数学物理方程习题解答案

数学物理方程习题解习题一1，验证下面两个函数：都是方程的解。证明：（1）因为所以是方程的解。（2）因为所以是方程的解。2，证明：满足方程其中和都是任意的二次可微函数。证明：因为所以得证。3，已知解的形式为，其中是一个待定的常数，求方程的通解。解：令所以则将上式带入原方程得因为是一个具有二阶连续可导的任意函数，所以从而，故有都是原方程的解，为任意的二阶可微函数，根据迭加原理为通解。4，试导出均匀等截面的弹性杆作微小纵振动的运动方程（略去空气的阻力和杆的重量）。解：弹性杆的假设，垂直于杆的每一个截面上的每一点受力与位移的情形都是相同的，取杆的左端截面的形心为原点，杆轴为轴。在杆上任意截取位于的一段微元，杆的截面积为，由材料力学可知，微元两端处的相对伸长（应变）分别是与，又由胡克定律，微元两端面受杆的截去部分的拉力分别为合力为：与，因此微元受杆的截去部分的作用力的且合力的正向与坐标轴相同，设为微元质心的坐标，则质心处的加速度为由牛顿第二定律有：，约去，并对右端应用中值定理，得约去，并令，即得：由于弹性杆是均匀的，（常数），（常数）从而，其中（是杨氏模量，是体密度）。5，一均匀细杆直径为，假设它的同一横截面上温度是相同的，杆的表面和周围介质发生热交换，服从规律记杆的体密度为，比热为,热传导系数为.试导出此时温度满足的微分方程。解：取杆轴为，考察杆位于流入的热量为：段在时间区间上的热平衡，在时间内，段的侧面在点，处截面流入该段的热量为：所以温度升高所吸收的热量：由能量守恒定律得：由的任意性，有。6,设某溶质在溶液中扩散，它在时刻溶液中点处的浓度用函数表示，试导出所满足的微分方程。解：由Nernst定律得上式中表示扩散物质浓度，为在时间内经过面扩散物质的量，为扩散系数。在时段内通过边界曲面S流入区域的质量为从时刻到，中该物质质量的增加为：从而，由质量守恒定律有交换积分次序可得：由于，在区域都是任意的，可以得到7,一根均匀杆原长，一段固定，另一端拉长而静止，然后突然放手任其振动，试写出其定解问题。解：设点在处固定，在。处拉长而静止，然后突然放手任其振动，则方程为边界条件为：初始条件为：；。8，长为的均匀杆，侧面绝热，一端温度为0度，另一端有已知的恒定热流进入，设单位时间流入单位截面积的热量为，杆的初始温度分布是，试写出其定解问题。解：侧面绝热，方程为边界条件为初始条件为9，长度为的均匀细杆，初始温度为0℃发到周围介质中去，设周围介质的温度为0℃。试列出杆上的温度分布函数处保持常温，而在处和杆的侧面热量可以散所满足的定解问题。，端点解：类似第5题，可得方程。其中，边界条件为:初始条件为：10，设函数和分别是定解问题是定解问题和的解，试证明函数的解。证明：利用叠加原理Ⅰ得，其中。。因为，是定解问题一得解，是定解问题二的解。所以必满足又因为对定解问题一有对定解问题二有所以证。；同理可得与的边界条件与初始条件累加均满足定解问题三。得分别是定解问题11，设函数的解，试证明函数的解。和（Ⅰ）和（Ⅱ）是定解问题（Ⅲ）证明：利用叠加原理得，其中（Ⅰ）式=0，（Ⅱ）式的为。因为是定解问题一得解，是定解问题二的解。所以它们的线性组合的解。必满足方程，即是方程又因为对定解问题（Ⅰ）有。所以，；对定解问题（Ⅱ）有，，同理可得与的边界条件与初始条件累加均满足定解问题三。得证。习题二1，用分离变量法解齐次弦振动方程，，的下述混合问题：（1）（2）（3）解：（1）第一，求与所满足的常微分方程设满足方程和齐次边界条件的特解形式为，代入方程得即所以得到与所满足的两个常微分方程：第二，解特征值问题为了要特解形式满足边界条件，必须有因为不能恒为零，所以这样就得到决定的如下常微分方程边值问题：通解为满足边界条件：即（关于，的齐次线性方程组）因为系数行列式所以,即，无非零解。②，通解，带入边界条件得即，无非零解。③,通解，代入边界条件得所以特征函数为再将代入方程特征方程：得通解：综上：第三：迭加第四：确定系数，使上式满足初始条件。因为由正交性：在上积分从而同理所以(2)特征值为特征函数确定系数，。（3）2/l改为2/ka*pi所以2,用分离变量法求解下述热传导方程的混合问题：解：（1）①分离变量，令形式特解满足方程和齐次边界条件代入边界条件得：从而得决定的如下常微分方程边值问题②求解特征值问题因为当只有当时，该问题只有零解，无非零解时，方程有非零解：代入边界条件得：所以特征值为特征函数为再将特征值代入通解：得所以，③迭加，则④确定系数，使上式满足初始条件，则所以（2）特征值为，；特征函数为所以l改为l/2，级数钱负号-3,求解下述定解问题：解：其中满足满足用分离变量法解得（1）得4，求解定解问题解：