本書是根據(jù)理工科數(shù)學物理方程教學大綱的要求及學科發(fā)展需求編寫的,全書共分十一章,內容包括數(shù)學模型的建立及定解問題,方程的分類和化簡,特征線積分法,分離變量法,積分變換法和格林函數(shù)法.為了內容的完備性,特意補充了傅里葉級數(shù)的內容。
數(shù)學物理方程主要是指在實際工程技術中抽象出的一類偏微分方程,不僅具有很強的理論基礎,而且在各領域都有很高的應用價值,在物理學、化學、醫(yī)學、生物學、材料、工業(yè)技術、社會學等各個領域都有它的身影,例如試井分析、石油勘探、醫(yī)學成像、大型建筑、金融、人口普查等方面都為數(shù)學物理方程提出了嶄新的研究課題。它與現(xiàn)代科學工程技術聯(lián)系十分緊密,是應用及其廣泛的應用數(shù)學基礎之一。
“數(shù)學物理方程”使學生理解掌握與本課程相關的重要理論的同時,有利于數(shù)學思維的養(yǎng)成,分析、解決實際問題能力的提高,已然成為高等理工科院校必備的數(shù)學工具,教學內容中除了包含必要的數(shù)學物理方程的基本知識、基本概念和理論外,還重點討論了具有重要應用意義的經(jīng)典數(shù)學物理方程定解問題的幾種基本解法,
目前理工科高校均開設“數(shù)學物理方程”或“偏微分方程”課程,但“數(shù)學物理方程”側重于模型的建立和方程的求解方法,而“偏微分方程”側重于數(shù)學理論基礎的分析,由于兩者側重點不同,通常為工科院系開設“數(shù)學物理方程”課程,而且,這門課程的設置使得其與先修課和后續(xù)課能夠有機銜接,同時也為理工科專業(yè)學生后繼的科研工作奠定了堅實的基礎。
本書共分11個章節(jié),內容包括數(shù)理方程相關的背景、研究對象、特點;三類典型線性偏微分方程的數(shù)學模型的建立過程;二階線性偏微分方程的分類和化簡;特征線積分法;有界區(qū)域上的分離變量法;積分變換法和格林函數(shù)法。為全書內容的完整性,補充了傅里葉級數(shù)部分,但由于授課時數(shù)所限,本書沒有涉及廣義函數(shù)等內容。因此可適當刪減某些章節(jié),靈活掌握。
本書每節(jié)課后都留有習題,并備有部分習題的參考答案,以利于學生或是自學人員檢查學習成果,此外,由于某些題目計算得到的方程的解析解,很難從直觀上理解解的分布及其物理意義,因此本書的某些章節(jié)最后附有MATLAB源程序,把微分方程抽象的理論結果可視化,使讀者能更直觀地了解“數(shù)學物理方程”所具有的性態(tài)。而且部分內容參考了國內外出版的一些教材和專著,見本書所附參考文獻。
本書附錄列出了一階偏微分方程求解、冪級數(shù)解法和積分變換表。
由于作者水平所限,疏漏和不足之處在所難免,敬請讀者予以批評指正。
第1章 概論
1.1 數(shù)學物理方程
1.1.1 方程的分類
1.2 偏微分方程的基本概念
1.2.1 基本概念
1.2.2 算子與線性算子
習題1
第2章 數(shù)學模型的建立及定解問題
2.1 馬爾薩斯人口模型
2.2 單擺問題
2.3 CT成像的重建算法-Lambert-Beer定律
2.4 弦振動問題
2.5 膜振動問題
2.6 熱傳導問題
2.7 電磁場問題
2.8 定解問題及問題的適定性
2.8.1 定解條件和定解問題
2.8.2 定解問題的適定性概念
第3章 兩個自變量的二階線性偏微分方程的分類和化簡
3.1 兩個自變量的二階線性偏微分方程的分類
3.2 兩個自變量的二階線性偏微分方程的化簡
3.3 化二階線性偏微分方程為標準型
習題3
第4章 特征線積分法
4.1 達朗貝爾(D'Alembert)公式
4.2 半無界弦及有界弦的振動問題
4.3 杜阿梅爾原理及非齊次問題的求解
4.4 三維波動方程
4.5 降維法
4.6 MATLAB求解
習題4
第5章 斯圖姆-劉維爾(Sturm-Liouville)問題
5.1 斯圖姆-劉維爾本征值問題
5.2 斯圖姆-劉維爾問題的性質
習題5
第6章 特殊函數(shù)
6.1 貝塞爾函數(shù)
6.1.1 Γ(Gamma)函數(shù)
6.1.2 貝塞爾函數(shù)
6.1.3 第一類貝塞爾函數(shù)的性質
6.2 勒讓德函數(shù)
6.2.1 勒讓德方程的求解
6.2.2 勒讓德多項式
6.2.3 勒讓德多項式的性質
習題6
第7章 傅里葉級數(shù)
7.1 傅里葉級數(shù)
7.2 正弦級數(shù)和余弦級數(shù)
7.3 以2l為周期的級數(shù)
7.4 有限區(qū)間上的傅里葉級數(shù)
習題7
第8章 分離變量法
8.1 有界弦的自由振動
8.1.1 用分離變量法求解齊次弦振動方程的混合問題
8.1.2 解的物理意義
8.2 有界桿的熱傳導問題
8.3 拉普拉斯方程和梁振動方程
8.3.1 矩形區(qū)域的拉普拉斯方程
8.3.2 梁的橫振動
8.4 MATLAB求解
習題8
第9章 本征函數(shù)法
9.1 本征函數(shù)法的引入
9.2 非齊次問題
9.3 非齊次邊界條件的處理
9.4 MATLAB求解
習題9
第10章 積分變換法
10.1 傅里葉積分和傅里葉變換
10.2 傅里葉變換的性質
10.3 傅里葉變換的應用
10.4 MATLAB求解
10.5 拉普拉斯變換
10.6 拉普拉斯變換的性質
10.7 拉普拉斯變換的應用
10.8 MATLAB求解
習題10
第11章 格林函數(shù)法
11.1 格林函數(shù)法解常微分方程邊值問題
11.2 δ函數(shù)的概念及性質
11.2.1 δ函數(shù)的定義
11.2.2 δ函數(shù)的性質
11.3 格林函數(shù)法解偏微分方程初值問題
11.3.1 一維熱傳導方程的柯西問題
11.3.2 一維波動方程的初值問題
11.4 格林函數(shù)法解偏微分方程邊值問題
11.4.1 一維熱傳導方程的混合問題
11.4.2 一維波動方程的混合問題
11.5 拉普拉斯方程的格林函數(shù)
11.6 MATLAB求解
習題11
參考答案
附錄一 一階偏微分方程求解
1 一階常微分方程組的首次積分
2 一階線性齊次偏微分方程
附錄二 冪級數(shù)解法
附錄三 積分變換表
參考文獻