дифференциального уравнения в виде

Относительно v (r) будем иметь обыкновенное дифференциальное урав- нение

частным решением которого будет, что нетрудно проверить, функция

и это частное решение удовлетворяет граничным условиям