1、1 1第2章 行 波 法2.1 一维波动方程的达朗贝尔公式一维波动方程的达朗贝尔公式2.2 半无限长弦的自由振动半无限长弦的自由振动2.3 三维波动方程的泊松公式三维波动方程的泊松公式2.4 强迫振动强迫振动2.5 三维无界空间的一般波动问题三维无界空间的一般波动问题2.6 本章小结本章小结习题习题22 2第1章学习了建立数学物理方程和定解条件的基本方法，即确定定解问题，那么从本章开始，我们将重点学习各种求解数学物理方程的方法，主要包括行波法、分离变量法、积分变换法和格林函数法等。我们知道，求解常微分方程时，一般是先求方程的通解，再用初始条件来确定通解中的任意常数，从而得到特解。那么这种思想能
2、否用于求解偏微分方程的定解问题呢？也就是说，先求出偏微分方程的通解，再用定解条件确定通解中的任意常数或函数。3 3通过研究可以发现，由于偏微分方程定解问题本身的特殊性，很难定义通解的概念，即使对某些方程可以定义并求出通解，但要通过定解条件来确定通解中的任意函数也是相当困难的。因此，一般情况下我们是不能够使用类似于常微分方程的求解过程来求解偏微分方程的，但是，对于某些特殊的偏微分方程的定解问题，尤其在求解无界区域上的齐次波动方程等类型的定解问题时，可以考虑这种先求通解再确定特解的方法。另外，从物理学上看，齐次波动方程反映了媒质被扰动后在区域里不再受到外力时的振动传播规律，如果问题的区域是整个空间
3、时，由初始扰动所引起的振动就会一直向前传播出去，形成行波，而这类问题可以得到通解，我们把这种主要适用于求解行波问题的方法称为行波法，本章将讨论这种方法的求解思路、方法和应用。4 42.1.1 达朗贝尔达朗贝尔(DAlembert)公式的导出公式的导出对于无限长弦的自由振动、无限长杆的纵向自由振动以及无限长理想传输线上的电流和电压均满足相同的波动方程的定解问题。泛定方程：utta2uxx(x0)(2.1)初始条件：u(x，0)j(x)ut(x，0)y(x)(2.2)2.1 一维波动方程的达朗贝尔公式一维波动方程的达朗贝尔公式5 5式中，j(x)、y(x)为已知函数。因为对于无限长弦，其边界的物理
4、状态并未影响到所考察的区域，所以不需提出边界条件，此定解问题即为初值问题。为了用行波法求解这一问题，我们首先要求出式(2.1)的通解。作变量代换，引入新的自变量xxathxat(2.3)利用复合函数求微商的法则，可以得到6 6xxxuuuuuxhxhxh()()()()()()2xxxxxxxxuuuuuuuuuuuuxhxhxhxxh hxxxhhhxh()tttuuuauuxhxhxh2()()()()()()2ttttttttuuuauuaauuauuauuuxhxhxhxxh hxxxhhhxh（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）7 7将上面得到的utt和uxx代入式(2.1)，得
5、到a2(uxx2uxhuhh)a2(uxx2uxhuhh)(2.8)即uxh0(2.9)求上面方程的解，先对h积分，得(2.10)再对x进行积分可得(2.11)d0duuccxxhhhxx 212,ducfffx hxxhxh8 8式中，f1(x)、f2(h)分别是x、h的任意函数。把式(2.3)代入式(2.11)，得到u(x，t)f1(xat)f2(xat)(2.12)容易验证，只要f1、f2具有二阶连续偏导数，表达式(2.12)就是自由弦振动方程(式(2.1)的通解。下面我们利用初始条件(式(2.2)来确定任意函数f1和f2，即求满足定解条件的解。把式(2.12)代入式(2.2)得u(x，
6、0)f1(x)f2(x)j(x)(2.13)(2.14)12(,0)()()()tu xafxafxxy9 9即(2.15)由式(2.13)和式(2.15)容易解得(2.16)(2.17)0121()()()dxxf xfxcay 0111()()()d222xxcf xxajy 0211()()()d222xxcfxxajy 10 10将f1(x)和f2(x)中的x分别换成xat和xat，代入式(2.12)得(2.18)这就是达朗贝尔公式或称为达朗贝尔行波解。它是一维无界齐次波动方程的初值问题的特解的一般表达式。11(,)()()()d22x atx atu x txatxatajjy 11
7、 11例例2.1 求解初值问题(2.19)解：解：显然这是一个一维无界齐次波动方程的初值问题，j(x)x，y(x)4，故由达朗贝尔公式(式(2.18)有(2.20)200|,|4ttxxtttua uux u11,422 4x atx atu x txatxatdaxt12 122.1.2 达朗贝尔公式的物理意义达朗贝尔公式的物理意义首先，我们以无限长弦的横向自由振动为例来阐述达朗贝尔公式的通解式(式(2.12)的物理意义。先考察第一项：u1f1(xat)(2.21)它是方程(2.1)的解，对于不同的t值，就可以看到弦在不同时刻相应的振动状态。13 13在t0时，u1(x，0)f1(x)，它对
8、应于初始时刻的振动状态，假如图2.1(a)曲线表示的是t0时的弦振动的状态(即初始状态)；在t1/2时，u1(x，1/2)f1(xa/2)的图形如图2.1(b)所示；在t1时，u1(x，1)f1(xa)的图形如图2.1(c)所示；在t2时，u1(x，2)f1(x2a)的图形如图2.1(d)所示。这些图形说明，随着时间的推移，u1f1(xat)的图形以速度a向x轴正向移动，所以u1f1(xat)表示一个以速度a沿x轴正向传播的行波。14 14图2.1 行波示意15 15同理，第二项u2f2(xat)表示一个以速度a沿x轴负向传播的行波。所以说达朗贝尔公式表明：弦上的任意扰动总是以行波形式分别向两
9、个方向传播出去的，其传播的速度正好是弦振动方程中的常数a。也正是基于此原因，上述求波动方程通解的方法叫做行波法。然后，我们研究满足初始条件(式(2.2)的达朗贝尔公式特解。从特解(式(2.18)的表达式可以看出，沿x轴正、负方向传播的行进波包含两部分：一部分来源于初始位移，一部分来源于初始速度。16 16至于行波的具体波形，则取决于初始条件(式(2.2)。为了使这个概念具体化，我们分别对以下两种特殊情况进行讨论：(1)y(x)0(只有初始位移，初速度为零的弦振动)。此时由式(2.18)可得出(2.22)先看式(2.22)中的第二项，设观察者以速度a沿x轴正向运动，则t时刻在xcat处，他所看到
10、的波形为1(,)()()2u x txatxatjj17 17j(xat)j(catat)j(c)(2.23)由于t为任意时刻，这说明观察者在运动过程中随时可看到相同的波形j(c)，可见，波形和观察者一样，以速度a沿x轴正向传播。所以，j(xat)代表以速度a沿x轴正向传播的波，称为正行波。而第一项的j(xat)代表以速度a沿x轴负向传播的波，称为反行波。正行波和反行波的叠加(相加)就给出弦的位移。18 18(2)j(x)0(即只有初速度，初始位移为零的弦振动)。此时由式(2.18)可得出(2.24)设Y(x)为y(x)/2a的一个原函数，即(2.25)则此时有u(x，t)Y(xat)Y(xa
11、t)(2.26)1(,)()2x atx atu x tday 012xxxday Y19 19 由此可见，上式第一项是反行波，第二项是正行波，正、反行波的叠加(相减)给出了弦的位移。所以，达朗贝尔解表示正行波和反行波的叠加。2020例例2.2 求初速度y(x)为零，初始位移为(2.27)的无界弦的自由振动位移。0 ()22 (0)()22 (0)0 ()xxxxxxxj 21 21解：解：由达朗贝尔解，即式(2.18)给出弦的初始位移(见图2.2中当力0时的粗线)为(2.28)将它分为两半(该图细线)，分别向左右两方向以速度a移动(见图中由下而上的各图中的细线)，每经过/4a的时间间隔，弦的
12、位移便由此二行波的和给出(见图中由下而上的各图粗线)。1()()()2u xxatxatjj2222图2.2 弦的波动示意2323图2.3 依赖区间24242.1.3 依赖区间和影响区域依赖区间和影响区域1.依赖区间依赖区间由达朗贝尔公式(式(2.18)可以看出，定解问题(2.1)(2.2)的解在一点(x，t)(：x0)处的值，仅依赖于x轴的区间xat，xat上的初始条件，而与其他点上的初始条件无关。我们称区间xat，xat为点(x，t)的依赖区间，它是过点(x，t)分别作斜率为1/a的直线与x轴所截交而得的区间。如图2.3所示。25252.影响区域影响区域从一维齐次波动方程的通解u(x，t)
13、f1(xat)f2(xat)可知，波动是以一定的速度a向两个方向传播的。因此，如果在初始时刻t0扰动仅在一有限区间x1，x2上存在，那么经过时间t后，它所传到的范围就由不等式x1atxx2at(t0)(2.29)所限定，而在此范围外仍处于静止状态。2626在(x，t)平面上，上述不等式所表示的区域如图2.4所示，称为区间x1，x2的影响区域。在这个区域中，初值问题的解u(x，t)的数值是受到区间x1，x2上的初始条件影响的；而在此区域外，u(x，t)的数值则不受区间x1，x2上初始条件的影响。特别地，当区间x1，x2缩成一点x0时，点x0的影响区域为x0atxx0at(t0)(2.30)这是过
14、点x0作两条斜率各为1/a的直线xx0at和xx0at所夹的三角形区域，如图2.5所示。2727图2.4 x1，x2的影响区域2828图2.5 x0的影响区域2929 通过上面的讨论，我们可以看到，在(x，t)平面上，斜率为1/a的直线xx0at对波动方程的研究起着重要的作用，称它们为波动方程的特征线，且特征线族xatc(任意常数)正是波动方程的特征方程(dx)2a2(dt)20的特征曲线。可以看到，行波法是以波动现象的特点为基础的，并以变量变换为出发点。其操作步骤为：先求通解，再用定解条件求特解。因其与求解常微分方程的方法相近，故而思路简洁，用其研究波动问题也很方便。但因为一般偏微分方程的通
15、解不易求，用定解条件求特解有时也很困难，所以这种解法有相当大的局限性，一般只用于求解波动问题。3030对于半无限长弦的自由振动的定解问题的研究，需要根据端点所处的物理状态(即边界条件)的不同分别加以讨论。1.端点固定端点固定(即第一类齐次边界条件即第一类齐次边界条件)一端固定的半无界弦的自由振动的定解问题为：泛定方程：utta2uxx(0 x0)(2.31)2.2 半无限长弦的自由振动半无限长弦的自由振动31 31 边界条件：u(0，t)0(2.32)初始条件：u(x，0)j(x)ut(x，0)y(x)(2.33)其中，边界条件表示x0端弦是固定的，求解区域是(x，t)平面上的第一象限。对半无
16、限长弦问题处理的基本思想是设法把它化为无限长弦问题，借助已知的达朗贝尔公式加以解决。3232从物理上我们可以设想：半无限长弦在端点的反射波可视为无限长弦在x0部分传播过来的“右”行传播波，且保持端点处为波节，从而半无限长弦问题可以作为特定的(u(x，t)|x00)的无限长弦问题。从数学上可以这样考虑：利用延拓法，把半无界区间延拓到整个无界区间。无界域上的波函数既要满足达朗贝尔公式，又要满足u(x，t)|x00，即(2.34)011(,)|()()()d022atxatu x tatatajjy 3333 由于函数j(x)、y(x)的任意性，因此必须把j(x)与y(x)延拓成x区间上的奇函数。这
17、样，我们可把上述初始条件改为：(2.35)(2.36)0,0 0 xxu xxxxjj 0,0 0txxuxxxxyYy3434 这样处理后，因为函数定义在xat，t0；0 x0两个区域。如图2.6所示。11,d22x atx atu x txatxataY 3535图2.6(x，t)平面上的两个区域3636由图2.6可见，由于在xat区域内的任何点的依赖区间全部位于(t0，x0)的区间内，因此解只依赖于t0，x0的初值条件，所以在区域内的解，只需将j(x)与y(x)的具体形式直接代入式(2.37)，即可得到(2.38)而区域内的点的依赖区间已跨越到x轴上了。因此利用(x)与Y(x)的奇函数特
18、性可得,11 ()()()d22x atx atu x tux txatxatajjy 0,txat3737(2.39)00,11()()()d()d2211()()()d22x atx atx atat xu x tux txatatxaxatatxajjy yjjy 0,0txat3838 以下将讨论上述解的物理含义：(1)若xat，我们看到其解就是达朗贝尔解，这说明端点的影响尚未传到。(2)若0 xat，此时的解与达朗贝尔解不一样，这说明端点的影响已经传到。为简单起见，设初速度为零，此时(2.40)1,()()2u x txatatxjj3939由上节讨论得知式(2.40)中的第一项是沿
19、x轴负向向端点传播的反行波，在此称为入射波。式(2.40)中的第二项是由端点传来的以速度a沿x轴正向传播的正行波，在此称为反射波。注意，在端点u(x，t)|x00，即弦始终不动，这说明在端点x0处入射波和反射波的相位始终相反，这种现象我们称为半波损失。40402.端点自由端点自由(即第二类齐次边界条件即第二类齐次边界条件)定解问题可转变为：泛定方程：utta2uxx(0 x0)(2.41)边界条件：ux(0，t)0(2.42)初始条件：u(x，0)j(x)ut(x，0)y(x)(2.43)41 41 同“端点固定”的分析方法相同，我们采用延拓法将半无界问题延拓为无界问题。在此边界条件下，应设j
20、(0)0和y(0)0，这样才能保持端点自由(即ux(0，t)0)，因此应将j(x)与y(x)延拓成在x整个区间上的偶函数，这样x0端的边界条件自然会得到满足。即将定解问题(2.31)(2.33)的初始条件改为：(2.44)(2.45)0,0 0 xxu xxxxjj 0,0 0txxuxxxxyYy4242 这样处理之后，由于函数定义在xat；x0，xat时(2.47),11()()()d22x atx atu x tux txatxatajjy 4444 (2)当t0，0 x0，xat时，端点的反射波影响还未达到x点，所以它和无界域的达朗贝尔公式相同；当t0，0 xat时，端点的影响已经达到
21、x点，端点的运动状态由初值函数引起的波动和端点反射波共同决定，不过此时无半波损失。4646例例2.3 半无限长的弦其初始位移和初始速度都为零，端点作微小的横振动u|x0Asinwt，求解弦的振动规律。解：解：可将此物理问题转化为下列定解问题(2.49)由定解条件知，此弦的振动是单纯由端点的振动引起的。因此，在x0区域，弦振动应按右行波传播。故可令其解为u(x，t)f(xat)，代入边界条件，得2,0,0,0,000,sinttxxtua uxtu xuxutAtw 4747Asinwtf(at)(t0)(2.50)为确定函数f，令zat，得(2.51)于是得(2.52)sinsin,0zzfz
22、AAzaaww,sinsin,xatxxu x tAAttaaaww 4848我们已经在2.1节讨论了一维波动方程的初值问题，并获得了达朗贝尔解，但波在三维空间传播的情况更具有普遍意义。例如，在研究交变电磁场在空间中的传播时，就要讨论三维波动方程。本节我们讨论三维波动方程问题。要求解在三维无限空间传播的波动问题，就是要求下列定解问题。2.3 三维波动方程的泊松公式三维波动方程的泊松公式4949泛定方程：utta2Du(x，y，z0)(2.53)初值条件：(2.54)00|tttuMuMjy5050其中，M代表空间中任意一点。根据2.1节中用行波法求解一维波动问题的思路，我们可知，若能通过某种方
23、法将三维的波动问题转化为一维的波动问题，就可以借助2.1节的结果或仿照2.1节的方法来求得三维波动问题的解。事实上，在球坐标系中，uu(r，q，j)，如果波动在三维空间中传播时与(q，j)无关，即具有球对称性时，可将其化为uu(r)，显然就是一个一维问题，所以，通过某种转化，利用一维行波解的结果来得到三维波动问题的解是一种可能的途径。为此，我们先介绍平均值法。51 512.3.1 平均值法平均值法首先定义一个函数(2.55)其中，为立体角元。显然，只是独立变量r和t的函数，称之为函数u(M，t)在以M0为中心，r为半径的球面上的平均值。M0是一个参量，而且容易看出来，和所要求的u(M0，t0)
24、有着紧密的联系，即(2.56)00211,d,d44MMrrssu r tu M tsu M tr2ddsinddsrqqj,u r t,u r t0Mrs0000,lim,ru Mtu r t5252 因此，欲求波动方程(2.53)的解u(M，t)在任意点M0、任意时刻t0的值u(M0，t0)，只要先求出u(M，t)在t0时刻，以M0为中心，r为半径的球面上的平均值后，再令r0即可。这种处理问题的方法称为平均值法。注意：如图2.7所示，这里各坐标变量之间的关系为(2.57)0Mrs000sincossinsincosxxryyrzzrqjqjq5353图2.7 M0与M的坐标关系5454其中
25、，下面我们通过求三维齐次波动方程的通解来导出泊松公式。222000rxxyyzz55552.3.2 泊松公式泊松公式为了用平均值法求解三维的波动问题，我们对式(2.53)两边在球面上积分并乘以常数因子，得(2.58)交换微分和积分号的顺序，得(2.59)0Mrs14002144MMrrttssau dud D002221144MMrrssudaudt D5656由式(2.55)得(2.60)又因为在直角坐标系中，(2.61)222,u r tau r ttD222222uuuuxyzD 5757故由变量x和r的关系式(2.57)可得(2.62)所以(2.63)2220000.uurxrxuxx
26、yyzzrxxxurr 222220002322.rxxxxxxuuruuxrrrxrrrr5858类似地，可得(2.64)故有(2.65)2222200232222222002322()()()()ryyyyuuuyrrrrrzzzzuuuzrrrr22222222223222222321()uuuu rru ruxyzrrrruururrrrrD 5959代入式(2.60)，得(2.66)即(2.67)不妨令(2.68)22222()aurutrr22222()()ruarutr(,)(,)v r tru r t6060则可得vtta2vrr(2.69)这就是一个一维的波动方程，其通解可以
27、表示为v(r，t)f1(rat)f2(rat)(2.70)因此(2.71)12()()(,)(,)f ratfratv r tu r trr61 61注意到，当r0时，有v(0，t)0(2.72)即f1(at)f2(at)0(2.73)所以(2.74)(,)(,)v r tru r t000000102001010202001020(,)(,)lim(,)lim()()lim()()()()lim ()()rrrrv r tu Mtu r trf ratfratrf ratf atfratfatrf atfat6262而由式(2.73)还可以得到(2.75)故有(2.76)此即波动方程(2.5
28、3)在任意时刻t0，任意一点M0处的解，其中为任意函数。1020()()f atfat0010(,)2()u Mtf at10()f at6363为了得到方程(2.53)满足初始条件(式(2.54)的特解，我们需要用这两个初始条件来确定式(2.76)中的任意函数。为此，我们将式(2.71)两边乘以r后再分别对r和t求导(2.77)(2.78)10()f at12()()f ratrfaturr121()()f ratruarttfa6464将式(2.77)和式(2.78)相加，并取rat0，t0(注意：这里之所以令t0是为了代入初始条件得到的值)，则得(2.79)000000001022000
29、001()()1 1 41 42()11dd441dd()()ddrMMrratMrrtMr attr attSStSSrurura trrra tf atuSuSrruuSSrarMMSSatarattjy 0000MMatatSS6565将此结果代入式(2.76)，则得(2.80)注意到M0、t0的任意性，故上式可写为(2.81)其中，M表示以M为中心，at为半径的球面上的点。至此，我们得到了三维无界空间波动方程的初值问题的解，即式(2.81)，称此式为泊松(Poisson)公式。000000000()(1)(d4,)dMMatatSSMMu MtSSataattjy()(1,)dd4)(
30、MMatatSSMMu M tSSattatajyMatS66662.3.3 泊松公式的物理意义泊松公式的物理意义下面我们讨论泊松公式的物理意义。式(2.81)是三维波动方程式(2.53)和(2.54)的解，它表示点M(x，y，z)和时刻t的值，仅与以点M为球心，at为半径的球面上的初始条件有关。换言之，只有与点M相距为at的点上的初始扰动能够影响到u(x，y，z；t)的值。为了形象起见，我们设扰动只限于区域T0(即初值函数j(M)、y(M)在空间某个有限区域T0内，而在T0外为零)内。在空间任取一点M，考察M点处各个时刻所受到初始扰动的情形。6767我们知道，函数u在点M和时刻t的值u(M，
31、t)是由j(M)、y(M)在球面上的值所决定的。也就是说，只有当球面和区域T0相交时，式(2.81)中的积分才不为零。我们用dat1和Dat2分别表示点M到区域T0的最近和最远距离，如图2.8所示。显然，当atat1，即tt1时，球面 不与T0相交，式(2.81)中的曲面积分为零，因而u(M，t)0，这时扰动的“前锋”还未到达M点。从时刻t1到t2(即d/att2时，球面不与区域T0相交，u(M，t)取零值，此时，扰动已经越过了M点，即表明扰动的“阵尾”已经过去了。这表明初始扰动(包括初始位移和初始速度)都无残留的后效，即三维空间中局部扰动的传播无后效现象。就像人们讲话的每个音节产生的振动波经
32、过听话者的耳朵所在的地点之后，空气都静止下来等待下一个扰动的到来一样。MatS7070如果我们考察区域T0中任意点M0处的扰动在某一时刻t0在空间中传播的情况。扰动传到以M0为中心，at0为半径的球面上，所以式(2.81)也称为球面波。这样，在时刻t0受到T0中所有点初始扰动影响的区域，就是以点M0T0为中心，at0为半径的球面族的全体。当t0足够大时，这种球面族有内、外两个包络面。我们称外包络面为传播波的波前，内包络面为传播波的波后。当区域T0是半径为R的球形时，波的波前()和波后()都是球面，如图2.9所示。00Mats71 71图2.9 球形波振面示意7272波前以外的部分表示扰动还未传
33、到的区域，而波后以内的部分是扰动已传过，并恢复了原来状况的区域。因此，当初始扰动限制在某一局部范围内时，波的传播有清晰的波前和波后。这就是物理学中的惠更斯原理。7373例例2.4 设大气中有一个半径为1的球形薄膜，薄膜内的压强超过大气压的数值为p0，假定该薄膜突然消失，将会在大气中激起三维波，求球外任意位置的附加压强p。解：解：其定解问题是(2.82)20000(1)|0(1)|0tttttpapprprpD 7474 如图2.10所示，设薄膜球球心到球外任意一点M的距离为r，则当r1atr1时，有(2.83)0220000022 2020()sin()21 cos12121MatSp atd
34、Mdsdp atatatra tp atartpratrqq qjjq 7575图2.10 球形薄膜的波动示意7676注意，y(M)pt|t00，故由泊松公式可得(2.84)而当atr1时，由于j(M)与y(M)均为零，故有p(M，t)0。类似地，我们当然可以求得球内任意位置处的附加压强。2001(,)41142()dMatSp M ta tppratrata trrMSatj 7777例例2.5 利用三维泊松公式求解下列问题(2.85)解：解：由泊松公式可得200,0|2,|0 tttttuaux y ztuxy uD 2200222 220000,1(,)d4sincos2sinsin1(
35、)sindd412dsind.cossindsind42Mr atsu x y z tSa trxatyatata tatat xya ta txyj x h qjqjqqjjqqjjjqq 7878前面所讨论的问题只限于自由振动，其泛定方程均为齐次的。现在我们来讨论无界弦的纯强迫振动，它的定解问题有：泛定方程：utta2uxxf(x，t)(x0)(2.86)初始条件：(2.87)2.4 强迫振动强迫振动00|0|0tttuu7979 此时的泛定方程是非齐次的。由前面的讨论可知，如果能将方程中的非齐次项消除掉(即将方程变为齐次方程)，就可以利用2.1节的达朗贝尔公式得到此定解问题的解。因此，我
36、们先介绍冲量原理。80802.4.1 冲量原理冲量原理我们知道，式(2.86)中的(F(x，t)是x处外力的线密度，即单位长度弦所受到的外力)是在时刻t、x处单位质量的弦上所受到的力，即力密度。这个力是持续作用的，即从时刻0一直延续到某一时刻t(当然，时刻t以后的力不影响在时刻t的振动，故可不考虑时刻t以后的力)。根据物理学中的叠加定理，我们可以将持续力f(x，t)所引起的振动(即定解问题(2.86)和(2.87)的解)，看做是一系列前后相继的瞬时力f(x，t)(0tt)所引起的振动w(x，t；t)的叠加。即(,),F x tf x t81 81(2.88)现在我们来分析瞬时力f(x，t)所引
37、起的振动。从物理的角度考虑，力对系统的作用对于时间的积累是给系统一定的冲量。我们考虑在短时间间隔Dt内对系统的作用，则f(x，t)Dt表示在Dt内的冲量。这个冲量使得系统的动量即系统的速度有一些改变(因为f(x，t)是单位质量弦所受的力，故动量在数值上等于速度)。即f(x，t)DtDPDV(2.89)00(,)lim(,;)tu x tx tttwtD 8282其中，DP为动量增量；DV为速度改变量。由于f(x，t)是单位质量的弦的受力，因此式(2.89)成立。由于Dt0，我们可以把Dt时间内得到的速度改变量看成是在tt时刻的一瞬间得到的，而在Dt外的其余时间则认为没有冲量的作用，即没有外力的
38、作用。在Dt这段时间里，瞬时力f(x，t)所引起的振动的定解问题就可以表示为(2.90)20,|0|(,)tttxxttatf xttwwtttwwtt DD8383 为了便于求解，再令w(x，t；t)v(x，t；t)Dt(2.91)则有(2.92)20|0|,ttxxtttaf xttt8484 由上面的分析可以看出，要求解纯强迫振动即式(2.86)和(2.87)，只需求解定解式(2.92)即可，从而(2.93)即(2.94)上面这种用瞬时冲量的叠加代替持续作用力来解决定解问题(2.86)和(2.87)的方法，我们称之为冲量原理。下面我们从数学上验证冲量原理的合理性。0000(,)lim(,
39、;)lim(,;)ttu x tx tx tttttwtttD D D0(,)(,;)tu x tx tdtt8585首先，证明式(2.94)满足初始条件(2.87)。由式(2.94)可知(2.95)固定积分上下限相同，其值为零。这样式(2.94)满足初始条件(式(2.87)。为了证明式(2.94)也满足初始条件ut|t00，则需要用公式(2.96)00(,0)(,0;)0tu xxdtt 212133322311d,dd,d,ttttttttttttjjjjjttjttjjjjj j8686 把式(2.96)应用于式(2.94)，得(2.97)由式(2.92)知v(x，t；t)0，所以(2.
40、98)则得(2.99)可见初始条件(2.87)也得到满足。0(,)(,;)(,;)tttu x tx tdx t ttt0(,)(,;)tttu x tx tdtt00(,0)(,0;)0ttu xxdtt8787其次，证明(2.94)满足非齐次泛定方程(2.86)，为此，对式(2.98)再应用式(2.96)，得(2.100)又由式(2.92)知vt(x，t；t)f(x，t)，所以有(2.101)而(2.102)0(,)(,;)(,;)ttttttux tx tdx t ttt0(,)(,;)(,)tttttux tx tdf x ttt0(,)(,;)txxxxux tx tdtt8888
41、把式(2.101)和式(2.102)代入式(2.86)，得(2.103)又由式(2.92)知vtta2vxx0，即得utta2uxxf(x，t)(2.104)故式(2.94)也满足非齐次方程(2.86)。这就验证了式(2.94)确实是式(2.86)和式(2.87)的定解问题的解。220(,)tttxxttxxua uadf x tt8989还应指出的是：(1)冲量原理也可以用于输运方程。但需注意，冲量原理只适用于单一“源”(热源或强迫力)的问题，即要求其他条件均为齐次的。(2)冲量原理也可以用于波动方程或输运方程的混合问题。但需注意，边界条件必须是一、二、三类边界条件，甚至x0端与xl端的边界
42、条件可以是不同类型(只要v(x，t；t)的边界条件的类型与原定解问题的边界条件相同就行)。90902.4.2 纯强迫振动纯强迫振动根据冲量原理，我们把求解式(2.86)和(2.87)的问题转变为求式(2.92)的初值问题。令Ttt，则(2.105)故由达朗贝尔公式有(2.106)T=02T=00|0|(,)TTxxTaf xt()()11(,;),d,d22x atx a tx atx a tv x tffaattt t t91 91代入式(2.94)得(2.107)此即纯强迫振动的解。()0()1(,),dd2tx a tx a tu x tfatt t t 9292例例2.6 求初始值问题
43、(2.108)解：解：由式(2.107)有(2.109),()(,0)0(,0)0ttxxtuuxxu xu x ()0()22021(,)dd21()()d412tx a tx a ttu x taxtxtxttt tttt 93932.4.3 一般强迫振动一般强迫振动一般强迫振动的定解问题如下：utta2uxxf(x，t)(x0)(2.110)u|t0j(x)(2.111)ut|t0y(x)(2.112)对于这种定解问题，我们注意到泛定方程和定解条件都是线性的。利用叠加定理，我们可以认为弦振动是由自由振动的初值问题和单纯由强迫力引起的振动的合成，即令(2.113)(,)(,)(,)u x
44、tu x tux t9494 使u(x，t)、u(x，t)分别满足下列初值问题，即utta2uxx0(2.114)u|t0j(x)(2.115)ut|t0y(x)(2.116)utta2uxxf(x，t)(2.117)u|t00(2.118)ut|t00(2.119)9595则式(2.114)加上式(2.117)即为式(2.110)；式(2.115)加上式(2.118)即为式(2.111)；式(2.116)加上式(2.119)即为式(2.112)。所以要求解定解问题(2.110)(2.112)只需求解定解问题(2.114)(2.116)和定解问题(2.117)(2.119)。定解问题(2.11
45、4)(2.116)的解u(x，t)可由达朗贝尔公式得出；定解问题(2.117)(2.119)的解u(x，t)可由式(2.107)给出。所以一般强迫振动的解为(2.120)()0()1(,)1,dd2)()21()d2x atx atxtx a ttau x tuxatxfaatauttjtytj 9696 从物理概念上看，定解问题(2.110)(2.112)表示由外力因素f(x，t)和由j(x)、y(x)所表示的初始振动状态对整个振动过程所产生的综合影响，它可以分解为单独只考虑外力因素(初始位移及速度为零)引起的振动(即强迫振动)和只考虑初始振动状态(外力为零)对振动过程所产生的影响，即自由振
46、动的叠加。9797例例2.7 求解下列定解问题(2.121)解：解：依线性方程解的结构，按叠加原理，令u(x，t)u(x，t)u(x，t)，则原定解问题可以分为下列两个定解问题，即222200sin (,0)|0,|sin ()ttuutxxttxuuxxt 9898(2.122)(2.123)2222000|0,|sinttuutxuuxt222200sin|0,|0ttuutxtxuut9999式(2.122)的解可由达朗贝尔公式求得(2.124)而定解问题(式(2.123)可以用冲量原理来求。先解(2.125)11()()()d2210sind2sin s n(,)ix atx atx
47、tx txatxu x tataxtjjy 222220 a=1|0,|sinttatxxtttt100100由达朗贝尔公式得(2.126)于是式(2.123)的解为(2.127)()()()()11()()sin d22sin d2sin sin(,;)x a tx a txtxtxa txa txxaxxtxtx tttttjtjttttt000(,;)dsin sindsinsind(sin(),sin)tttx txtxttttxuxtttttttt101101所以原定解问题的解为(2.128)(,)sin sinsinsinsinu x tuuxtttxtx102102下面我们将研究
48、更为一般的情况：有外力作用的三维无界空间的波动问题，即以下定解问题utta2Duf(M，t)(x，y，z0)(2.129)u|t0j(M)(2.130)ut|t0y(M)(2.131)2.5 三维无界空间的一般波动问题三维无界空间的一般波动问题103103 根据叠加原理，此问题可分解为下面两个问题来解决：第一个是求齐次方程满足非齐次初始条件的解；第二个是由强迫力引起的非齐次方程满足齐次初始条件的定解问题。令uuu(2.132)而u、u分别满足下列方程：(2.133)(2.134)20ttuauD0|()tuMj104104(2.135)(2.136)(2.137)(2.138)(1)我们先来讨
49、论定解问题(2.133)(2.135)的解。0|()ttuMy2(,)ttuauf M tD0|0tu0|0ttu105105定解问题(2.133)(2.135)是三维无界空间的柯西问题，由泊松公式得其解为(2.139)其中，函数j、y中的变量应为X、Y、Z，并且有(2.140)221144(,)ddMMatatSSuatx y zssttajysincossinsincos.XxatYyatZzatqjqjq106106 (2)对三维的非齐次波动方程的零初值问题(2.136)(2.138)可以像上节一样采用冲量原理来解决，即先求出无源问题(2.141)的解(M，t；t)，而定解问题(式(2.
50、136)(2.138)的解为(2.142)20|0|(,)tttttaf MtttD0(,)(,;)dtuM tM ttt107107 依据泊松公式，定解问题(式(2.141)的解为(2.143)代入式(2.142)，得(2.144)引入变量代换ra(tt)，即，可得()1(,)(,;)d4()Ma tSf MM tsaa ttttt()01(,)(,)4()Ma ttSf MuM tdsdaa ttttt rtat 108108(2.145)202(,)1d(,)d4(,)1d d4(,)1d4MrMrMattatSatSTrf M trauM tsararf M tas rarrf M t
