Степенные ряды Знакопеременные ряды Ряд Фурье

Курсовой расчет по математике решение задач

Задача о колебании струны

Пусть в состоянии равновесия натянута струна длинной  l с концами x=0 и x=l. Предположим, что струна выведена из состояния равновесия и совершает свободные колебания. Будем рассматривать малые колебания струны, происходящие в вертикальной плоскости.

При сделанных выше допущениях можно показать, что функция u(x,t) , характеризующая положение струны в каждый момент времени t, удовлетворяет уравнению

  (1) , где а - положительное число.

Наша з а д а ч а - найти функцию u(x,t) , график которой дает форму струны в любой момент времени t, т. е. найти решение уравнения (1) при граничных:

  (2)

и начальных условиях:

  (3)

Сначала будем искать решения уравнения (1), удовлетворяющие граничным условиям(2). Нетрудно увидеть, что u(x,t)0 является решением уравнения (1), удовлетворяющие граничным условиям(2). Будем искать решения, не равные тождественно 0, представимые в виде произведения u(x,t)=X(x)T(t), (4) , где , .

Подстановка выражения (4) в уравнение (1) дает:

Из которого наша задача сводится к отысканию решений уравнений:

Используя это условие X(0)=0, X(l)=0, докажем, что  отрицательное число, разобрав все случаи.

a) Пусть Тогда X”=0 и его общее решение запишется так:

откуда  и ,что невозможно , так как мы рассматриваем решения, не обращающиеся тождественно в нуль.

б) Пусть . Тогда решив уравнение

получим , и, подчинив, найдем, что

в)  Если   то

Уравнения имеют корни :

получим:

где  -произвольные постоянные. Из начального условия найдем:

откуда  , т. е.

  (n=1,2,...)

 (n=1,2,...).

Учитывая это, можно записать:

  (n=1,2,...).

и, следовательно

, (n=1,2,...),

но так как A и B разные для различных значений n то имеем

, (n=1,2,...),

где  и  произвольные постоянные, которые попытаемся определить таким образом, чтобы ряд удовлетворял уравнению (1), граничным условиям (2) и начальным условиям (3).

Итак, подчиним функцию u(x,t) начальным условиям, т. е. подберем  и  так , чтобы выполнялись условия

Эти равенства являются соответственно разложениями функций  и  на отрезки [0, l] в ряд Фурье по синусам. ( Это значит что коэффициенты будут вычисляться как для нечетной функций). Таким образом, решение о колебании струны с заданным граничными и начальными условиями дается формулой

где

  (n=1,2,...)

Достаточные условия представимости функции в интеграл Фурье.

Разложение функций в тригонометрический ряд Фурье Найдем первые пять гармоник для найденного ряда Разложение четной функции в ряд

Комплексная форма ряда по косинусам

Представление функции интегралом Фурье Проверка условий представимости Представление функции полиномом Лежандра

Дискретное преобразование Фурье

Линейным дифференциальным уравнением называется уравнение вида: Пример Покажем, что если определитель равен нулю, то функции необязательно линейно зависимы.  

Фундаментальная система решений линейного однородного уравнения

Определение: Любые n линейно независимых решений линейного однородного дифференциального уравнения n-ного порядка называется фундаментальной системой решений этого уравнения.

Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами

Решение неоднородного линейного дифференциального уравнения n-го порядка

Пример. Найти , .

Решение.

Первый способ. Приведем пример применения формулы *.

Пусть требуется найти интеграл , .

Сделаем замену переменной , то есть . Чтобы применить формулу, нужно сделать замену переменной в подынтегральной функции  и положить .

В нашем интеграле  и . Тогда .

Делая замену , получим окончательно .


Разложение ФКП в ряд Лорана