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【趣味數(shù)學題】熱核

2021-11-03 19:39 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

鄭濤(Tao Steven Zheng)著

【問題】

證實正態(tài)分布(normal distribution)

%20u(x%2Ct)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%20%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D

滿足熱傳導方程(heat equation)[1] %20u_t%20%3D%20k%20u_%7Bxx%7D%20k 是常數(shù), t%3E0), 以初始條件為 u(x%2C0)%3D%5Cdelta(x)%20,其中 %5Cdelta(x) 狄拉克δ函數(shù)(Dirac delta function)[2]。


[1] 熱傳導方程(heat equation)%20u_t%20%3D%20k%20u_%7Bxx%7D%20 相等于 %5Cfrac%7B%5Cpartial%20u%7D%7B%5Cpartial%20t%7D%20%3D%20k%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%5E2u%7D%7B%5Cpartial%20x%5E2%7D。

[2] 狄拉克δ函數(shù)(Dirac delta function)定義為 %5Cdelta(x)%3D%5Cbegin%7Bcases%7D%20%0A%5Cinfty%2C%20%5Cquad%20x%3D0%20%5C%5C%0A0%2C%20%5Cquad%20x%20%5Cne%200%0A%5Cend%7Bcases%7D。

正態(tài)分布

【題解】

%20u(x%2Ct)對于 t一階偏導數(shù) (first partial derivative):

%20u_t%20%3D%20%5Cfrac%7B-1%7D%7B2t%5Csqrt%7B4%20%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%5Cpi%20kt%7D%7D%5Cleft(%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%5E2%7D%5Cright)%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D

u_t%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B-1%7D%7B2t%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%5E2%7D%5Cright)%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D

%20u(x%2Ct)對于 x一階偏導數(shù) (first partial derivative):

u_x%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B-2x%7D%7B4kt%7D%5Cright)%20%5Cexp%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D

%20u(x%2Ct)對于 x二階偏導數(shù) (second partial derivative):

u_%7Bxx%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B-1%7D%7B2kt%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4k%5E2t%5E2%7D%5Cright)%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D%20

因此,

ku_%7Bxx%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cleft(%5Cfrac%7B-1%7D%7B2t%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%5E2%7D%5Cright)%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D


熱傳導方程 %20u_t%20%3D%20ku_%7Bxx%7D兩側是相等的!

狄拉克δ函數(shù)實際上是一個分布(distribution),而不是一個函數(shù)(分布可以說是比較廣義的函數(shù))。事實上,該分布可以用極限來定義

?%5Clim_%7Bt%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B4%20%5Cpi%20kt%7D%7D%20%5Cexp%7B%5Cleft(-%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7B4kt%7D%5Cright)%7D%3D%20%5Cdelta%20(x)%20

所以,狄拉克δ函數(shù)(Dirac delta function)自動滿足初始條件 u(x%2C0)%3D%5Cdelta(x)%20。

狄拉克δ函數(shù)




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