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求解微分方程的分离变量法

 形貌 2023-09-23 发布于北京

微分方程没有普适的求解析解的方法,但对于一些特殊类型的方程已经发展出了一些特殊解法,其中比较常用的一种就是分离变量法。它不仅可以求解常微分方程,还可以求解偏微分方程,因此在数学物理问题的求解中起到了非常重要的作用。

常微分方程

对于常微分方程,若可以写成

的形式,并假设关于x的函数h(x)和g(y)在区间(a,b)上连续且g(y)≠0,则称之为可分离变量方程。上述方程可以写成

这一过程称为分离变量。上式等号左边只显含y而不含x,等号右边只显含x而不含y。两边同时积分就可以得到方程的通解为

偏微分方程

对于偏微分方程,如弦振动方程

若u(x,t)可以写成关于x的一元函数和关于t的一元函数的乘积,即

那么将上式代入原来的方程就可以得到

变形得到

上式等号左边是t的一元函数而与x无关,等号右边是x的一元函数而与t无关,因此只有等号左右两边都为常数等式才能成立。令该常数为μ,则有

​从而将偏微分方程转化成了两个线性常微分方程。上述常微分方程的求解是比较容易的(
微分算子法解微分方程)。解出常微分方程理论上就可以进一步解出原来的偏微分方程

很多数学物理问题都可以用微分方程描述;而很多常见的数学物理方程都可以用分离变量法求解,例如三类重要的数学物理方程:描述振动和波动过程的波动方程、描述热传导或扩散过程的热传导方程(或扩散方程)、描述定态过程的泊松方程,以及特殊情况下量子力学中的薛定谔方程。因此学会分离变量法就可以解决不少数学物理问题。

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