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@RogerLuo 2015-03-03T14:48:30.000000Z 字数 3109 阅读 565

波动方程的推导

数学物理方法


因为对于波动方程书上和大家已经给了利用微元法推导的过程,我换用上学期潘老师讲的连续体系拉格朗日力学来得到波动方程。(图是盗的,和写的有点不一样)

首先建立一个离散的模型,如图:

N个弹簧振子

记u(x,t)为位于x位置的弹簧振子偏离平衡位置的距离,其质量为m,用劲度系数为k的弹簧相连

u(x0+ih,t)(x=x0+ih):

Li=12m(u(x0+ih,t)t)212k(u(x0+(i+1)h,t)u(x0+ih,t))2+12k(u(x0+ih,t)u(x0+(i1)h,t))2

系统的拉格朗日量就为:
L=iLi

对于连续体系(如一根弦),让h趋近于0可以得到拉格朗日密度:
k=NK,N=lh,m=MN=Mhl

L˜=limh0,nLi=12Mhl(ut)212lKh[(u(x0+ih,t)(x0+ih))2(u(x0+(i1)h,t)(x0+(i1)h))2]

=Mh2l((u(x,t)t)2Kl2M[(u(x0+ih,t)(x0+ih))2(u(x0+(i1)h,t)(x0+(i1)h))2]h)

=Mh2l((u(x,t)t)2Kl2M(u(x,t)t)2)

=[12ρ(u(x,t)t)212Kl(u(x,t)x)2]dx

故系统的拉格朗日量为
L=l0L˜dx=l0[12ρ(u(x,t)t)212Kl(u(x,t)x)2]dx

由最小作用量原理,应有
δLdt=δl0L˜(q,qt,qx,t)dxdt

=l0[L˜qδq+L˜(qt)tδq+L˜(qx)xδq]dxdt

对时间空间分部积分:

δBALdt=l0[L˜(qt)δq]BAdx+BA[L˜(qx)δq]x2x1dt+BAl0[L˜qtL˜(qt)xL˜(qx)]δqdxdt=0

L˜qtL˜(qt)xL˜(qx)=0

带入可得波动方程:
2ut2Kl2M2ux2=0

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