Метод Фур'є (метод поділу змінних) - студопедія

Розглянемо процедуру методу Фур'є на прикладі рішення змішаної задачі для рівняння теплопровідності в разі однієї просторової змінної.

Завдання 1. Знайти рішення однорідного рівняння

задовольнить початковому умові

і нульовим (однорідним) граничним умовам:

Суть методу полягає в тому щоб шукати нетривіальні рішення рівняння (1), що задовольняють граничним умовам (3), у вигляді

Підставляючи (4) в (1), отримаємо

Оскільки ліва частина рівняння є функцією тільки від. а права тільки від. то рівність можливо, якщо вони рівні постійної:

Звідси отримуємо два звичайних диференціальних рівнянь:

і функція задовольняє умовам. .

Таким чином, для визначення функції маємо задачу на власні значення: знайти ті значення параметра. при яких існують нетривіальні рішення задачі

Розглянемо три випадки, коли.

1. Нехай. Знайдемо рішення диференціального рівняння.

. - два речових кореня. Загальне рішення має вигляд

. Вимога граничних умов означає:

Визначник системи. отже, і при існують тільки тривіальні рішення.

2. Нехай. Знайдемо рішення диференціального рівняння.

. - один кратний корінь. Загальне рішення має вигляд

. Вимога граничних умов означає:

Звідки випливає, що і при існують тільки тривіальні рішення.

3. Нехай. Знайдемо рішення диференціального рівняння.

. - два комплексно-сполучених кореня. Загальне рішення має вигляд

. Вимога граничних умов означає:

Система має нетривіальне рішення тоді і тільки тоді, коду її визначник дорівнює нулю або. отже,. Таким чином, нетривіальні рішення задачі (7) можливі тільки якщо

Із системи (*), отримуємо і, отже,

будуть власними функціями задачі Штурма-Ліувілля (7).

Власні функції визначені з точністю до постійного множника.

Перейдемо до вирішення рівняння (5). При воно має вигляд

Вирішуємо це рівняння поділом змінних. звідки, або

де - довільні постійні. Таким чином, згідно з (4) тільки функції

Задовольняють рівняння (1) і граничним умовам (3).

Утворити формальний ряд (як суму рішень)

і будемо вимагати, щоб функція задовольняла початковій умові (2). отримаємо

Отриманий ряд представляє собою розкладання функції в ряд Фур'є по синусах в інтервалі. Коефіцієнти цього ряду визначаються за відомими формулами

Отже, функція, певна у вигляді ряду (8), коефіцієнти якого визначено формулами (9) є рішення поставленої задачі (1) - (3).

Знайти рішення неоднорідного рівняння теплопровідності

задовольнить початковому умові

і нульовим (однорідним) граничним умовам:

Припустимо, що функція неперервна, має безперервну похідну і для всіх виконується умова.

Рішення завдання (10) - (12) будемо шукати у вигляді

де - є рішення задачі

а функція - є рішення задачі

Завдання (15) - це задача 1 і її рішення відоме.

Розглянемо задачу (14). Будемо шукати її рішення у вигляді ряду

за власними функціями задачі відповідної Штурма-Ліувілля (7)

Підставами (16) в диференціальне рівняння задачі (14) \, для цього знайдемо похідні:

В результаті підстановки отримаємо

Розкладемо функцію в ряд Фур'є по синусах

До отриманих диференціальних рівнянь треба додати початкові умови задачі (14):

Вирішуємо звичайне диференціальне рівняння методом Бернуллі.

Підставляючи (17) в (16), отримаємо рішення задачі (14)

Функція буде вирішенням завдання 2.

Знайти рішення неоднорідного рівняння

задовольнить початковому умові

і неоднорідним граничним умовам:

Введемо нову невідому функцію. де

Функцію знаходимо, як рішення рівняння

з початковими умовами

і крайовими умовами

тоді рішення зведеться до задачі 2.

Для існування класичного рішення задачі 3, необхідно, щоб функції. . були безперервними і виконувалися умови узгодженості. .

Для функції. безперервної в замкнутій області справедливий принцип максимального значення.

Теорема. Якщо функція. задовольняє рівняння теплопровідності в точках області. то максимальне і мінімальне значення функції досягаються або в початковий момент часу. або в точках кордону на відрізку і.

З принципу максимуму слідують дві теореми

Теорема. (Єдиності) Рішення завдання 3 в прямокутнику єдино.

Теорема. Рішення завдання 3 безперервно залежить від початкових і граничних функцій.

- це завдання (14), в якій. . Рішення має вигляд:

Схожі статті