有邊界區域的波,是無限數目的波的疊加(傅利葉級數)。我們也會遇到另外的一種無限數目的疊加–能量級數。他們在現實的工程和物理應用中經常用到。除了在鼓膜上描述振動,他們也存在於流體問題和量子理論。
在我們課程的最後,我們使用能量級數來解決氫原子問題,這些能量技術有可分離的變數。我們也會使用我們的解來梗概電子的軌道。
分離變數法是很有用的工具當我們解決域是簡單的形狀時,例如長方形或者圓。但我們仍需要更加高階的技術,比如能量級數。
對於無限域的情形,例如3d壓縮波,這些波遵循這樣的方程
這裡u(x,y,z,t)是空氣在(x,y,z)點的壓縮/伸縮量。為了解決這個問題,我們需要新的工具,傅利葉變換。
傅利葉變換與隨機遊走方程
傅利葉變換把乙個pde(偏微分方程)變成乙個簡單的普通微分方程。當域是所有的空間,且未知的u在無窮點消失時,這個方法更加有效。
考慮drunkard』s walk. jack嘗試從酒吧回家,但是他從現在的位置會隨機的向左或者向右。如果x=0是他的起始位置,u(x,t)是他在t時刻在x位置的概率。
u是遵循擴散方程的:
假設x的範圍是非常大的[-infinite,infinite],那麼在無窮的邊界處,
既然在x->infinite時,u->0,擴散方程就是乙個perfect candidate for 傅利葉變換。
簡單來說,傅利葉變換f 可以將d/dx 變為 iw
那麼,醉漢的微分方程可以變為:
推導過程:
傅利葉變換後的方程是非常容易解決的,得到:
一般來說,從傅利葉變換求原來的表示式,是比較複雜的。不過很幸運,上述的表達跟乙個已知的表示式很像,
對照,代換,可以到的u的表示式子:
結果分析
這是乙個一維模型,只有x。
python隨機漫步 Python 隨機漫步
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