Преобразование Лапласа. Свойства и применения. Глушко А.В - 34 стр.

UptoLike

Составители: 

Рубрика: 

u@x_, t_D =
1

ω
HSec@ωDSin@t ωDSin@x ωDL+ g1@θD
1

2 ω Hπ
2
4 ω
2
L
J
− π t
J
1

2
πH3txL
JHπ+2 ωLHypergeometric2F1A1,
1

2
ω

π
,
3

2
ω

π
, −
πHtxL
E
Hπ−2 ωL Hypergeometric2F1A1,
1

2
+
ω

π
,
3

2
+
ω

π
, −
πHtxL
EN+
1

π
2
4 ω
2
J
1

2
πH3t+xL
JHπ+2 ωLHypergeometric2F1A
1,
1

2
ω

π
,
3

2
ω

π
, −
πHt+xL
E+ Hπ−2 ωL
Hypergeometric2F1A1,
1

2
+
ω

π
,
3

2
+
ω

π
, −
πHt+xL
ENNNN+
1

ω
HSec@ωDSin@t ωDSin@x ωDL
Вслучае, когда при некотором целом k
w
2
=
Hk
-
1 ê2L
2
p
2
формула H9.5L несколько усложняется, однако доказательство
принципиально не изменяется.
10. Второй пример решения задачи для уравнения с частными
производными с помощью преобразования Лапласа
Задача. Найти решение уравнения распространения тепла в
полубесконечном стержне, на конце которого x=0 поддерживается
температура q[t], а в начальный момент t=0 температура стержня
была равна нулю.
t
u@x, tD a
2
x,x
u@x, tD 0,
0 < x <∞, t > 0,
H10.1L
при
у
словиях
u
x=0
= q@tD;
u
t=0
= 0. H10.2L
Решение. Будем предполагать, что как заданная функция q[t], так и
искомая функция u[x, t] и её производная по t растут при t
ض
не быстрее
C
a
t
. Это позволяет применить к (10.1) и (10.2) преобразование Лапласа
L. После этого задача (10.1)-(10.2) переходит в эквивалентную задачу
x
,
x
U
@
x
,
p
D
p

a
2
U
@
x
,
p
D 0;
U
@0,
p
D
Q
@
p
D, (10.3)
34
                                                   34




                          HSec@ωD Sin@t ωD Sin@x ωDL + g1@θD
                     1
u@x_, t_D =
                     ω

      Hπ2− 4 ω2 L
        1
2ω
  J          J           π H3 t−xL
                                     J−Hπ + 2 ωL Hypergeometric2F1A1,
      − πt       1                                                                     1  ω
                 2                                                                       − ,
                                                                                       2  π
                                        π Ht−xL
                                                  E−
                     3  ω
                       − ,−
                     2  π
Hπ − 2 ωL Hypergeometric2F1A1,                                                   π Ht−xL
                                                                                           EN +
                                                       1  ω  3  ω
                                                         + ,   + ,−
                                                       2  π  2  π
          J              π H3 t+xL
                                     JHπ + 2 ωL Hypergeometric2F1A
    1            1
                 2
π2 − 4 ω2
                                                             π Ht+xL
                                                                       E + Hπ − 2 ωL
                              1  ω  3  ω
                         1,     − ,   − ,−
                              2  π  2  π
                                                                                       π Ht+xL
                                                                                                  ENNNN +
                                                             1  ω  3  ω
                     Hypergeometric2F1A1,                      + ,   + ,−
                                                             2  π  2  π
    HSec@ωD Sin@t ωD Sin@x ωDL
  1
  ω

   В случае, когда при некотором целом k w 2 = Hk - 1 ê 2L2 p 2
формула H9.5L несколько усложняется, однако доказательство
принципиально не изменяется.

      10. Второй пример решения задачи для уравнения с частными
           производными с помощью преобразования Лапласа

    Задача. Найти решение уравнения распространения тепла в
полубесконечном стержне, на конце которого x=0 поддерживается
температура q[t], а в начальный момент t=0 температура стержня
была равна нулю.

   ∂t u@x, tD − a2 ∂x,x u@x, tD                              0,
0 < x < ∞, t > 0,     H10.1L

при условиях

                                                         H10.2L
                     ux=0 = q@tD;
ut=0 = 0.

    Решение. Будем предполагать, что как заданная функция q[t], так и
искомая функция u[x, t] и её производная по t растут при tض не быстрее
C ‰ a t . Это позволяет применить к (10.1) и (10.2) преобразование Лапласа
L. После этого задача (10.1)-(10.2) переходит в эквивалентную задачу
                               p
  ∂x,x U@x, pD −               a2    U@x, pD            0;    U@0, pD          Q@pD,              (10.3)