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数学物理方程 第9次作业

Chasse_neige

7.计算下列积分

(a)

11Pk(x)Pl(x)dx

kl 时,利用 Legendre 多项式的正交性,积分为 0

k>l

11Pk(x)Pl(x)dx=Pk(x)Pl(x)|1111Pk(x)Pl(x)dx=Pk(1)Pl(1)Pk(1)Pl(1)=1(1)k+l

(b)

11Pl(x)(12xt+t2)3/2dx

利用生成函数,得到

x112xt+t2=lPl(x)tl

所以

t(12xt+t2)32=lPl(x)tl

所以

11Pl(x)(12xt+t2)3/2dx=11k=1Pk(x)Pl(x)tk1dx

带入上一问的结果,直接得到

11Pl(x)(12xt+t2)3/2dx=k=l+1(1(1)k+l)tk1=2tl11t2=2tl1t2

8.一半径为 a 的半球, 球面温度为 u0, 底面温度为 0. 求半球内的温度分布.

方程以及边界条件为

2u=0u|r=a=u0,u|θ=π2=0

由于问题关于 z 轴是轴对称的,所以解可以写成径向函数以及 Legendre 多项式的叠加

u(r,θ)=l(Alrl+Blrl1)Pl(cosθ)

由原点处的有界性,得到

Bl=0

所以

u(r,θ)=lAlrlPl(cosθ)

利用边界条件 u(r,π2)=0,得到解仅仅包含奇次项

u(r,θ)=lA2l+1r2l+1P2l+1(cosθ)

再利用正交性待定系数

u0=u(a,θ)=lA2l+1a2l+1P2l+1(cosθ)0π2u0P2l+1(cosθ)sinθdθπ2πu0P2l+1(cosθ)sinθdθ=A2l+1a2l+10πP2l+12(cosθ)sinθdθ

注意这个积分已经把问题进行了延拓至整个球

A2l+1=4l+32a2l+1(01u0P2l+1(x)dx10u0P2l+1(x)dx)=(1)l1a2l+1(2l)!(4l+3)22l+1l!(l+1)!

所以温度分布为

u(r,θ)=l=0(1)lr2l+1a2l+1(2l)!(4l+3)22l+1l!(l+1)!P2l+1(cosθ)

9.一半径为 b 的接地导体球壳, 内部放一均匀带电圆环, 环的半径为 a, 电量为 Q, 环心与球心重合. 试求球壳内电势分布.

取圆环轴线为 z 轴,直接猜测解为

ϕ(r,θ)={lA2lr2lP2l(cosθ)(0ra)l(B2lr2l+C2lr2l1)P2l(cosθ)(arb)

的形式,利用边界条件待定系数

对于 0ra

r2u(r,π2)r|r=ar=a+=Q2πϵ0δ(θπ2)(2la2l+1(B2lA2l)(2l+1)C2la2l)24l+1=Q2πϵ0(1)l(2l)!22l(l!)2

再利用电势连续的条件

A2la2l=B2la2l+C2la2l1

对于 arb

u(b,θ)=0

所以

B2lb2l+C2lb2l1=0

解得

A2l=Q4πϵ0P2n(0)(1a2l+1a2lb4l+1)B2l=Q4πϵ0P2n(0)a2lb4l+1C2l=Q4πϵ0P2n(0)a2l

最终得到

u(r,θ)={Q4πϵ0n=0(1)n(2n)!22n(n!)2P2n(cosθ)r2n(1a2n+1a2nb4n+1)(0r<a)Q4πϵ0n=0(1)n(2n)!22n(n!)2P2n(cosθ)(a2nr2n+1a2nr2nb4n+1)(a<r<b)

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