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波动方程能量动量密度证明

2025/6/19 18:40:22 来源:https://blog.csdn.net/weixin_30777913/article/details/148710153  浏览:    关键词:波动方程能量动量密度证明

题目

问题 12. 对于波动方程 u t t = c 2 u x x u_{tt} = c^2 u_{xx} utt=c2uxx 的解 u ( x , t ) u(x,t) u(x,t),能量密度定义为 e = 1 2 ( u t 2 + c 2 u x 2 ) e = \frac{1}{2} (u_t^2 + c^2 u_x^2) e=21(ut2+c2ux2),动量密度定义为 p = c u t u x p = c u_t u_x p=cutux.

(a) 证明:
∂ e ∂ t = c ∂ p ∂ x 和 ∂ p ∂ t = c ∂ e ∂ x . \frac{\partial e}{\partial t} = c \frac{\partial p}{\partial x} \quad \text{和} \quad \frac{\partial p}{\partial t} = c \frac{\partial e}{\partial x}. te=cxptp=cxe.

(b) 证明 e ( x , t ) e(x,t) e(x,t) p ( x , t ) p(x,t) p(x,t) 都满足相同的波动方程。


解答

部分 (a)

要证明 ∂ e ∂ t = c ∂ p ∂ x \frac{\partial e}{\partial t} = c \frac{\partial p}{\partial x} te=cxp ∂ p ∂ t = c ∂ e ∂ x \frac{\partial p}{\partial t} = c \frac{\partial e}{\partial x} tp=cxe,其中 e = 1 2 ( u t 2 + c 2 u x 2 ) e = \frac{1}{2} (u_t^2 + c^2 u_x^2) e=21(ut2+c2ux2) p = c u t u x p = c u_t u_x p=cutux,且 u u u 满足波动方程 u t t = c 2 u x x u_{tt} = c^2 u_{xx} utt=c2uxx。假设 u u u 的二阶偏导数连续(混合偏导数可交换,即 u t x = u x t u_{tx} = u_{xt} utx=uxt)。

步骤 1: 计算 ∂ e ∂ t \frac{\partial e}{\partial t} te
能量密度 e = 1 2 ( u t 2 + c 2 u x 2 ) e = \frac{1}{2} (u_t^2 + c^2 u_x^2) e=21(ut2+c2ux2),对 t t t 求偏导:
∂ e ∂ t = ∂ ∂ t ( 1 2 ( u t 2 + c 2 u x 2 ) ) = 1 2 ( ∂ ∂ t ( u t 2 ) + c 2 ∂ ∂ t ( u x 2 ) ) . \frac{\partial e}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial t} \left( \frac{1}{2} (u_t^2 + c^2 u_x^2) \right) = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial}{\partial t} (u_t^2) + c^2 \frac{\partial}{\partial t} (u_x^2) \right). te=t(21(ut2+c2ux2))=21(t(ut2)+c2t(ux2)).
使用链式法则:
∂ ∂ t ( u t 2 ) = 2 u t ∂ u t ∂ t = 2 u t u t t , ∂ ∂ t ( u x 2 ) = 2 u x ∂ u x ∂ t = 2 u x u x t . \frac{\partial}{\partial t} (u_t^2) = 2 u_t \frac{\partial u_t}{\partial t} = 2 u_t u_{tt}, \quad \frac{\partial}{\partial t} (u_x^2) = 2 u_x \frac{\partial u_x}{\partial t} = 2 u_x u_{xt}. t(ut2)=2uttut=2ututt,t(ux2

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