求一維波動方程式 one-dimentional wave equation 之解,即∂2∂t2u=c2∂2∂x2u,滿足邊界條件{u(0,t)=0u(L,t)=0,∀t及初始條件{u(x,0)=f(x)∂u∂t|t=0=g(x)
解答:令u(x,t)=F(x)G(t),則{utt=FG″uxx=F″G,代回原式可得FG″=c2F″G⇒G″c2G=F″F由於G″c2G只含變數t,而F″F只含變數x,兩者等值代表同為一常數k,即G″c2G=F″F=k則邊界條件:{u(0,t)=F(0)G(t)=0u(L,t)=F(L)G(t)=0,若G(t)=0,則u(x,t)=0為明顯解,不列入討論因此邊界條件轉變成F(0)=F(L)=0;F″−kF=0⇒F=c1e√kx+c2e−√kx,代入初始值⇒{F(0)=c1+c2=0⋯(1)F(L)=c1e√kL+c2e−√kL=0⋯(2)由(1)得c2=−c1代入(2)⇒c1(e√kL−e−√kL)=0⇒c1=0或e√kL=e−√kL若c1=0⇒c2=0⇒F=0為明顯解,不列入討論;因此只需考慮e√kL=e−√kL而e√kL≠e−√kL,∀k>0;若k=0⇒F=0為明顯解,不列入討論因此只有k<0,此時F(x)=c1(ei√|k|x−e−i√|k|x)=2ic1sin(√|k|x)⇒F(L)=2ic1sin(√|k|L)=0⇒√|k|L=nπ,n∈N⇒√|k|=nπ/L⇒F(x)=2ic1sin(nπx/L)=Asin(nπLx),A為常數k=−n2π2L2⇒G″+n2π2L2c2G=0⇒G(t)=c3cos(nπLct)+c4sin(nπLct)因此u(x,t)=Asin(nπLx)(c3cos(nπLct)+c4sin(nπLct))=∞∑n=1sin(nπLx)(Ancos(nπLct)+Bnsin(nπLct))
初始條件1:u(x,0)=f(x)⇒f(x)=∞∑n=1Ansin(nπLx)⇒∫L0f(x)sin(kπLx)dx=∞∑n=1∫L0Ansin(kπLx)sin(nπLx)dx=∫L0Aksin2(kπLx)dx=L2Ak⇒Ak=2L∫L0f(x)sin(kπLx)dx⇒An=2L∫L0f(x)sin(nπLx)dx初始條件2:∂u∂t|t=0=g(x)⇒g(x)=∞∑n=1(−cnπLAnsin(cnπLt)+cnπLBncos(cnπLt))sin(nπLx)|t=0=∞∑n=1cnπLBnsin(nπLx)⇒sin(kπLx)g(t)=∞∑n=1cnπLBnsin(kπLx)sin(nπLx)⇒∫L0sin(kπLx)g(x)dx=∞∑n=1∫L0cnπLBnsin(kπLx)sin(nπLx)dx=ckπLBk∫L0sin2(kπLx)dx=ckπLBk⋅L2=ckπ2Bk⇒Bk=2ckπ∫L0sin(kπLx)g(x)dx⇒Bn=2cnπ∫L0sin(nπLx)g(x)dx⇒u(x,t)=∞∑n=1(Ancos(cnπLt)+Bnsin(cnπLt))sin(nπLx),其中An=2L∫L0f(x)sin(nπLx)dx,Bn=2cnπ∫L0sin(nπLx)g(x)dx
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