Problem 1.
用分离变量法求解:
解.
对于一般的问题:
使用分离变量法,我们令u(x,t)=X(x)T(t),
代入方程得:
因此X(x) 满足如下 Sturm-Liouville 问题:
我们可得特征值为μk=(lkπ)2,k=1,2,⋯,特征函数为Xk(x)=sinlkπx。
这些特征函数构成完全正交系{sinlkπx},满足正交性关系:
将特征值μk 代入与t相关的方程:
解得:
故:
进而我们可知:
其中Ak=Bˉk,Bk=Aˉk 为待定系数。
回到我们的问题:
接下来我们来确定系数Ak与Bk:
- 确定系数Ak:
由u∣t=0=sinl3πx我们可得:
我们在上式两边乘上sinlmπx 并在[0,l] 上积分:
而
故
- 确定系数Bk:
由∂t∂u∣t=0=x(l−x)我们可得:
我们在上式两边乘上sinlmπx 并在[0,l] 上积分:
即:
接下来我们来计算积分:
其中:
故
代入Bm 的表达式:
即:
最后我们将求解出来的系数代入通解可得:
即为我们最终所求的解.
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