21章:微分方程式への応用(2)
作成2011.01.30
偏微分方程式の解(例1)
下記に示すような多変数の関数は、微分すると偏微分となります。

(下記に示す偏微分方程式が与えられた時の解f(x,t)を求める。

t=0の時の初期条件を下記とする。

(21.2)式をラプラス変換すると

(21.3)式の初期条件を(21.4)式に代入して整理すると

逆変換をおこなうと

となる。
偏微分方程式の解(例2)
下記に示す偏微分方程式が与えられた時の解f(x,t)を求める。

初期条件は下記とする

(21.10)式をラプラス変換すると

(21.11)式を代入して整理すると

(21.14)式は微分して関数形が変化しないので、下記の指数関数が解となる。

(21.15)式において、C(s)はsの関数である。
X=0とすると(21.15)式は

従って

よって

逆変換は

従って

となります。
偏微分方程式の解(例3)
図21-1に示す弦の変位を表す方程式は下記の偏微分方程式となります。

境界条件

(21.30)式をラプラス変換すると

境界条件をいれると

(21.36)式は下記のように書き換えることができる。

ここで下記式の特殊解を求めます。

ここで

(21.38)式に(21.39)式と(21.40)式を代入して整理すれば、

従って

同様にして

も特殊解となります。
最後の特殊解は下記式を代入して求めます。

(21.37)式に(21.45)式と(21.46)式を代入して

従って

従って

境界条件

から

(21.51)式と(21.52)式を満足する定数は

従って

(21.54)式をラプラス逆変換すると

これが求める解である。
(21.55)式において、aが大きく、弦の長さが短いほど高周波振動となる。
後書き
複素数や複素関数は概念的に理解しにくいですが、2次以上の方程式を解くために
複素数が必要となります。
また、微分方程式を解くために複素関数が必要となります。
そして、ラプラス変換・ラプラス逆変換を使用すると、微分方程式を鮮やかに解くことが
できます。
偏微分方程式の解においては、ラプラス変換・ラプラス逆変換法と代入法を併用して
解を求めていますが、代入法と比較してラプラス変換・ラプラス逆変換法は鮮やかです。
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