21章:微分方程式への応用(2)

    作成2011.01.30
  1. 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。



  2. 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。


  3. 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。



  4. 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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