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波动方程的行波解(二)| 半直线上的问题——延拓法 | 偏微分方程(十)

热度:93   发布时间:2023-12-21 14:13:44.0

半直线上的弦振动问题,有时可以先将初始条件延拓至整根直线,再用达朗贝尔公式求解。

例1:一段固定半无界弦的自由振动
{ ? 2 u ? t 2 = a 2 ? 2 u ? x 2 t > 0 , x > 0 u ( t , 0 ) = 0 u ( 0 , x ) = φ ( x ) , u t ( 0 , x ) = ψ ( x ) (1) \begin{cases} \frac{\partial^2u}{\partial t^2}=a^2\frac{\partial^2u}{\partial x^2} \quad t>0,x>0 \\ u(t,0)=0 \\ u(0,x)=\varphi(x), \quad u_t(0,x)=\psi(x) \end{cases} \tag{1} ???????t2?2u?=a2?x2?2u?t>0,x>0u(t,0)=0u(0,x)=φ(x),ut?(0,x)=ψ(x)?(1)
分析:这里的初始条件 φ ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\psi(x) φ(x),ψ(x)仅在 x > 0 x>0 x>0有定义,故不能直接应用达朗贝尔公式。但由达朗贝尔公式可知,如果定义在整个实轴上的 φ ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\psi(x) φ(x),ψ(x)奇函数,则
u ( t , 0 ) = 1 2 [ φ ( ? a t ) + φ ( a t ) ] + 1 2 a ∫ ? a t a t ψ ( ξ ) d ξ = 0 u(t,0)=\frac{1}{2}[\varphi(-at)+\varphi(at)]+\frac{1}{2a}\int_{-at}^{at}\psi(\xi)d\xi=0 u(t,0)=21?[φ(?at)+φ(at)]+2a1??atat?ψ(ξ)dξ=0
如果 φ ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\psi(x) φ(x),ψ(x)偶函数,则
? u ? x ( t , 0 ) = 1 2 [ φ ′ ( ? a t ) + φ ′ ( a t ) ] + 1 2 a [ ψ ( a t ) ? ψ ( ? a t ) ] = 0 \frac{\partial u}{\partial x}(t,0)=\frac{1}{2}[\varphi'(-at)+\varphi'(at)]+\frac{1}{2a}[\psi(at)-\psi(-at)]=0 ?x?u?(t,0)=21?[φ(?at)+φ(at)]+2a1?[ψ(at)?ψ(?at)]=0
因此,可用延拓法将(1)式中的 φ ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\psi(x) φ(x),ψ(x) x > 0 x>0 x>0奇延拓到 x < 0 x<0 x<0,再利用达朗贝尔公式,求出的解满足边界条件 u ( t , 0 ) = 0 u(t,0)=0 u(t,0)=0

:作辅助函数
Φ ( x ) = { φ ( x ) , x ≥ 0 , ? φ ( ? x ) , x < 0 \Phi(x)= \begin{cases} \varphi(x), & x\geq 0, \\ -\varphi(-x), & x<0 \end{cases} Φ(x)={ φ(x),?φ(?x),?x0,x<0?

Ψ ( x ) = { ψ ( x ) , x ≥ 0 ? ψ ( ? x ) , x < 0 \Psi(x)= \begin{cases} \psi(x), & x\geq 0 \\ -\psi(-x), & x<0 \end{cases} Ψ(x)={ ψ(x),?ψ(?x),?x0x<0?

由达朗贝尔公式得(1)式的解
u ( t , x ) = 1 2 [ Φ ( x + a t ) + Φ ( x ? a t ) ] + 1 2 a ∫ x ? a t x + a t Ψ ( ξ d ξ ) { 1 2 [ φ ( x + a t ) + φ ( x ? a t ) ] + 1 2 a ∫ x ? a t x + a t ψ ( ξ ) d ξ , t ≤ x a 1 2 [ φ ( x + a t ) + φ ( a t ? x ) ] + 1 2 a ∫ a t ? x x + a t ψ ( ξ ) d ξ , t > x a u(t,x)=\frac{1}{2}[\Phi(x+at)+\Phi(x-at)]+\frac{1}{2a}\int_{x-at}^{x+at}\Psi(\xi d\xi) \\ \begin{cases} \frac{1}{2}[\varphi(x+at)+\varphi(x-at)]+\frac{1}{2a}\int_{x-at}^{x+at}\psi(\xi)d\xi, & t\leq \frac{x}{a} \\ \frac{1}{2}[\varphi(x+at)+\varphi(at-x)]+\frac{1}{2a}\int_{at-x}^{x+at}\psi(\xi)d\xi, & t> \frac{x}{a} \end{cases} u(t,x)=21?[Φ(x+at)+Φ(x?at)]+2a1?x?atx+at?Ψ(ξdξ){ 21?[φ(x+at)+φ(x?at)]+2a1?x?atx+at?ψ(ξ)dξ,21?[φ(x+at)+φ(at?x)]+2a1?at?xx+at?ψ(ξ)dξ,?tax?t>ax??
为理解此解的物理意义,不妨设初速度 ψ ( ξ ) = 0 \psi(\xi)=0 ψ(ξ)=0。当 t ≤ π a t\leq \frac{\pi}{a} taπ?时,端点的影响尚未传到x点,x点的运动仍由初位移引起的左右行波 1 2 [ φ ( x + a t ) + φ ( x ? a t ) ] \frac{1}{2}[\varphi(x+at)+\varphi(x-at)] 21?[φ(x+at)+φ(x?at)]决定。当 t ≥ x a t\geq \frac{x}{a} tax?,端点的影响已传到x点,x点运动由左行波(入射波) 1 2 φ ( x + a t ) \frac{1}{2}\varphi(x+at) 21?φ(x+at)和右行波(反射波) ? 1 2 φ ( a t ? x ) -\frac{1}{2}\varphi(at-x) ?21?φ(at?x)决定。在端点 x = 0 x=0 x=0处,入射波与反射波分别为 1 2 φ ( a t ) \frac{1}{2}\varphi(at) 21?φ(at) ? 1 2 φ ( a t ) -\frac{1}{2}\varphi(at) ?21?φ(at),故 u ( t , 0 ) ≡ 0 u(t,0)\equiv 0 u(t,0)0

类似地,也可通过将 φ ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\psi(x) φ(x),ψ(x)作偶延拓求解端点自由的半无界弦的自由振动。

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