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  • 1 # 鄭綺微

    方程形式

    對於一個標量u的波動方程的一般形式。

    這裡c通常是一個固定常數,也就是波的傳播速率(對於空氣中的聲波大約是330米/秒,參看音速)。對於弦的振動,這可以有很大的變化範圍:在螺旋彈簧上(slinky),它可以慢到1米/秒。但若c作為波長的函式改變,它應該用相速度代替。

    注意波可能疊加到另外的運動上(例如聲波的傳播在氣流之類的移動媒介中)。那種情況下,標量u會包含一個馬赫因子[1](對於沿著流運動的波為正,對於反射波為負)。

    u=u(x,t),是振幅,在特定位置x和特定時間t的波強度的一個測量。對於空氣中的聲波就是區域性氣壓,對於振動弦就使從靜止位置的位移。\nabla^2是相對於位置變數x的拉普拉斯運算元。注意u可能是一個標量或向量。

    段解及條件

    對於一維標量波動方程的一般解是由達朗貝爾給出的:u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)其中F和G為任意函式,分別對應於前進行波,和後退行波。要決定F和G必須考慮兩個初始條件:

    u(x,0)=f(x)

    u_{,t}(x,0)=g(x)

    這樣達朗貝爾公式變成了:

    u(x,t)=\frac{f(x-ct)+f(x+ct)}+\frac\int_^{x+ct}g(s)ds

    在經典的意義下,如果f(x)\inC^k並且g(x)\inC^則u(t,x)\inC^k。

    一維情況的波動方程可以用如下方法推導:想象一個質量為m的小質點的佇列,互相用長度h的彈簧連線。彈簧的硬度為k,這裡u(x)測量位於x的質點偏離平衡位置的距離。對於位於x+h的質點的運動方程,其中u(x)的時間依賴性變成顯式的了。

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