弹性力学预备知识12-23课件.ppt
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- 弹性 力学 预备 知识 12 23 课件
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1、 第一章第一章 数学预备知识数学预备知识1-1 1-1 微分方程的一般概念微分方程的一般概念1-2 1-2 一阶常微分方程的基本解解法一阶常微分方程的基本解解法 1-3 1-3 高阶线性常微分方程解法高阶线性常微分方程解法1-4 1-4 变分法的基本概念变分法的基本概念1-5 1-5 矩阵代数的基础知识矩阵代数的基础知识1-6 1-6 函数的级数展开函数的级数展开 凡含有未知函数的导数(偏导数)或微分的方程叫凡含有未知函数的导数(偏导数)或微分的方程叫微分方程微分方程.是联系是联系自变量自变量,未知函数以及未知函数的某些导数未知函数以及未知函数的某些导数(或微分或微分)之间的关系式。微分之间的
2、关系式。微分方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数称之微分方程的阶方程中出现的未知函数的最高阶导数的阶数称之微分方程的阶,根据组成方程的未知函数个数根据组成方程的未知函数个数,微分的性质微分的性质,幂次等幂次等,可分为可分为常微分方常微分方程、偏常微分方程、线性与非线性微分方程以及微分方程组,等等程、偏常微分方程、线性与非线性微分方程以及微分方程组,等等,yxy 23xyyyezxyx一、微分方程的定义及分类一、微分方程的定义及分类()(1)(,)nnyf x y yy2()20 x yyyx322yyzzyz 1 11 1 微分方程的一般概念微分方程的一般概念二阶常系数非其次微分方程二阶常系
3、数非其次微分方程.一阶非线性常微分方程一阶非线性常微分方程.n阶常微分方程阶常微分方程.偏微分方程偏微分方程.一阶常微分方程一阶常微分方程常微分方程组常微分方程组()()yP x yQ x代入微分方程能使方程成为恒等式的函数称之微分方程的代入微分方程能使方程成为恒等式的函数称之微分方程的解解.设设 在区间在区间 I I 上有上有 n n 阶导数,使得阶导数,使得 ()yx()(,)0.nF x y yy二、微分方程的求解则称则称 为方程为方程 的解的解 微分方程的解概念微分方程的解概念 (1)(1)通解通解:微分方程的解中含有任意常数微分方程的解中含有任意常数,且任意常数且任意常数的个数与微分
4、方程的阶数相同的个数与微分方程的阶数相同.()yx,yy 例xyce通解0yy12sincosycxcx通解(2)(2)特解特解:确定了通解中任意常数以后的解。确定了通解中任意常数以后的解。(),(),(),()0nF xxxx过定点的积分曲线过定点的积分曲线;00),(yyyxfyxx一阶一阶:二阶二阶:0000,),(yyyyyyxfyxxxx过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线。过定点且在定点的切线的斜率为定值的积分曲线。(5)初值问题初值问题:求微分方程满足初始条件的解的问题求微分方程满足初始条件的解的问题(4)初始条件初始条件:用来确定任意常数的条用来确定任意常数的条件件(3)
5、解的图象解的图象:微分方程的积分曲线微分方程的积分曲线(族族)解解,cossin21ktkCktkCdtdx ,sincos221222ktCkktCkdtxd ,22的表达式代入原方程的表达式代入原方程和和将将xdtxd.0)sincos()sincos(212212 ktCktCkktCktCk.sincos21是是原原方方程程的的解解故故ktCktCx ,0,00 ttdtdxAx.0,21 CAC所求特解为所求特解为.cosktAx 一、可分离变量的微分方程一、可分离变量的微分方程()()g y dyf x dx的方程为可分离变量的微分方程的方程为可分离变量的微分方程.4252dyx
6、ydx4252ydyx dx解法解法 dxxfdyyg)()(CxFyG )()(为微分方程的解。上例方程的解为为微分方程的解。上例方程的解为分离变量法分离变量法1 12 2 一阶常微分方程的解法一阶常微分方程的解法13523yxC形如形如例如例如二、齐次方程二、齐次方程)(xyfdxdy 形如形如的微分方程称为的微分方程称为齐次方程齐次方程.2.解法解法,xyu 作变量代换作变量代换,xuy 即即代入原式代入原式,dxduxudxdy ),(ufdxduxu .)(xuufdxdu 即即可分离变量的方程可分离变量的方程1.1.定义:定义:1()0ln,uuf uuC xxCef uud当时,
7、得即()()yxduyuuxCef uux其中,将代入,可得通解0000()0uf uuuu当存在,使,则是新方程的解,0,yu x代回原方程得齐次方程的解为。)()(xQyxPdxdy 1、一阶线性微分方程的标准形式、一阶线性微分方程的标准形式:,0)(xQ当当齐次方程齐次方程,0)(xQ当当三、三、一阶线性微分方程一阶线性微分方程 非齐次方程非齐次方程.0)(yxPdxdy,)(dxxPydy ,)(dxxPydy,ln)(lnCdxxPy 齐次方程的通解为齐次方程的通解为.)(dxxPCey1)线性齐次方程线性齐次方程2、一阶线性微分方程的解法、一阶线性微分方程的解法(使用分离变量法使用
8、分离变量法)2)线性非齐次方程)线性非齐次方程).()(xQyxPdxdy 讨论讨论,)()(dxxPyxQydy 两边积分两边积分,)()(ln dxxPdxyxQy),()(xvdxyxQ为为设设,)()(ln dxxPxvy.)()(dxxPxveey即即非齐次方程通解形式非齐次方程通解形式与齐次方程通解相比与齐次方程通解相比 ()v xCu xe把齐次方程通解中的常数变易为待定函数的方法把齐次方程通解中的常数变易为待定函数的方法.常数变易法常数变易法实质实质:未知函数的变量代换未知函数的变量代换.),()(xyxu原原未未知知函函数数新新未未知知函函数数作变换作变换 dxxPexuy)
9、()(,)()()()()(dxxPdxxPexPxuexuy代代入入原原方方程程得得和和将将yy,)()()(CdxexQxudxxP ),()()(xQexudxxP 积分得积分得一阶线性非齐次微分方程的通解为一阶线性非齐次微分方程的通解为:dxxPdxxPeCdxexQy)()()(dxexQeCedxxPdxxPdxxP )()()()(对应齐次对应齐次方程通解方程通解非齐次方程特解非齐次方程特解例例:如图所示,平行与如图所示,平行与 y 轴的动直线被曲线轴的动直线被曲线 与与 截下的线段截下的线段PQ之长数值上等于阴影部分的面之长数值上等于阴影部分的面积积,求曲线求曲线 .)(xfy
10、 )0(3 xxy)(xf,)()(230yxdxxfx xyxydx03,两边求导得两边求导得,32xyy 解解:解此微分方程解此微分方程xyoxPQ3xy )(xfy dxexCeydxdx23,6632 xxCex,0|0 xy由由,6 C得得所求曲线为所求曲线为).222(32 xxeyx一、定义一、定义)(1)1(1)(xfyPyPyPynnnn n 阶常系数线性微分方程的标准形式阶常系数线性微分方程的标准形式0 qyypy二阶常系数线性方程的标准形式二阶常系数线性方程的标准形式)(xfqyypy 3 33 3 高阶常系数线性微分方程高阶常系数线性微分方程(齐次齐次)(非齐次非齐次)
11、二、二阶常系数齐次线性方程解法二、二阶常系数齐次线性方程解法-特征方程法特征方程法,rxey 设设将其代入上述齐次方程将其代入上述齐次方程,得得0)(2 rxeqprr0rxe,从而得到特征值从而得到特征值02 qprr特征方程特征方程,2422,1qppr 讨论讨论:,2421qppr ,2422qppr ,11xrey ,22xrey 两个线性无关的特解两个线性无关的特解齐次方程的通解为齐次方程的通解为1212r xr xyC eC e2(40)pq 特征根为特征根为 (a)(a)有两个不相等的实根有两个不相等的实根 (a)(a)有两个相等的实根有两个相等的实根2(40)pq 特征根为特征
12、根为12,2prr 11r xye一特解为一特解为得齐次方程的通解为得齐次方程的通解为112()r xyCC x e0,u()u xx取12r xyxe,则12()r xyu x e另一特解设为另一特解设为代入原方程可求得代入原方程可求得二阶常系数齐次微分方程求通解的一般步骤二阶常系数齐次微分方程求通解的一般步骤:(1)写出相应的特征方程)写出相应的特征方程;(2)求出特征根)求出特征根;(3)根据特征根的不同情况)根据特征根的不同情况,得到相应的通解得到相应的通解.02 qprr0 qyypy 特征根的情况特征根的情况 通解的表达式通解的表达式12 rr实根12 rr实根1 2 ri,复根1
13、212r xr xyC eC e1212r xr xyC exC e12cossinxyeCxCx特征方程特征方程齐次方程齐次方程三、三、n阶常系数齐次线性方程解法阶常系数齐次线性方程解法01)1(1)(yPyPyPynnnn特征方程为0111 nnnnPrPrPr特征方程的根特征方程的根通解中的对应项通解中的对应项 kr若是 重根 rxkkexCxCC)(1110 ki若是重共轭复根 xkkkkexxDxDDxxCxCC sin)(cos)(11101110结论结论:由常系数齐次线性方程的特征方程的根确定其通解的由常系数齐次线性方程的特征方程的根确定其通解的方法称为方法称为特征方程法特征方程
14、法。n 次代数方程有次代数方程有 n 个根个根,而特征方程而特征方程的每一个根都对应着通解中的一项的每一个根都对应着通解中的一项,且每一项各一个任意常且每一项各一个任意常数数.nnyCyCyCy 2211特征根为特征根为123451,rrrj rrj 故所求通解为故所求通解为12345()cos()sinxyC eCC xxCC xx54322210rrrrr 特征方程为特征方程为22(1)(1)0rr(5)(4)(3)220yyyyyy求方程的通解440yyy求方程的通解解:解:特征方程为特征方程为2440rr122rr 故所求通解为故所求通解为212()xyCC x e例例2 2 解得解得
15、例例1 1 解:解:四、二阶常系数非齐次线性微分方程四、二阶常系数非齐次线性微分方程()ypyqyf x对应齐次方程0ypyqy通解结构*yYyYy(齐次方程通解,-非齐次方程特解)非齐次线性方程设非齐方程特解为设非齐方程特解为*()xyQ x e代入原方程代入原方程 2()(2)()()()mQ xp Q xpq Q xPx(1)若 不是特征方程的根20pq()()(mQ xQxm可设次多项式),则*()xmyQx e()(),()xmmf xe P xP x(其中为多项式)四、二四、二阶常系阶常系数非齐数非齐次线性次线性微分方微分方程程 讨论:(2)若是 特 征 方 程 的 单 根20,2
16、0pqp()(),mQ xxQx可 设则;)(*xmexxQy(3)0,20pqp2若 是特征方程的重根,即2()(),mQ xx Qx可设则综上讨论可设*(),kxmyx e Qx012k不是根是单根是重根注意上述结论可推广到上述结论可推广到n阶常系数非齐阶常系数非齐次线性微分方程(次线性微分方程(k是重根次数)是重根次数)*2()xmyx Qx e特别地xypyqyAe2*2,22xxxAepqAyxepAx e不是特征方程的根是特征方程的单根是特征方程的重根2yyx 例例 求求微微分分方方程程的的通通解解。02 rr解:解:1,0 rrxeccY21)(2cbxaxxy cbxaxy 2
17、32baxy26 222326xcbxaxbax 2,1,31 cba3212123xyxxxcc e 方方程程的的通通解解 1 14 4 变分原理变分原理泛函的定义泛函的定义 自变量是具有一定条件的函数,因变量是自变量是具有一定条件的函数,因变量是普通变量的函数关系定义为泛函。即普通变量的函数关系定义为泛函。即泛函是函数的函数泛函是函数的函数。记为记为:以积分形式构筑泛函关系以积分形式构筑泛函关系 若若I y 是以是以 定义定义域的泛函,其中域的泛函,其中 是在区间是在区间a a,bb上的分段连续上的分段连续的函数集,则的函数集,则 I y 可表示为可表示为 一、泛函的基本知识一、泛函的基本
18、知识()baIy x dx ()Cy x ()Cy x IIy x 例如:例如:A、B 间任一曲线长度为间任一曲线长度为21()baLydx ab()yy x ABcdxyo泛函一般形式泛函一般形式()(,)badyI y xf x ydxdx 或或(,)baIf x y y dx 二、函数的变分二、函数的变分()()yY xy x 定义定义 函数函数y的微小增量的微小增量被称为函数被称为函数 y(x)的变分的变分力学意义力学意义y oxy()yy x dxdyABCDy 结构构件的虚位移结构构件的虚位移其中其中AB 为梁的挠度曲线为梁的挠度曲线CDCD为该梁发生虚位移后的一段挠度曲线为该梁发
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