分离变量法III:齐次边界,非齐次方程,非齐次项与时间相关

对于一般的齐次边界的非齐次方程,我们的一般处理方法是特征函数展开法。这种方法是分离变量法的一种特殊情形。这种方法类似于常微分方程里的常数变易法或者待定系数法。

对于一般的齐次边界的非齐次方程,我们的一般处理方法是特征函数展开法。这种方法是分离变量法的一种特殊情形。这种方法类似于常微分方程里的常数变易法或者待定系数法。

我们先用分离变量法求出对应齐次方程的特征函数,然后将未知函数、非齐次项及初始条件都用特征函数展开,其中未知函数的各系数待定,然后利用方程,求出未知函数里的系数,从而得到方程的解。

我们仍然以热传导方程为例来说明这种方法,对于波动方程可类似地讨论。

例:解下列初边值问题:

\[\begin{cases}u_t-u_{xx}=xt(2-t),\quad &0<x<\pi\\ u(0,t)=0,&u(\pi,t)=0 \\ u(x,0)=\sin(2x)\end{cases}\]

由分离变量法我们知道, 对应齐次方程的特征函数为 \(X_n=\sin(nx)\),所以未知函数,非齐次项和初始条件都可以用特征函数展开:

\[\begin{align*}&u(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}T_n(t)\sin (nx)\\ &x^2t=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(t)\sin(nx)\\ &x=\sum_{n=1}^{\infty}B_n\sin(nx)\end{align*}\]

由傅里叶级数的系数表达式,我们得到

\[\begin{align*}f_n(t)&=\frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}xt(2-t)\sin(nx)dx\\ &=\frac{2}{\pi}t(2-t) \int_{0}^{\pi}x\sin(nx)dx \\ &= \frac{2}{\pi}t(2-t) \left(-\frac{x}{n}\cos(nx)+\frac{1}{n^2}\sin(nx)\right)\Bigg|_{0}^{\pi}\\ &=\frac{2(-1)^{n+1}}{n}t(2-t)\end{align*}\]

\[B_n=\frac{2}{\pi}\int_0^{\pi}\sin(2x)\sin(nx)dx=\begin{cases}1,\quad &n=2\\ 0,& n\ne 2\end{cases}\]

这里我们可以直接应用三角函数的正交性。当然你也可以直接求积分来得到这些系数。又

\[u_t=\sum_{n=1}^{\infty}T'(t)\sin(nx),\quad u_{xx}=\sum_{n=1}^{\infty}-n^2T_(t)\sin(nx)\]

我们将这些表达式以及上面求得的系数代入方程里,我们得到

\[\sum_{n=1}^{\infty}(T’_n(t)-n^2T_n(t))\sin(nx)=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2(-1)^{n+1}}{n}t(2-t) \sin(nx)\]

比较两边的系数,我们行到一系列的方程

\[T’_n(t)-n^2T_n(t)= \frac{2(-1)^{n+1}}{n}t(2-t), \quad n=1,2,3,\cdots \]

这是一阶线性常微分方程,它们的解为

\[T_n(t)= e^{n^2t} \left(-\frac{1}{n^2}e^{-n^2t}t(2-t)-\frac{1}{n^4}e^{-n^2t}(2-2t)-\frac{2}{n^6}e^{-n^2t}+C_n\right)\]

所以方程的解具有形式

\[u=\sum_{n=1}^{\infty} \left(-\frac{1}{n^2}t(2-t)-\frac{1}{n^4}(2-2t)-\frac{2}{n^6}+C_n e^{n^2t} \right) \sin(nx)\]

代入初始条件,我们得到

\[u(x,0)= \sum_{n=1}^{\infty}\left(-\frac{2}{n^4}-\frac{2}{n^6}+C_n\right) \sin(nx)=\sin(2x) \]

从而\[c_n=\begin{cases}\frac{37}{32},\quad& n=2\\ \frac{2}{n^4}+\frac{2}{n^6},& n\ne 2\end{cases}\]

所以方程的解为

\[\begin{align*}u(x,t)&=(4e^t+t^2-4)\sin x+\left(\frac{37}{32}e^4t-\frac{1}{4}t(2-t)-\frac{1}{16}(2-2t)-\frac{1}{32}\right)\sin 2x\\ &+\sum_{n=3}^{\infty}\left( \frac{2}{n^4}e^{n^2t}+\frac{2}{n^6} e^{n^2t} -\frac{1}{n^2}t(2-t)-\frac{1}{n^4}(2-2t)-\frac{2}{n^6} \right)\sin(nx)\end{align*}.\]

我们上面的例子是以狄利可雷(Dirichlet)边界条件为例说明的,对于其它的边界条件,特征函数是不同的。我们把不同边界条件的特征函数列举在下面。

纽曼(Newmann)边界条件

\[u_x(0,t)=0, u_x(L,t)=0\Longrightarrow X_n(x)=\cos(\frac{n\pi x}{L})\]

混合边值问题I

\[u(0,t)=0, u_x(L,t)=0\Longrightarrow X_n(x)=\sin(\frac{(2k+1)\pi}{2L}x)\]

混合边值问题II

\[ u_x(0,t)=0, u(L,t)=0\Longrightarrow X_n(x)=\cos(\frac{(2k+1)\pi}{2L}x) \]