发表于《波动杂谈》
tmn_A作者
2年5个月前修改于 2年5个月前IP:广东
932127
5楼

从结果的形式就可以看出,上述方法求解,较为便利,但是就本次证明而言不够友好,因为该方法不能推广至高维。我们选择傅里叶变换求解。

这种办法在数学物理方法第十三章有,但是后面要推广至高维,所以就先打出来了。

还有,如果要推广到有边界条件的情况,最好还是用拉普拉斯变换,但我们主要讨论无边界情况,用傅里叶变换即可。

(1.11)的泛定方程对x傅里叶变换,记像函数为\(U(k,t)\)(这里的k数学上相当于一般傅里叶变换中的频率,因为这里考虑到初始条件,所以对x变换,而这个k的物理意义是波数,很快大家就能看到了)

用傅里叶变换的性质(\(F[f'(t)] =i\omega F[f(t)]\))(这个证明套定义就行了,数学物理方法第五章第二节上有),可以将偏微分方程变为常微分方程:

\(\frac{\partial^2 U}{\partial t^2}+\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}k^2U =0\)(1.13)

(1.12)的初始条件对x傅里叶变换,记像函数分别为\(\bar{\varphi}(k),\bar{\psi}(k)\)(头上打一个横杠确实是拉普拉斯变换的像函数的记法,但这里不会用到,不至于搞混,而且最清晰)

则:

\(U|_{t=0} =\bar{\varphi}(k),\frac{\partial U}{\partial t}|_{t =0} = \bar{\psi}(k)\)(1.14514)

(1.13)是一个二阶常系数线性常微分方程(虽然用了偏微分符号,但是只有对t的微分,k可以看成常量),我们可以很容易解出,对应特征方程:

\(r^2+\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}k^2 = 0\)(1.15)

特征根:

\(r_1 = ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}},r_2 = -ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}}\)(1.16)

那么(1.13)的解:

\(U(k,t) = A(k)e^{ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}}t}+B(k)e^{-ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}}t}\)(1.17)

其中A、B是k的待定函数。

书上做到这一步就结合初始条件往下做,推出达朗贝尔公式了,但是我觉得现在还不需要结合,这样更利于本次证明。

接下来,把像函数逆变换回去。

\(u(x,t) = \frac{1}{2\pi}\int^{\infty}_{-\infty}[A(k)e^{ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}}t}+B(k)e^{-ik\sqrt{\frac{\varepsilon_1}{\rho_1}}t}]e^{ikx}dk\)(1.18)

让我们暂且停一下,说下该表达式的意义。积分内的是波数为k的波动模式,括号内是时间项,括号外是空间项。




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