10598

Методы решения краевых задач. Метод разделения переменных (Метод Фурье)

Домашняя работа

Математика и математический анализ

Методы решения краевых задач. Метод разделения переменных Метод Фурье. Метод разделения переменных относится к классическим методам решения линейного дифференциального уравнения теплопроводности. При его применении вначале находится совокупность частных решений...

Русский

2013-03-29

119.66 KB

150 чел.

Методы решения краевых задач. Метод разделения переменных (Метод Фурье).

Метод разделения переменных относится к классическим методам решения линейного дифференциального уравнения теплопроводности. При его применении вначале находится совокупность частных решений линейного однородного дифференциального уравнения теплопроводности, удовлетворяющих однородным граничным условиям, затем в силу принципа суперпозиций составляется ряд из этих решений.

где коэффициенты определяются из начальных условий.

  Метод применим для конечных областей.

  Рассмотрим метод Фурье применительно к следующей задаче

                                        (23)

( ).

В случае декартовых координат   ;

;

- конечная пространственная область.

  Предположим, что ГУ приведены к однородным. Тогда, частное решение уравнения (23) ищем в виде произведения двух функций

,                                     (24)

одна из которых зависит только от времени, а другая - только от пространственных координат; А- произвольная постоянная.

  Если (24) подставить в (23), то получим два дифференциальных уравнения относительно  

;                                       (25)

относительно

;                                        (26)

где - постоянная разделения.

  Решение (25) элементарно

  Решение (26) получено лишь для некоторых частных случаев.

  Задача нахождения тех значений постоянной , для которых существуют нетривиальные решения уравнения (26) (называется собственными функциями), удовлетворяющие граничным условиям, называется задачей Штурма-Лиувилля.

  При постоянном коэффициенте  задача Штурма-Лиувилля решена для тел, образованных пересечением координатных поверхностей в различных системах координат. Например, для одномерной задачи решение уравнения (26) имеет вид

в прямоугольных координатах

;                                             (27)

в сферических координатах

;                                 (28)

в цилиндрических координатах

,                                           (29)

где С, D – произвольные постоянные; а числа определяются из граничных условий задачи; - функция Бесселя первого ряда нулевого порядка; - функция Бесселя второго рода нулевого порядка.

  Определив выражения для функций и , решение уравнения (23) с соответствующими ГУ представится в виде

,

где - собственные функции, отвечающие собственным числам .

  Определим коэффициенты из начального условия [при  ]

,

где - рассматриваемая конечная область; N – норма собственной функции , равная

.

При этом используется ортогональность собственных функций , является свойством собственных функций задачи Штурма-Лиувилля.

  Окончательно решение краевой задачи имеет вид

.            (30)

При условии, что ряд (30) допускает почленное дифференцирование дважды по пространственным координатам и один раз по времени.

Нагрев неограниченной пластины.

  Дана неограниченная пластина, толщина которой равна 2R. В начальный момент времени пластина помещается в среду с постоянной температурой . Между ограничивающими поверхностями пластины и окружающей средой происходит теплообмен по закону Ньютона. Найти распределение температуры по толщине пластины в любой момент времени.

  Дифференциальное уравнение теплопроводности и его краевые условия имеют вид

, ,  -R<x<R,                                                  (31)

T(x,0)=f(x);                                                             (32)

;                                               (33)

.                                              (34)

  Решение проведем методом разделения переменных. Предположим, что функция четная, то есть , поэтому . Тогда вместо граничного условия (34) можно записать

.                                                          (35)

  Введем новую функцию , позволяющую свести задачу на нагревание к задаче на охлаждение. Очевидно, что исходное дифференциальное уравнение относительно функции не изменится, а граничное условие (33) приведется к однородному виду. Частное решение задачи будем искать в виде

.

После подстановки в уравнение (31) получим

.

Интегрирование уравнения дает .

Дифференциальное уравнение для определения имеет вид

.

Известно общее решение этого уравнения

.

Тогда частное решение уравнения (31) примет следующий вид

.

Из условия симметрии процесса теплопроводности (35) следует

.

Это означает, что , тогда

.

Значение постоянной разделения определим, удовлетворяя ГУ (32). Имеем

;

,                                     (36)

где - относительный коэффициент теплоотдачи.

  Преобразовав уравнение (36), получим

,                                                   (37)

где .

Обозначив через , характеристическое уравнение (37) можно написать в виде

.

Корни этого уравнения приведены в Т 2.1 [1].

Следовательно, общее решение краевой задачи (31)-(35) имеет вид

.

  Для определения постоянных воспользуемся начальным условием (32) и ортогональностью функций в промежутке [-R; R]

.

Умножим обе части этого равенства на и проинтегрируем в промежутке     [-R; R], тогда получим соотношение для коэффициентов

.                  (38)

Общее решение задачи с учетом соотношения (38)

.                      (39)

Для случая, когда является нечетной функцией, частное и общее решения задачи соответственно имеют следующий вид

;

,

где - корни трансцендентного уравнения .

  Первые шесть корней этого уравнения приведены в Т 2.2[1] для различных значений Bi.

  При равномерном начальном распределении температуры, то есть f(x)=, распределение температуры (39) в безразмерной форме

.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54234. Береги здоровье смолоду 37 KB
  Решение задач Задача 1. Какой процент человечества доживает до 80 лет и более Задача 2. Сколько должен жить человек по законам животного мираесли считатьчто он становится взрослым к 16 годам Задача 3. Задача 4.
54235. Додавання і віднімання дробових чисел. Підготовка до контрольної роботи 115 KB
  Мета. Узагальнити та систематизувати знання та уміння учнів із теми «Додавання і віднімання дробових чисел». Розвивати пам’ять, самостійність, мислення, увагу. Виховувати інтерес до предмету, культуру мови та письма. Формувати соціальну, здоров’єзберігаючу, комунікативну компетентності.
54236. Рівняння. Основні властивості рівняння 80 KB
  Мета: Повторити вивчений матеріал про рівняння його корені та способи розвязування; Вивести основні властивості рівняння на основі вивченого матеріалу; Закріпити набуті знання розвязуванням різнотипних рівнянь; Очікувані результати: Вивчити основні властивості рівняння; За допомогою основних властивостей рівняння навчитися їх розвязувати.
54237. Разработка стратегии лидерства по издержкам для усиления конкурентного преимущества компании ЗАО «ПО «Спеццистерны» при ограниченной конкуренции рынка перевозок в России 5.3 MB
  Основным видом деятельности ОАО «СИБУР Холдинг» является осуществление операционной деятельностью в качестве управляющей компании нефтехимического комплекса и поставке сырья на производственные предприятия на условиях процессинга. ОАО «СИБУР Холдинг» является собственником сырья и готовой продукции...
54238. Випадкові, неймовірні і достовірні події 103 KB
  Чи сподівались ви що сьогодняшній урок почнеться саме так Відповіді дітей Подія яка відбулась зараз була для вас неочікуваною Відповіді дітей У житті з нами відбуваються різін події: приємні і неприємні очікувані і неочікувані випадкові. Розглянемо приклад: Чи буде завтра іти сніг Відповіді дітей Тобто подія може відбутися а може і ні Випадкова подія це подія що при одних і тих же умовах може відбутися а може й не відбутися. Ще один...
54239. Раціональні числа 901 KB
  З двох відємних чисел більше те яке ближче до нуля або те яке стоїть правіше 4. Сумою двох відємних чисел є число відємне 5. Добуток двох обернених чисел дорівнює одиниці 6. Добуток двох чисел з різними знаками є число відємне 8.
54240. Повторення. Розвязування завдань на додавання і віднімання раціональних чисел 493.5 KB
  Налаштування дітей на роботу Мотивація навчальної діяльності 1 хвилина Учитель. Учні виставляють оцінки один одному у зошит олівцем зазначаючи вартість кожного завдання Учитель Наскільки ж добре ви підготовані до подорожі Давайте з вами зорієнтуємось у цьому разом. Відповідно до того у який колір буде пофарбовано клас учитель робить певні висновки і переходить до актуалізації опорних знань та навичок. Актуалізація опорних знань та навичок учнів 8 хвилин Учитель Скажіть мені будь ласка які ключові поняття математики...
54241. Координатна пряма. Протилежні числа. Модуль числа. Цілі числа 63.5 KB
  Протилежні числа. Модуль числа. Цілі числа Державна спеціалізована художня школаінтернат ІІІІ ступенів Колегіум мистецтв в Опішні Урок математики в 6 класі Тема уроку: Координатна пряма. Протилежні числа.
54242. Системы линейных уравнений с двумя переменными 286 KB
  Цель урока. Повторить, обобщить и систематизировать материал по теме «Системы линейных уравнений с двумя переменными». Развивать умение применять полученные знания на практике. Воспитать настойчивость, прилежания в работе и культуру устной и письменной математической речи.