數理方程 二階線性偏微分方程的分類和標準式

2022-08-19 12:03:12 字數 1506 閱讀 9577

更新:9 apr 2016

對於任意的二元二階齊次線性偏微分方程,

\(a_\dfrac+2a_\dfrac+a_\dfrac+b_1\dfrac+b_2\dfrac+cu=0\)

求特徵方程、確定分類、化為標準型的方法為:

1.截:只關心其中的二階部分

\(a_\dfrac+2a_\dfrac+a_\dfrac=0\)

2.換:將偏導數換成dx、dy

\(\dfrac \rightarrow (dy)^2\)

\(\dfrac \rightarrow (dx)^2\)

\(\dfrac \rightarrow \color}(dxdy)\) 注意負號!

\(a_(dy)^2\color}2}a_(dxdy)+a_(dx)^2=0\)

此即特徵方程

3.分:特徵方程中的係數\(a_\)可能是關於x、y的函式,即便如此仍視其為普通係數。這是乙個二次方程,可以寫出其\(\delta\)

\(\delta=a_^2-a_a_\)

在方程的定義域內討論其符號,

\(\delta<}0\) 橢圓形(elliptic)方程,如laplace方程;

\(\delta=0\) 拋物型(parabolic)方程,如一維熱方程;

\(\delta>}0\) 雙曲型(hyperbolic)方程,如一維波動方程。

此即方程的分類。此外有混合型。

4.反:解出dy與dx的關係式,注意用分解因式法可能比較簡單。得到兩個常微分方程(或乙個)。

得到兩個方程時,解出兩個y與x的關係,注意這兩個等式中分別有乙個積分常數。將積分常數作為新的座標(記作\(\xi, \eta\)),反寫兩等式,即用x、y表示這兩個座標。這時就進行了變數代換。

對於拋物型方程,得到乙個常微分方程,解之,得到乙個座標;另乙個座標可以任意假設,如設作y。注意做偏微分時不能直接替換,需要用鏈式法則計算。

5.導:計算u關於x、y的一階、二階偏導數與混合偏導數,用\(\xi, \eta\)表示。

6.代:將上面的偏導數代入原方程,得到簡化的以\(\xi, \eta\)為自變數的方程。此即方程的標準型

7.解:按照標準解法解之,得到關於\(\xi, \eta\)的通解。代換回x,y利用邊界條件解之。

之所以寫特徵方程,是因為在這裡希望將原方程

\(a_\dfrac+2a_\dfrac+a_\dfrac+b_1\dfrac+b_2\dfrac+cu=0\)

化為\(a_\dfrac+2a_\dfrac+a_\dfrac+b_1\dfrac+b_2\dfrac+cu=0\)

其中變數代換

\(\xi=\varphi(x,y)\)

\(\eta=\psi(x,y)\)

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