Giáo trình phân tích khả năng vận dụng cấu tạo phương thức sử dụng toán tử divergence p8 ppt

Chơng 8. Phơng Trình Truyền Nhiệt
Trang 140 Giáo Trình Toán Chuyên Đề
u(x, t) =

















+
+



0
ta4
)x(
ta4
)x(
dee

t
)(g
a2
1
2
2
2
2
+






t
0
a4
x
2/3
de
)t(h
x
2
2

+

+

+




t
0 0
a4
)x(
a4
)x(
dee
)t,(f

d
2
2
2
2
(8.3.3)

Định lý
Cho f C(H, 3) B(D, 3), g C(D, 3) B(D, 3), h C(3
+
, 3) B(3
+
, 3) thoả
mn f(0, t) = 0 và g(0) = 0
Bài toán SP1 có nghiệm duy nhất và ổn định xác định theo công thức (8.3.3)

Nhận xét Phơng pháp trên có thể sử dụng để giải các bài toán giả Cauchy khác.




Đ4. Bài toán hỗn hợp thuần nhất

Bài toán HP1a
Cho các miền D = [0, l], H = D ì [0, T] và hàm g C(D, 3)
Tìm hàm u C(H, 3) thoả mn phơng trình truyền nhiệt

t
u

= a
2
2
2
x
u


với (x, t) H
0
(8.4.1)
điều kiên ban đầu
u(x, 0) = g(x) (8.4.2)
và điều kiện biên
u(0, t) = 0, u(l, t) = 0 (8.4.3)

Tìm nghiệm của bài toán HP1a dạng tách biến
u(x, t) = X(x)T(t)
Thế vào phơng trình (8.4.1) và điều kiện biên (8.4.3) đa về hệ phơng trình vi phân
X(x) + X(x) = 0 (8.4.4)
T(t) + a
2
T(t) = 0 (8.4.5)
X(0) = X(l) = 0 với 3 (8.4.6)
Lập luận tơng tự nh bài toán HH1a, tìm nghiệm riêng không tầm thờng của hệ
phơng trình (8.4.4) và (8.4.6), nhận đợc họ nghiệm riêng trực giao trên đoạn [0, l]
X
k
(x) = A

k
sin x
l
k

với A
k
3 và
k
=
2
l
k







, k
*
Thay vào phơng trình (8.4.5) tìm đợc họ nghiệm riêng độc lập
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C

h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m

Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r

a
c
k
.
c
o
m
.
Chơng 8. Phơng Trình Truyền Nhiệt
Giáo Trình Toán Chuyên Đề Trang 141
T
k
(t) = B
k
t
l
ak
2
e








với B
k

3
, k



*

Suy ra họ nghiệm riêng độc lập của bài toán HP1
u
k
(x, t) = X
k
(x)T
k
(t) = a
k
t
l
ak
2
e

sin
x
l
k

với a
k
= A
k
B
k
, k
*


Tìm nghiệm tổng quát của bài toán HP1 dạng chuỗi hàm
u(x, t) =

+
=1k
k
)t,x(u
=

+
=

1k
t
l
ak
k
x
l
k
sinea
2
(8.4.7)
Thay vào điều kiện ban đầu (8.4.2)
u(x, 0) =

+
=

1k
k
x
l
k
sina
= g(x)

Nếu hàm g có thể khai triển thành chuỗi Fourier thì
a
k
=


l
0
xdx
l
k
sin)x(g
l
2
(8.4.8)

Định lý Cho hàm g C
1
(D, 3) thoả mn g(0) = g(l) = 0. Chuỗi hàm (8.4.7) với các hệ
số a
k
tính theo công thức (8.4.8) là nghiệm duy nhất và ổn định của bài toán HP1a.
Chứng minh
Hàm g theo giả thiết thoả mn điều kiện Diriclet và do đó khai triển đợc thành chuỗi
Fourier hội tụ đều trên đoạn [0, l].
Do đó chuỗi hàm (8.4.7) với các hệ số a
k
tính theo công thức (8.4.8) là hội tụ đều và có
thể đạo hàm từng từ theo x hai lần, theo t một lần trên miền H. Kiểm tra trực tiếp thấy
rằng chuỗi hàm (8.4.7) và các chuỗi đạo hàm riêng của nó thoả mn phơng trình (8.4.1)

và các điều kiện (8.4.2), (8.4.3)
Lập luận tơng tự nh bài toán CP1 suy ra tính ổn định và duy nhất nghiệm.

Ví dụ Giải bài toán
t
u


=
2
2
x
u


với (x, t) [0, 1] ì [0, T]
u(x, 0) = x(1 - x) và u(0, t) = u(1, t) = 0
Theo công thức (8.4.8) ta có
a
k
= 2


l
0
xdxksin)x1(x = 4
33
k
k
)1-(1

=





+=
+
=
12n k
1)(2n
8
2n k 0
33

Thế vào công thức (8.4.7) suy ra nghiệm của bài toán
u(x, t) =

+
=
+
+
+
0n
t)1n2(
33
x)1n2sin(e
)1n2(

18
22


Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c

u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r

w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
.
Chơng 8. Phơng Trình Truyền Nhiệt
Trang 142 Giáo Trình Toán Chuyên Đề
Đ5. Bài toán hỗn hợp không thuần nhất

Bài toán HP1b
Cho các miền D = [0, l], H = D ì [0, T], các hàm f C(H, 3) và g C(D, 3)
Tìm hàm u C(H, 3) thoả mn phơng trình truyền nhiệt

t
u

= a
2
2
2
x
u


+ f(x, t) với (x, t) H
0
điều kiện ban đầu
u(x, 0) = 0
và các điều kiện biên
u(0, t) = 0, u(l, t) = 0

Tìm nghiệm bài toán HP1b dạng chuỗi hàm
u(x, t) =

+
=

1k
k
x
l
k
sin)t(T
(8.5.1)
Khai triển Fourier hàm f(x, t) đoạn [0, l], thế vào bài toán HP1b

+
=
















+

1k
k
2
k
x
l
k
sin)t(T
l

ak
)t(T =

+
=

1k
k
x
l
k
sin)t(f

với f
k
(t) =


l
0
dx
l
xk
sin)t,x(f
l
2
và

+
=

1k
k
x
l
k
sin)0(T
= 0
Đa về họ phơng trình vi phân hệ số hằng
)t(T
k

+
2
l
ak







T
k
(t) = f
k
(t), T
k
(0) = 0 (8.5.2)

Giải họ phơng trình vi phân tuyến tính hệ số hằng (8.5.2) tìm các hàm T
k
(t) thế vào
công thức (8.5.1) suy ra nghiệm của bài toán.

Định lý Cho hàm f C(H, 3) C
1
(D, 3). Chuỗi hàm (8.5.1) với các hàm T
k
(t) xác định
bởi hệ phơng trình (8.5.2) là nghiệm duy nhất và ổn định của bài toán HP1b.

Bài toán HP1
Cho các miền D = [0, l], H = D ì [0, T], các hàm f C(H, 3), g C(D, 3) và các hàm
p, q C([0, T], 3). Tìm hàm u C(H, 3) thoả mn phơng trình truyền nhiệt
t
u


= a
2
2
2
x
u


+ f(x, t) với (x, t) H
0
điều kiện ban đầu

u(x, 0) = g(x)
và các điều kiện biên
u(0, t) = p(t), u(l, t) = q(t)
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u

-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w

w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
.
Chơng 8. Phơng Trình Truyền Nhiệt
Giáo Trình Toán Chuyên Đề Trang 143
Tìm nghiệm bài toán HP1 dới dạng
u(x, t) = v(x, t) + w(x, t) + p(t) +
l
x
(q(t) - p(t)) (8.5.3)
Trong đó hàm v(x, t) là nghiệm của bài toán HP1a

t
v

= a
2
2
2
x
v



v(x, 0) = g(x) - p(0) -
l
x
(q(0) - p(0)) = g
1
(x)
v(0, t) = v(l, t) = 0 (8.5.4)
với điều kiện biên
g
1
(0) = g
1
(l) = 0 g(0) = p(0), g(l) = q(0)

Hàm w(x, t) là nghiệm của bài toán HP1b

t
w

= a
2
2
2
x
w


+ f(x, t) - p(t) -
l
x
(q(t) - p(t)) = a
2
2
2
x
w


+ f
1
(x, t)
w(x, 0) = 0
w(0, t) = w(l, t) = 0 (8.5.5)

Giải các bài toán (8.5.4) và (8.5.5) tìm hàm v(x, t) và hàm w(x, t) thế vào công thức
(8.5.3) suy ra nghiệm của bài toán.

Định lý
Cho các hàm f C(H, 3) C

1
(D, 3), g C
2
(D, 3) và p, q C
1
([0, T], 3) thoả
mn g(0) = p(0), g(l) = q(0)
Hàm u(x, t) xác định theo công thức (8.5.3) với hàm v(x, t) và hàm w(x, t) là nghiệm của
các bài toán (8.5.4) và (8.5.5) là nghiệm duy nhất và ổn định của bài toán HP1.

Ví dụ Giải bài toán
t
u


= 4
2
2
x
u


với (x, t) [0, 1] ì [0, T]
u(x, 0) = x và u(0, t) = 0, u(1, t) = e
-t

Tìm nghiệm của bài toán dới dạng u(x, t) = v(x, t) + w(x, t) + xe
-t
với hàm v(x, t) là
nghiệm của bài toán HP1a với g

1
(x) = 0 còn hàm w(x, t) là nghiệm của bài toán HP1b
với f
1
(x, t) = xe
-t
.
Bài toán HP1a có nghiệm v(x, t) = 0
Giải bài toán HP1b
f
k
(t) = 2



1
0
t
xdxksinxe =
t
1k
e
k
-1)(2

+

với k
*
Giải họ phơng trình vi phân hệ số hằng

)t(T
k

+ (2k)
2
T
k
(t) =
t
1k
e
k
-1)(2

+

, T
k
(0) = 0
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g

e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F

-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.

c
o
m
.
Chơng 8. Phơng Trình Truyền Nhiệt
Trang 144 Giáo Trình Toán Chuyên Đề
Tìm đợc các hàm
T
k
(t) =
(
)
tt)k2(
22
k
ee
)1k4(k
-1)(2
2



với k
*

Suy ra nghiệm của bài toán
u(x, t) = xe
-t
+
(

)

+
=



1k
tt)k2(
22
k
xksinee
)1k4(k
-1)(2

2


Nhận xét Bằng cách kéo dài liên tục, các công thức trên vẫn sử dụng đợc trong trờng
hợp các hàm f và g có đạo hàm liên tục từng khúc.




Đ6. Bài toán Dirichlet trong hình tròn

Xét toán tử vi phân Laplace trong mặt phẳng
u(x, y) =
2
2

2
2
y
u
x
u


+



Đổi biến toạ độ cực x = rcos, y = rsin
Theo công thức đạo hàm hàm hợp
x
u


=
x
u
x
r
r
u




+

=






u
sin
r
1
r
u
cos
y
u


=
y
u
y
r
r
u

+




=


+



u
cos
r
1
r
u
sin
2
2
x
u


=
2

2
2
2
2
2
2
2
2
2
u
sin
r
1
r
u
sin
r
1u
sincos
r
2
r
u
sincos
r
2
r
u
cos

+


+


+







2
2
y
u


=
2
2
2
2
2
2
2
2

2
2
u
cos
r
1
r
u
cos
r
1u
sincos
r
2
r
u
sincos
r
2
r
u
sin


+


+

+




Suy ra biểu thức toạ độ cực của toán tử Laplace
u(r, ) =
2
2
22
2
u
r
1
r
u
r
1
r
u


+


+

=
2
2
2
u
r
1
r
u
r
rr
1


+












Bài toán DE1a
Cho miền D = [0, R] ì [0, 2] và hàm g C([0, 2], 3).

Tìm hàm u C(D, 3) thoả mn phơng trình Laplace
u(r, ) = 0 với (r, ) D
0
(8.6.1)
và điều kiện biên
u(R, ) = g() (8.6.2)
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d

o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w

e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
.