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:
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
写出中间u(x0+ih,t)一个振子的拉格朗日量(x=x0+ih):
Li=12m(∂u(x0+ih,t)∂t)2−12k(u(x0+(i+1)h,t)−u(x0+ih,t))2+12k(u(x0+ih,t)−u(x0+(i−1)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=N⋅K,N=lh,m=MN=M⋅hl
L˜=limh→0,n→∞Li=12M⋅hl(∂u∂t)2−12l⋅Kh[(∂u(x0+ih,t)∂(x0+ih))2−(∂u(x0+(i−1)h,t)∂(x0+(i−1)h))2]
=M⋅h2l((∂u(x,t)∂t)2−Kl2M[(∂u(x0+ih,t)∂(x0+ih))2−(∂u(x0+(i−1)h,t)∂(x0+(i−1)h))2]h)
=M⋅h2l((∂u(x,t)∂t)2−Kl2M⋅(∂u(x,t)∂t)2)
=[12ρ(∂u(x,t)∂t)2−12Kl(∂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)2−12Kl(∂u(x,t)∂x)2]dx
由最小作用量原理,应有
δ∫Ldt=δ∫∫l0L˜(q,∂q∂t,∂q∂x,t)dxdt
=∫∫l0[∂L˜∂qδq+∂L˜∂(∂q∂t)∂∂tδq+∂L˜∂(∂q∂x)∂∂xδq]dxdt
对时间空间分部积分:
δ∫BALdt=∫l0[∂L˜∂(∂q∂t)δq]BAdx+∫BA[∂L˜∂(∂q∂x)δq]x2x1dt+∫BA∫l0[∂L˜∂q−∂∂t∂L˜∂(∂q∂t)−∂∂x∂L˜∂(∂q∂x)]δqdxdt=0
⇒∂L˜∂q−∂∂t∂L˜∂(∂q∂t)−∂∂x∂L˜∂(∂q∂x)=0
带入可得波动方程:
∂2u∂t2−Kl2M∂2u∂x2=0