Rovnice matematické fyziky

Podobné dokumenty
Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

16 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

Úvod do parciálních diferenciálních rovnic. 2 Kanonický tvar lineárních PDR 2. řádu pro funkce

Separovatelné diferenciální rovnice

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

9. cvičení z Matematické analýzy 2

0 = 2e 1 (z 3 1)dz + 3z. z=0 z 3 4z 2 + 3z + rez. 4. Napište Fourierův rozvoj vzhledem k trigonometrickému systému periodickému

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Parciální diferenciální rovnice

19 Hilbertovy prostory

2. Určte hromadné body, limitu superior a limitu inferior posloupností: 2, b n = n. n n n.

I. Diferenciální rovnice. 3. Rovnici y = x+y+1. převeďte vhodnou transformací na rovnici homogenní (vzniklou

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

Komplexní analýza. Fourierovy řady. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

Obsah. 1 Lineární prostory 2

Matematická analýza 1, příklady na procvičení (Josef Tkadlec, )

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Požadavky ke zkoušce

Matematika 3. Úloha 1. Úloha 2. Úloha 3

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

+ 2y y = nf ; x 0. závisí pouze na vzdálenosti bodu (x, y) od počátku, vyhovuje rovnici. y F x x F y = 0. x y. x x + y F. y = F

Derivace funkce Otázky

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

24. Parciální diferenciální rovnice

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Derivace funkce DERIVACE A SPOJITOST DERIVACE A KONSTRUKCE FUNKCÍ. Aritmetické operace

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

4. Diferenciál a Taylorova věta

Rovnice matematické fyziky cvičení pro akademický školní rok

Zdrojem většiny příkladů je sbírka úloh 1. cvičení ( ) 2. cvičení ( )

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Uzavřené a otevřené množiny

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

Úvodní informace. 17. února 2018

1. Matematická analýza definice (MP leden 2010)

Teorie měření a regulace

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

MATEMATIKA IV - PARCIÁLNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE - ZÁPISKY Z. Obsah. 1. Parciální diferenciální rovnice obecně. 2. Kvaazilineární rovnice prvního řádu

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

22 Základní vlastnosti distribucí

Euklidovský prostor. Funkce dvou proměnných: základní pojmy, limita a spojitost.

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Užití nekonečných řad při řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Michal Ostřanský

Katedra matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze Příjmení a jméno ➊ ➋ ➌ ➍ ➎ ➏ Bonus

Funkce více proměnných - úvod

APLIKACE. Poznámky Otázky

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Diferenciální rovnice

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Užitečné zdroje příkladů jsou: Materiály ke cvičením z Kalkulu 3 od Kristýny Kuncové:

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Lineární rovnice prvního řádu. Máme řešit nehomogenní lineární diferenciální rovnici prvního řádu. Funkce h(t) = 2

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Funkce jedné proměnné

ZS: 2018/2019 NMAF063 F/3 Josef MÁLEK. Matematika pro fyziky III

Funkce zadané implicitně

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Matematika 2 Úvod ZS09. KMA, PřF UP Olomouc. Jiří Fišer (KMA, PřF UP Olomouc) KMA MA2AA ZS09 1 / 25

NMAF063 Matematika pro fyziky III Zápočtová písemná práce B Termín pro odevzdání 4. ledna 2019

f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. f(x) = (cos x) cosh x + 3x a nalezněte rovnici tečen ke grafu této funkce v bodech f(x) = (sin x) x2 + 3 cos x

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

NALG 001 Lineární algebra a geometrie 1, zimní semestr MFF UK Doba řešení: 3 hodiny

Požadavky ke zkoušce. Ukázková písemka

VI. Derivace složené funkce.

Příklady pro cvičení 22. dubna 2015

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 1.ŘÁDU

Skalární součin je nástroj, jak měřit velikost vektorů a úhly mezi vektory v reálných a komplexních vektorových prostorech.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství MATEMATIKA 2

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

SBÍRKA PŘÍKLADŮ Z MATEMATICKÉ ANALÝZY 3 Jiří Bouchala. Katedra aplikované matematiky, VŠB TU Ostrava jiri.bouchala@vsb.cz

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3 - VÍCENÁSOBNÉ INTEGRÁLY. x 2. 3+y 2

POŽADAVKY K SOUBORNÉ ZKOUŠCE Z MATEMATIKY

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Transkript:

Rovnice matematické fyziky cvičení 1 Rovnice matematické fyziky cvičení Michael Krbek Obsah Opakování ze známé matematické analýzy Parciální diferenciální rovnice metoda charakteristik Okrajová úloha pro obyčejné rovnice, Greenovy funkce Vlnová rovnice Metoda integrálních transformací Metoda separace proměnných

Rovnice matematické fyziky cvičení 2 I. Opakování ze známé matematické analýzy Fourierovy řady. Napřed si dovolím hodně stručnou rekapitulaci výsledků teorie Fourierových řad funkcí. Uvědomme si, že každou funkci F na jednotkové kružnici S 1 ={e ix C x R}lzejednoznačněidentifikovats2π-periodickou funkcí f v R vztahem f(x)=f(e ix ). Pro každou funkci f L 2 (S 1 ) definujeme její Fourierovy koeficienty c n pomocí vzorce c n = 1 2π Fourierova řada funkce f je řada π π n= posloupnost jejích částečných součtů je s N (x)= f(x)e inx dx. c n e inx, N n= N c n e inx. Pro každou posloupnost {c n } l 2, tj. takovou, že c n 2 < existuje funkce f L 2 (S 1 ) taková, že c n jsou jejími Fourierovými koeficienty (Riesz-Fisherova věta) a tento vztah zachovává skalární součiny na l 2 a L 2 (S 1 ) (Parsevalova věta). Důsledkem je, že každá f L 2 (S 1 ) je L 2 -limitou posloupnosti částečných součtů své Fourierovy řady. Bodová konvergence je podstatně obtížnější problém. Obvykle se uvádí a nedokazuje následující výsledek: Je-li 2π-periodická funkce f po částech spojitá, pak součet její Fourierovy řady v bodě x je roven aritmetickému průměru (f(x+)+ f(x ))/2, kde f(x+)=lim t x + f(t) a obdobně pro f(x ). 1. Trigonometrický polynom je konečný součet tvaru f(x)=a 0 + N (a n cosnx+b n sinnx), x R,N N, n=1 kde a n,b n jsou obecně komplexní čísla.pomocí Eulerova vztahue ix =cosx+isinx přepište jako N f(x)= c n e inx. n= N Jakou podmínku musí splňovat c n, aby všechna odpovídající a n,b n byla reálná? (Obecný trigonometrický polynom je tedy komplexní funkcí reálné proměnné a ptáme se, kdy bude reálnou funkcí reálné proměnné.) [# 1]

Rovnice matematické fyziky cvičení 3 2. Je-li f(x) sudá (resp. lichá) funkce, pak pro členy její Fourierovy řady platí b n =0 (resp. a n =0). Dokažte to! [# 1] 3. Určete Fourierovu řadu funkce f(x) periodické s periodou 2h. [# 1] Určete Fourierovy řady následujících funkcí periodických mimo vyznačený interval. { 1 x ( π,0] 4. f(x)= je 2π-periodická. [# 1] 1 x (0,π) 5. f(x)= { 1 x (0,y] 0 x (y,π), kde y (0,π), f(x) je 2π-periodická a sudá. [# 1] 6. f(x)=e x, x ( h,h) je 2h-periodická. [# 1] f(x)=sinkx pro x (0,π), k N, 2π-periodická, sudá. [# 1] 7. Určete Fourierovu řadu 2π-periodického lichého rozšíření funkce dané f(x) = x(π x) pro x (0,π). Použijte výsledek k součtu číselné řady 1 1 3 3 + 1 5 3 1 + [# 2] 73 Obyčejné diferenciální rovnice. Pro obyčejné diferenciální rovnice máme zaručenu existenci a jednoznačnost řešení pro obvyklé hladké funkce, kde vše plyne zexistenceřešeníprosoustavu y = f(y),y(0)= y 0 pomocívětyopevnémbodě(pro diferenciální rovnice se jí říká Picardova věta). Dokonce je v těchto případech zaručena hladká závislost řešení na počátečních podmínkách (to už se ale většinou nedokazuje). Víme tedy většinou, že když nalezneme řešení, bude určeno jednoznačně. Na řešení obyčejných diferenciálních rovnic prvního řádu existuje řada metod závislých od typu rovnice: separace proměnných, Bernoulliho rovnice, exaktní rovnice, rovnice s konstantními koeficienty. Z rovnic vyššího řádu se probírají zpravidla jen rovnice lineární. Nalezněte obecná řešení diferenciálních rovnic prvního řádu 8. y x 2 y=x 2, 9. y + 2y x [# 1] =sinx, [# 1] 10. y=2xy (y ) 2, y = λy(1 y),y(0)= y 0. [# 1]

Rovnice matematické fyziky cvičení 4 11.Řešte obecně diferenciální rovnici ( ) ( ) 1 1 y +y 1 dx+ x +x+1 dy=0. [# 1] Obecně řešte diferenciální rovnice druhého řádu 12. y +y=e x, [# 1] 13.x 2 y +xy +y=0. [# 1] II. Parciální diferenciální rovnice metoda charakteristik Obecná parciální diferenciální rovnice prvního řádu pro dvě nezávislé proměnné x, y a jednu závislou proměnnou u je dána jako F(x,y,u,p,q)=0, kde p = u x a q = u y. Řešení získáme zobecněnou metodou charakteristik, tzv. Lagrange-Charpitovoumetodou.Řešímesoustavuobyčejnýchdiferenciálních rovnic dx = dy du dp dq = = =. F p F q pf p +qf q F x +pf u F y +qf u 14.Řešte Cauchyho úlohu u t +au x =0, x R, a R, t>0 u(0,x)=ϕ(x), x R. [# 1] 15.Řešte Cauchyho úlohu u t +xu x =0, x R, t>0 u(0,x)=ϕ(x), x R. [# 2] 16.Řešte Cauchyho úlohu u t +uu x =0, x R, t>0 u(0,x)=ϕ(x), x R. [# 2] 17. Určete všechny diferencovatelné funkce f dvou nezávisle proměnných, jež jsou invariantní vůči lineárním transformacím těchto nezávisle proměnných zachovávajícím obsah. [# 3]

Rovnice matematické fyziky cvičení 5 18. Určete všechny diferencovatelné funkce f tří nezávisle proměnných, které jsou invariantní vůči ortogonálním transformacím těchto nezávisle proměnných. [# 5] Převed te do kanonického tvaru rovnice: 19. y 2 u xx +2xyu xy +2x 2 u yy +yu y =0. [# 1] 20.u xy u xz +u x +u y u z =0. [# 1] 21.u xx +2u xy 2u xz +2u yy +6u zz =0. [# 1] 22. Transformujte Laplaceovu rovnici u xx +u yy =0 do nových souřadnic a=x 2 y 2, b=2xy. [# 1] 23. Zapište Laplaceovu rovnici u xx +u yy =0 pomocí komplexních proměnných z=x+iy a z=x iy. [# 1] Převed te do kanonického tvaru a řešte rovnice 24.x 2 u xx y 2 u yy 2yu y =0. [# 2] 25.x 2 u xx 2xyu xy +y 2 u yy +xu x +yu y =0. [# 2] III. Okrajová úloha pro obyčejné rovnice, Greenovy funkce Řešte okrajovou úlohu pro následující obyčejné diferenciální rovnice 26.(xy ) =0 x (1, ), y(1)= y 0, y je omezená pro x, [# 1] 27. y + 2 x y =0 x (1, ), y(1)= y 0, lim x y(x)=0, [# 1] 28. y =sinx x (0,2π), y(0)= y(2π). [# 1] Najděte vlastní hodnoty a vlastní funkce pro okrajové úlohy. 29. y = λy, x (0,2π), y (0)= y(2π)=0. [# 1] 30. [ (1 x 2 )y ] = λy, x ( 1,1), limx ±1 y(x) jsou vlastní. [# 3] 31. xy +(x 1)y = λy, x (0, ), přičemž existují vlastní limity lim x 0+ y(x) a lim x y(x). [# 3]

Rovnice matematické fyziky cvičení 6 Řešte okrajové úlohy. 32. y y=x(π x), y(0)= y(π)=0. [# 1] 33. y ω 2 y= f, x (0,l), y(0)= y(π)=0. [# 1] IV. Vlnová rovnice 34. Formulujte okrajovou podmínku pro levý konec polonekonečné struny, na nějž je připevněn kroužek, který klouže po tyči kolmé ke struně, v následujících situacích (a) kroužek je nehmotný a pohybuje se po tyči bez tření, [# 1] (b) kroužek má hmotnost m a pohybuje se bez tření, [# 1] (c) kroužek má hmotnost m a tření je přímo úměrné rychlosti. [# 1] Řešte vlnovou rovnici s počátečními a okrajovými podmínkami: 35.u tt u xx =0, u(0,x)=sinkx, u t (0,x)=e l x, t>0, x R. [# 1] 36.u tt u xx =0, u(t,0)=0, u(0,x)=0, u t (0,x)=coskx, t>0, x>0. [# 2] 37.u tt u xx =sinkx, u(0,x)=e lx, u t (0,x)=0, t>0, x R. [# 2] 38. Odvod te zákon zachování energie pro polonekonečnou strunu s pevným koncem. [# 3] 39.Je dán zdroj harmonických oscilací o frekvenci ω pohybující se rychlostí v<c po nekonečné struně, tj. u x=vt =sinωt. Popište oscilace struny napravo a nalevo od zdroje. Podejte fyzikální vysvětlení tohoto jevu (Dopplerův efekt). [# 4] V. Metoda integrálních transformací 40.Najděte řešení rovnice pro vedení tepla u t = u xx pro t>0 a x R vyhovující počáteční podmínce { 1 x [ l,l] u(0,x)= [# 2] 0 jinak.

Rovnice matematické fyziky cvičení 7 41.Najděte řešení rovnice pro vedení tepla u t = u xx pro t>0 a x R vyhovující počáteční podmínce 1 u(0,x)= 1+(ax) 2. 42.Najděte řešení rovnice pro vedení tepla u t = u xx pro t >0 a x >0 vyhovující počáteční podmínce u(0,x)=0 a okrajové podmínce u(t,0)=1. [# 2] 43.Najděte řešení rovnice pro vedení tepla u t = u xx pro t >0 a x >0 vyhovující počáteční podmínce u(0,x)=0 a okrajové podmínce u(t,0)= δ(t). [# 2] VI. Metoda separace proměnných 44. Řešte vlnovou rovnici pro konečnou strunu, jež je upevněna na koncích, jejíž počáteční výchylka vytváří spolu s nenapjatou polohou struny rovnostranný trojúhelník a jejíž počáteční rychlost je nulová. [# 2] 45.Řešte vlnovou rovnici pro konečnou strunu, jež je na jednom konci upevněna, na druhém volná, jejíž počáteční rychlost vytváří spolu s nenapjatou polohou struny rovnostranný trojúhelník a jejíž počáteční výchylka je nulová. [# 2] 46.Řešterovniciprovedeníteplavtenkéobručitvarukružnice,počátečníteplota vzhledem k polární souřadnici ϕ ( π,π] necht je u(o,ϕ)= { 1, ϕ ( α,α) 0. jinak. [# 3] 47. Řešte Laplaceovu rovnici u xx+u yy = 0 na čtverci (0,a) (0,b) s okrajovými podmínkami u(0,y)= Ay(b y) u(a,y)=0 u(x,0)=sin πx a u(x,b)=0. 48. Spočtěte obecně, jak bude chladnout homogenní koule za předpokladu, že počáteční rozložení teploty závisí pouze na vzdálenosti od středu koule. [# 2] 49.Řešte Laplaceovu rovnici na kruhu se středem v počátku soustavy souřadnic. Pro body (x,y) na hraniční kružnici necht platí u(x,y)=x 2 y 2. [# 2]

Rovnice matematické fyziky cvičení 8 50. Řešte Laplaceovu rovnici na vnějšku kruhu se středem v počátku soustavy souřadnic. Pro body na hraniční kružnici necht platí u(x,y)=e x+y. [# 2] 51.Řešte počáteční úlohu pro malé netlumené kmity kruhové membrány o poloměru R, jež je na okrajích upevněna(buben). Počáteční rychlost membrány necht je nulová, počáteční výchylka v polárních souřadnicích(r, ϕ) s počátkem ve středu membrány necht je ϕ (R 2 r 2 ). [# 6]