数学物理方程 - 12.12 高维波动方程
三维波动方程
我们接下来研究三维波动方程 Cauchy 问题:
⎩⎨⎧∂t2∂2u−a2Δu=f(x,t),ut=0=g0(x)∂t∂ut=0=g1(x)t>0,x∈R3
其中 f,g0,g1∈C3 . 这样的 Cauchy 问题方法和热传导方程类似:利用基本解进行直接求解.
设 u(x,t)=H(t)u(x,t) ,
1️⃣ 先计算出
(∂t2∂2−a2Δ)u(x,t)=F(x,t)
2️⃣ 然后利用计算结果 F(x,t) 计算得到 u(x,t)=E(x,t)∗F(x,t) ,最后令
u(x,t)=u(x,t),t>0
那么我们现在进行 1️⃣ 步,依次有
(∂t2∂2−a2Δ)u(x,t)=∂t2∂2[H(t)u(x,t)]−a2Δ[H(t)u(x,t)]=∂t[H′(t)u(x,t)+H(t)∂t∂u]−a2Δ[H(t)u(x,t)]=H(t)[utt−a2Δu]+H′′(t)u+2H′(t)ut=H(t)f(x,t)+δ′(t)u(x,t)+2δ(t)ut
下面计算广义函数 δ′(t)u(x,t) ,对任意 φ∈C0∞ 有
⟨δ′(t)u,φ⟩=(−1)⟨δ(t),∂t(uφ)⟩=(−1)⟨δ(t),utφ+uφt⟩=(−1)⟨δ(t),utφ⟩+(−1)⟨δ(t),uφt⟩=(−1)⟨δ(t)ut,φ⟩+(−1)⟨δ(t)u,φt⟩=⟨−δ(t)ut+∂t(δ(t)u),φ⟩
因此
δ′(t)u=∂t(δ(t)u)−δ(t)ut
同理我们可以计算 ∂t[δ(t)u] 以及 δ(t)ut ,有
∂t(δ(t)u)=∂t(g0(x)δ(t)),δ(t)ut=g1(x)δ(t)
最后代入有
(∂t2∂2−a2Δ)u(x,t)=H(t)f(x,t)+∂t[g0(x)δ(t)]+g1(x)δ(t)=F(x,t)
再进行 2️⃣ 步,考虑
u(x,t)=E+(x,t)∗F(x,t)=E+(x,t)∗[H(t)f(x,t)+∂t(g0(x)δ(t))]=E+(x,t)∗(H(t)f(x,t))+E+(x,t)∗[∂t(δ(t)g0(x))]+E+(x,t)∗(δ(t)g1(x))
然后又是广义函数的计算,分别计算可得
E+(x,t)∗[∂t(δ(t)g0(x))]=∂t(E+(x,t)∗g0(x))E+(x,t)∗(δ(t)g1(x))=E+(x,t)∗g1(x)
代回有
E+(x,t)∗F(x,t)=E+(x,t)∗[H(t)f(x,t)]+∂t(E+(x,t)∗g0(x))+E+(x,t)∗g1(x)=I1+I2+I3
接下来的计算更是又臭又长:
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