Дифференциальные уравнения гиперболического типа (стр. 1 из 3)

Курсовая работа студента гр. МТ-31 Нургалиев А.

Инновационный евразийский университет

Павлодар 2007 год.

1. Введение.

Многие задачи математической физике приводят к дифференциальным уравнениям с частными производными. В настоящей курсовой работе рассмотрены одни из основных уравнений гиперболического типа: 4-го и наиболее часто встречающегося 2-го порядка.

Рассмотрено простейшее уравнение гиперболического типа – волновое уравнение. К исследованию этого уравнения приводят рассмотрение процессов поперечных колебаний струны, продольных колебаний стержня, электрических колебаний в проводе, крутильных колебаний вала, колебаний газа и т. д. Приведена формула Даламбера для решения краевых задач, а также её физическая интерпретация.

Большое число задач о колебаниях стержней, пластин и т.д. приводит к уравнениям более высокого порядка. В качестве примера на уравнения 4-го порядка рассмотрена задача о собственных колебаниях камертона.

2. Метод распространяющихся волн.

2.1. Вывод уравнения колебаний струны.

В математической физике под струной понимают гибкую, упругую нить. Напряжения, возникающие в струне в любой момент времени направлены по касательной к ее профилю. Пусть струна длины l в начальный момент направлена по отрезку оси 0x от 0 до l. Предположим, что концы струны закреплены в точках x=0 и x=l. Если струну отклонить от ее первоначального положения, а потом предоставить самой себе или, не отклоняя струны, придать в начальный момент ее точкам некоторую скорость, или отклонить струну и придать ее точкам некоторую скорость, то точки струны будут совершать движения – говорят, струна начнет колебаться. Задача заключается в определении формы струны в любой момент времени и определении закона движения каждой точки струны в зависимости от времени.

Будем рассматривать малые отклонения точек струны от начального положения. В силу этого можно предполагать, что движение точек струны происходит перпендикулярно оси 0x и в одной плоскости. При этом предположении процесс колебания струны описывается одной функцией u(x,t) которая дает величину перемещения точки струны с абсциссой x в момент t.

Так как мы рассматриваем малые отклонения точек струны в плоскости (x,u), то будем предполагать, что длина элемента струны M1M2 равняется ее проекции на ось 0x, т.е. M1M2=x2-x1. Также будем предполагать, что натяжение во всех точках струны одинаковое; обозначим его через T.

Рассмотрим элемент струны MM’.

На концах этого элемента, по касательным к струне, действуют силы T. Пусть касательные образуют осью 0x углы

. Тогда проекция на ось 0u сил, действующих на элемент MM’, будет равна

. Так как угол

мал, то можно положить

, и мы будем иметь:

(здесь мы применили теорему Лагранжа к выражению, стоящему в квадратных скобках).

Чтобы получить уравнение движения, нужно внешние силы, приложенные к элементу, приравнять силе инерции. Пусть масса элемента струны будет

. Ускорение элемента равно

. Следовательно, по принципу Даламбера будем иметь:

Сокращая на

и обозначая

, получаем уравнение движения

(1)

Это и есть волновое уравнение – уравнение колебания струны. Для полного определения движения струны одного уравнения (1) недостаточно. Искомая функция u(x,t) должна удовлетворять еще граничным условия, указывающим, что делается на концах струны (x=0 и x=l), и начальным условиям, описывающим состояние струны в начальный момент (t=0). Совокупность граничных и начальных условий называется краевыми условиями:

2.2. Формула Даламбера.

Изучение методов построения решений краевых задач для уравнений гиперболического типа начнем с задачи с начальными условиями для неограниченной струны:

(2)

(3)

Преобразуем это уравнение к каноническому виду, содержащему смешанную производную. Уравнение характеристик

распадается на два уравнения:

интегралами которых являются прямые

Вводя новые переменные

уравнение колебания струны преобразуем к виду:

. (4)

Найдем общий интеграл последнего уравнения. Очевидно, для всякого решения уравнения (4)

где

- некоторая функция только переменного

. Интегрируя это равенство по

при фиксированном

, получим

, (5)

где

являются функциями только переменных

.Обратно, каковы бы ни были дважды дифференцируемые функции

, функция

, определяемая формулой (5), представляет собой решение уравнения (4). Так как всякое решение уравнения (4)может быть представлено в виде (5) при соответствующем выборе

, то формула (5) является общим интегралом этого уравнения. Следовательно, функция

(6)

является общим интегралом уравнения (2).

Допустим, что решение рассматриваемой задачи существует; тогда оно дается формулой (6). Определим функции

таким образом, чтобы удовлетворялись начальные условия:

(7)

. (8)

Интегрируя второе равенство, получим:

где

и C – постоянные. Из равенства

находим:

(9)

Таким образом, мы определили функции

через заданные функции

, причем равенства (9) должны иметь место для любого значения аргумента. Подставляя в (6) найденные значения

, получим:

или

, (10)