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偏微分方程
第三篇 分离变量法
分离变量法的求解方法
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2025-04-30 06:36
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分离变量法的求解方法
分离变量法亦称 Fourier 法,它是解混合问题的一个最普遍的基本方法,适用于波动方程,热传导方程,Laplace 方程以及某些形式更复杂的方程和方程组.所谓分离变量法,实际上是寻找方程的某些特解。正如我们所知,特解对于偏微分方程的研究尤为重要,有些特解的属性能代表偏微分方程本身的属性,如我们后面将要学习的行波等.分离变量法就是通过构造具有变量分离形式的特解,以期达到求解的目的.实际上,分离变量法的动机来源于物理学中的如下事实:机械振动或电磁振动(波动方程的解)总可以分解为具有各种频率和振幅的简谐振动的叠加,而每个简谐振动具有形式 $$ e^{i \omega(t+s x)}=e^{i \omega t} e^{i s \omega x} $$ 这正是物理上的驻波.这就表明波动方程的解可写成驻波的叠加,而每个驻波都是只含变量 $x$ 的函数和只含变量 $t$ 的函数的乘积,即具有变量分离的形式.在这一章我们将介绍分离变量法的求解方法,并分别以波动方程,热传导方程和 Laplace 方程为例,阐述分离变量法的解题过程。 ## §1 分离变量法的求解方法 正如前面提到的那样,分离变量法的关键是寻找具有变量分离形式的特解.偏微分方程的解作为一个多元函数,其变量既然已被分离,那么它的研究将简化为对单变量函数的研究,于是偏微分方程的边值问题将化为常微分方程的边值问题。 为了突显求解方法的基本要领,我们将仅以具有 Dirichlet 边值条件的弦振动方程的混合问题和具有 Neumann 边值条件的一维热传导方程的混合问题的求解为例,介绍分离变量法.
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