- •1.Уравнение в частных производных
- •2.Основные типы уравнений
- •3.Линейное однородное ду в частных производных первого порядка
- •4.Вывод уравнения колебаний струны методом Фурье
- •5.Задачи Коши
- •6.Решение уравнений колебаний струны методом Фурье
- •7.Решение волнового уравнения методом д′Аламбера
- •8.Уравнение теплопроводности для однородного стержня
- •9.Уравнение теплопроводности в пространстве
- •10.Распростронение тепла в неограниченном стержне. Интервал Пуасснова
- •11.Задачи приводящие к уравнению Лапласа
- •12.Задачи Неймана и Дирихле
- •Внешняя задача Неймана
- •13.Решение задачи Дирихле для уравнения Лапласа в круге методом Фурье
- •14.Случайное событие. Относительная частота случайного события. Вероятность события.
- •15.Теорема я.Бернулли
- •16.Совместные и несовместимые события. Полная группа парами несовместимых событий
- •17.Геометрическая интерпретация событий
- •18.Операции над событиями
- •19.Аксиомотическое определение вероятности
- •20.Теорема о сложении вероятностей. Примеры
- •21.Геометрическая интерпретация вероятностей. Вывод формулы для суммы совместимых событий
- •22.Умножение вероятностей
- •23.Условная вероятность
- •Определение
- •Замечания
- •24.Полная вероятность. Формула Байеса
- •25.Дискретные случайные величины и их характеристики
- •26.Относительная частота и вероятность для дискретных случайных величин
- •27.Математическое ожидание дискретной случайной величины
- •28.Дисперсия, средневековое отклонение, моменты дискретной случайной величины
- •Определение
- •Замечания
- •Свойства
- •29.Непрерывные случайные величины. Функция распределения и плотности вероятности
- •30.Теорема о связи функции распределения с плотностью вроятности
- •31.Интегральный закон распределения. Интегральная кривая
- •32.Числовые характеристики непрерывных случайных величин
- •33.Медиана и мода
- •34.Нормальный закон распределения
- •35.Медиана и мода нормального закона распределения
- •36.Интеграл вероятностей
- •37.Свойства интеграла вероятностей
- •38.Функция Лапласа
- •39.Среднее отклонение и средняя ошибка
- •40.Приведенная функция Лапласа
- •41.Правило трех сигм
- •42.Закон больших чисел. Предельные теоремы
- •43.Задачи математической статистики. Выборка, эмпирическая функция распределения
- •44.Статистический ряд и гистограмма
- •45.Среднее взвешенное и статистическая дисперсия
- •46.Точечные оценки
- •47.Распределение Пуасона
- •48.Распределение Стьюдента
- •49.Основные свойства точечной оценки
- •50.Исправленная выборочная дисперсия
- •51.Стандартная ошибка среднего арифметического
- •52.Интервальные оценки параметров распределения
- •53.Доверительный интервал, границы
- •54.Проверка статистических гипотез
- •55.Корреляционный анализ
- •56.Регрессионный анализ
8.Уравнение теплопроводности для однородного стержня
Рассмотрим однородный стержень длины . Будем предполагать, что боковая поверхность стержня теплонепроницаема и что во всех точках поперечного сечения стержня температура одинакова. Изучим процесс распространения тепла в стержне.
Расположим ось Ох так, что один конец стержня будет совпадать с точкой х=0, а другой – с точкой х = .
Пусть u (x, t) – температура в сечении стержня с абсциссой х в момент t. Опытным путем установлено, что скорость распространения тепла, т. е. количество тепла, протекающего через сечение с абсциссой х за единицу времени, определяется формулой
(1)
где S – площадь сечения рассматриваемого стержня, k – коэффициент теплопроводности.
Рассмотрим элемент стержня, заключенный между сечениями с абсциссами х1 и х2 (х2 – х1 = х). Количество тепла, прошедшего через сечение с абсциссой х1 за время t, будет равно
(2)
то же самое с абсциссой х2:
(3)
Приток Q1 - Q2 в элемент стержня за время t будет равняться:
(4)
Этот приток тепла за время t затратился на повышение температуры элемента стержня на величину u: Или (5) где с – теплоемкость вещества стержня, – плотность вещества стержня ( xS – масса элемента стержня).
Приравнивая выражения (4) и (5) одного и того же количества тепла , получим:
Это и есть уравнение распространения тепла (уравнение теплопроводности) в однородном стержне.
Чтобы решение уравнения (6) было вполне определено, функция u (x, t) должна удовлетворять краевым условиям, соответствующим физическим условиям задачи. Краевые условия для решения уравнения (6) могут быть различные. Условия, которые соответствуют так называемой первой краевой задаче для , следующие:
u (x, 0) = φ(x), (7)
u (0, t) = ψ1(t), (8)
u ( , t) = ψ2(t). (9)
Физическое условие (7) (начальное условие) соответствует тому, что при в разных сечениях стержня задана температура, равная φ(x). Условия (8) и (9) (граничные условия) соответствуют тому, что на концах стержня при х = 0 и при х = поддерживается температура, равная ψ1(t) и ψ2(t) соответственно.
Доказывается, что уравнение (6) имеет единственное решение области , удовлетворяющее условиям (7) – (9).
9.Уравнение теплопроводности в пространстве
При построении математической модели распространения тепла в стержне сделаем следующие предположения:
1) стержень сделан из однородного проводящего материала с плотностью ρ; 2) боковая поверхность стержня теплоизолирована, то есть тепло может распространяться только вдоль оси ОХ; 3) стержень тонкий - это значит, что температура во всех точках любого поперечного сечения стержня одна и та же.
Рассмотрим часть стержня на отрезке [х, х + ∆х] (см. рис. 6) и воспользуемся законом сохранения количества тепла:
Общее количество тепла на отрезке [х, х + ∆х] = полному количеству тепла, прошедшему через границы + полное количество тепла, образованного внутренними источниками.
Общее количество тепла, которое необходимо сообщить участку стержня, чтобы повысить его температуру на ∆U, вычисляется по формуле: ∆Q= CρS∆x∆U, где С - удельная теплоемкость материала ( = количеству тепла, которое нужно сообщить 1 кг вещества, чтобы поднять его температуру на 1°), S - площадь поперечного сечения.
Количество тепла, прошедшее через левый конец участка стержня за время ∆t (тепловой поток) вычисляется по формуле: Q1 = -kSUx(x, t)∆t, где k - коэффициент теплопроводности материала ( = количеству тепла, протекающего в секунду через стержень единичной длины и единичной площади поперечного сечения при разности температур на противоположных концах, равной 1°). В этой формуле особого пояснения требует знак минус. Дело в том, что поток считается положительным, если он направлен в сторону увеличения х, а это, в свою очередь, означает, что слева от точки х температура больше, чем справа, то есть Ux < 0. Следовательно, чтобы Q1 был положительным, в формуле стоит знак минус.
Аналогично, тепловой поток через правый конец участка стержня вычисляется по формуле: Q2 = -kSUx(x +∆x,t)∆t.
Если предположить, что внутренних источников тепла в стержне нет, и воспользоваться законом сохранения тепла, то получим:
∆Q = Q1 - Q2 => CpS∆x∆U = kSUx(x + ∆х, t) ∆t - kSUx(x, t)∆t.
Если это равенство поделить на S∆x∆t и устремить ∆х и ∆t к нулю, то будем иметь:
так как
Отсюда уравнение теплопроводности имеет вид
Ut = a2Uxx,
где - коэффициент температуропроводности.
В случае, когда внутри стержня имеются источники тепла, непрерывно распределенные с плотностью q(x,t), получится неоднородное уравнение теплопроводности
Ut = a2Uxx + f(x,t),
где