理学数理方程第二章
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数理方程第讲
18
因为(x),(x)是定义在[0,l]上的函数, 所以只
要选取 Cn 为(x)的傅立叶正弦级数展开式的
系数,
n
l
a
Dn为(x)的傅里叶正弦级数展开
式的系数, 就是
Cn
2 l
l(x)sin n
0
l
x d x,
Dn
2
n a
l
(x)sin
n
xdx
0
l
(2.12)
初始条件(2.3)就能满足. 以上式确定的 Cn,Dn 代入(2.11)式即得原定解问题的解.
19
例 1 设有一根长为 10 的弦, 两端固定, 初速
为零, 初位移为(x) x(10 - x) , 求弦作微小
1000 横向振动时的位移. 解 设位移函数为 u(x,t), 它是定解问题
2u ut|x20
a2 0,
2u x2 ,0 x u |x10 0,t
10,t 0,
0,
的解
u
1
第二章 分离变量法 §2.1 有界弦的自由振动
2
在高等数学中我们知道一个普通的函数f(x)经 常能够展开成级数. 例如, 幂级数的形式就是:
f(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+ 其中无穷多个函数v0(x)=1, v1(x)=x, v2(x)=x2, , 等等, 构成了级数展开的一个函数系. 而三角级数的形式就是
即X(x)0, 不符合非零解的要求, 因此l不能小
于零.
11
2º设l=0, 此时方程(2.5)的通解为
X(x)=Ax+B,
由条件(2.6)还是得A=B=0, 所以l也不能等于
零
(完整版)数理方程第二章 非齐次方程的解法-4
（1） （2） （3）
深圳大学电子科学与技术学院
强迫弦振动
由于相应的齐次问题 1.齐次方程；2. u x0 0
函数集为
sin
n
L
x
n 1, 2, 3,
u 0 xL
的本征
故将现在的非齐次定解问题的解按该本征函数集
展开,而展开系数是时间 t 的函数:
代入(1):
v(x, t)
p11
1( p)
1 p2
, 2 ( p)
1 p 1
1 (t) t, 2 (t) et
t
(t) 1(t) 2 (t) 1( )2 (t ) d
0
t
et d 1 t et
0
初值问题
Tn(t
)
na
L
2
Tn (t)
fn (t)
0
Tn (0) 0, Tn '(0) 0
（7） （8）
对(7)式两边作拉氏变 换，给出代数方程：
p2Tn ( p)
na
L
2
Tn
(
p)
fn ( p)
0
Tn ( p)
fn ( p)
求解初值问题：
Tn(t)
na
L
2
Tn
(t
)
fn (t)
0
Tn (0) 0, Tn '(0) 0
（7） （8）
这个初值问题可用 拉普拉斯变换方法
求解
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数理方程第二章分离变量法
解的唯一性
分离变量法得到的解可能不唯一，有时需要额外的条件或参数才能 确定唯一解。
数值稳定性
分离变量法在数值实现时可能存在数值稳定性问题，如数值误差的 累积和扩散等，需要采取适当的措施进行控制和校正。
06
CATALOGUE
分离变量法的改进与拓展
改进方向一：提高求解精度
数值稳定性
通过改进数值算法，提高求解过程中数值的稳定性， 减少误差的传播和累积。
原理推导
01
首先，将偏微分方程中的多个变量分离出来，使方程变为一个 关于各个变量的常微分方程。
02
然后，对每个常微分方程分别求解，得到各个变量的解。
最后，将各个变量的解代回原偏微分方程，得到整个问题的解
03 。
原理应用
在物理学中，分离变量法广泛应用于求解具有多个独立变量的偏微分方程 ，如波动方程、热传导方程等。
高阶近似方法
研究高阶近似方法，以更精确地逼近真实解，提高求 解精度。
自适应步长控制
引入自适应步长控制策略，根据解的精度要求动态调 整步长，提高求解精度。
改进方向二：拓展应用范围
复杂边界条件
研究如何处理更复杂的边界条件，使得分离变 量法能够应用于更广泛的数理方程问题。
多维问题
将分离变量法拓展到多维问题，以解决更复杂 的数学模型。
04
CATALOGUE
分离变量法的实例
实例一：一维波动方程的分离变量法
总结词
通过将一维波动方程转化为常微 分方程，分离变量法能够简化求 解过程。
详细描述
一维波动方程是描述一维波动现 象的基本方程，通过分离变量法 ，我们可以将该方程转化为多个 常微分方程，从而逐个求解，得 到波动问题的解。
数学表达式
分离变量法得到的解可能不唯一，有时需要额外的条件或参数才能 确定唯一解。
数值稳定性
分离变量法在数值实现时可能存在数值稳定性问题，如数值误差的 累积和扩散等，需要采取适当的措施进行控制和校正。
06
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分离变量法的改进与拓展
改进方向一：提高求解精度
数值稳定性
通过改进数值算法，提高求解过程中数值的稳定性， 减少误差的传播和累积。
原理推导
01
首先，将偏微分方程中的多个变量分离出来，使方程变为一个 关于各个变量的常微分方程。
02
然后，对每个常微分方程分别求解，得到各个变量的解。
最后，将各个变量的解代回原偏微分方程，得到整个问题的解
03 。
原理应用
在物理学中，分离变量法广泛应用于求解具有多个独立变量的偏微分方程 ，如波动方程、热传导方程等。
高阶近似方法
研究高阶近似方法，以更精确地逼近真实解，提高求 解精度。
自适应步长控制
引入自适应步长控制策略，根据解的精度要求动态调 整步长，提高求解精度。
改进方向二：拓展应用范围
复杂边界条件
研究如何处理更复杂的边界条件，使得分离变 量法能够应用于更广泛的数理方程问题。
多维问题
将分离变量法拓展到多维问题，以解决更复杂 的数学模型。
04
CATALOGUE
分离变量法的实例
实例一：一维波动方程的分离变量法
总结词
通过将一维波动方程转化为常微 分方程，分离变量法能够简化求 解过程。
详细描述
一维波动方程是描述一维波动现 象的基本方程，通过分离变量法 ，我们可以将该方程转化为多个 常微分方程，从而逐个求解，得 到波动问题的解。
数学表达式
数理方程课件2.2
n 1
ny 0 b
ny C0 Cn Dn cos 0 b n 1
一个无穷级数等于零，说明各项系数均为零。
因此：
C0 0, Cn Dn 0 (n 1, 2,).
na na n b b Cn e Dn e Ay 得： D0 a cos b y Ay n 1
的值代入式(2.2.4)： X ( x) X ( x) 0
解得
X 0 C0 D0 x
n 0
Dn e
nx b
X n ( x) Cn e
nx b
(n 1,2, )
0
Y0 ( y) A0
0
X 0 C0 D0 x n Yn ( y ) An cos y (n 1, 2,) nx b nx X n ( x) Cn e b Dn e b (n 1,2, )
例：带电云与大地之间的静电场近似匀强静电场，其电场强度 E0 是 铅垂的．水平架设的输电线处在这个静电场中．输电线是导体圆 柱．柱面由于静电感应出现感应电荷，圆柱附近的静电场也就不再是 匀强的了．不过，离圆柱“无限远”处的静电场仍保持匀强，现研究 导体圆柱怎样改变了匀强静电场（即讨论导线附近的电场分布）．
得：
( 2 ) ( )
本征值问题：
'' 0, ( 2 ) ( )
1） 0
微分方程的通解是: ( ) Ae 不具周期性，所以舍去。 2） 0 微分方程的通解是: B=0时具周期性。 3） 0 微分方程的通解是:
故问题的一般解为：
u ( x, y ) X 0 ( x)Y0 ( y ) X n ( x)Yn ( y )
ny 0 b
ny C0 Cn Dn cos 0 b n 1
一个无穷级数等于零，说明各项系数均为零。
因此：
C0 0, Cn Dn 0 (n 1, 2,).
na na n b b Cn e Dn e Ay 得： D0 a cos b y Ay n 1
的值代入式(2.2.4)： X ( x) X ( x) 0
解得
X 0 C0 D0 x
n 0
Dn e
nx b
X n ( x) Cn e
nx b
(n 1,2, )
0
Y0 ( y) A0
0
X 0 C0 D0 x n Yn ( y ) An cos y (n 1, 2,) nx b nx X n ( x) Cn e b Dn e b (n 1,2, )
例：带电云与大地之间的静电场近似匀强静电场，其电场强度 E0 是 铅垂的．水平架设的输电线处在这个静电场中．输电线是导体圆 柱．柱面由于静电感应出现感应电荷，圆柱附近的静电场也就不再是 匀强的了．不过，离圆柱“无限远”处的静电场仍保持匀强，现研究 导体圆柱怎样改变了匀强静电场（即讨论导线附近的电场分布）．
得：
( 2 ) ( )
本征值问题：
'' 0, ( 2 ) ( )
1） 0
微分方程的通解是: ( ) Ae 不具周期性，所以舍去。 2） 0 微分方程的通解是: B=0时具周期性。 3） 0 微分方程的通解是:
故问题的一般解为：
u ( x, y ) X 0 ( x)Y0 ( y ) X n ( x)Yn ( y )
数理方程第2章波动方程
π
2π sin x,"" l
kπ 2 π 1,cos l x, cos x,""cos l l
π
x,"
是[0, l]上的正交函数列
⎧l , m=n≠0 ⎪ l mπ nπ ⎪2 = cos cos ∫0 l x l xdx ⎨ l m = n = 0 ⎪ ⎪ ⎩0 m≠n
17
例：
2 ⎧ ∂ 2u u ∂ 2 = , t > 0, 0 < x < l a ⎪ ∂t 2 2 ∂x ⎪ ⎪ u (0, t ) = u ( l , t ) = 0, ⎨ ⎪ u ( x , 0) = x ( l − x ), ⎪ 2π x ⎪ u t ( x , 0) = sin l ⎩
kπ X k ( x) = Bk sin x l
所以定解问题的级数形式解为
u ( x, t ) = ∑ X k ( x)Tk (t )
k =1
kπ a kπ a ⎞ kπ ⎛ t + bk sin t ⎟ sin x = ∑ ⎜ ak cos l l ⎠ l k =1 ⎝ ak =Bk Ck ,bk =Bk Dk .
8π at 8π x u ( x, t ) = 3cos sin sin + 5 cos l l l l
π at
πx
23
• 其它边界条件的混合问题
2 ⎧ ∂ 2u u ∂ 2 x ∈ (0, l ), t > 0 ⎪ ∂t 2 = a ∂x 2 , ⎪ ⎪ ⎨u ( x, 0) = ϕ ( x), ut ( x, 0) = ψ ( x), x ∈ [0, l ] ⎪u (0, t ) = u (l , t ) = 0, t≥0 x x ⎪ ⎪ ⎩
数理方程-第1章第2章-研究生ppt课件
张力为 F T(x,t),F T(x d x,t)与x轴夹角为 1 , 2 . 用 表
示单位长度弦的质量，则长为dx的一小段弦的质量为
d x。u t t 是弦的加速度，及单位长度弦上所受的外力
大小为F(x,t).
16
则根据牛顿第二定律，有
dxuttF T,x dxsin2F T,xsin1F (x,t)dx. F T,xdxcos2F T,xcos10.
uyyuxxA2uxB2uyC2uD2,
双曲型方程的第一标准形和第二标准形。
方程 标准形。
uyy A3uxB3uy C3uD3, 称为抛物型方程的
uxx A4uxB4uy C4uD4,
方程 u x x u y y A 5 u x B 5 u y C 5 u D 5 ,称为椭圆型方程的 标准形。
11
2
2i
变量方程（1）化为标准形 u u A u B u C u D ,
其中A,B,C,D都是 , 的已知函数。
13
第三节 经典方程的导出
一、方程的建立 1、弦振动方程（一维）； 2、热传导方程（一维）；
14
弦的振动方程的导出
（考察一根均匀柔软的细弦，平衡时沿ox轴绷紧） 考察一根长为l的细弦，给定弦的一个初始位移和初始 速度，弦作横振动，确定弦上各点的运动规律。
未知函数u的偏导数。
5
定义：偏微分方程中未知函数的最高阶偏导数的阶 数称为偏微分方程的阶。
定义：如果一个偏微分方程对于未知函数及其各阶 偏导数都是一次的，其系数仅依赖于自变量，就称 为线性偏微分方程。
二阶线性偏微分方程的一般形式：
i,n j1aijx i2 u xj i n1bi x ui cuf(x1, ,xn).
示单位长度弦的质量，则长为dx的一小段弦的质量为
d x。u t t 是弦的加速度，及单位长度弦上所受的外力
大小为F(x,t).
16
则根据牛顿第二定律，有
dxuttF T,x dxsin2F T,xsin1F (x,t)dx. F T,xdxcos2F T,xcos10.
uyyuxxA2uxB2uyC2uD2,
双曲型方程的第一标准形和第二标准形。
方程 标准形。
uyy A3uxB3uy C3uD3, 称为抛物型方程的
uxx A4uxB4uy C4uD4,
方程 u x x u y y A 5 u x B 5 u y C 5 u D 5 ,称为椭圆型方程的 标准形。
11
2
2i
变量方程（1）化为标准形 u u A u B u C u D ,
其中A,B,C,D都是 , 的已知函数。
13
第三节 经典方程的导出
一、方程的建立 1、弦振动方程（一维）； 2、热传导方程（一维）；
14
弦的振动方程的导出
（考察一根均匀柔软的细弦，平衡时沿ox轴绷紧） 考察一根长为l的细弦，给定弦的一个初始位移和初始 速度，弦作横振动，确定弦上各点的运动规律。
未知函数u的偏导数。
5
定义：偏微分方程中未知函数的最高阶偏导数的阶 数称为偏微分方程的阶。
定义：如果一个偏微分方程对于未知函数及其各阶 偏导数都是一次的，其系数仅依赖于自变量，就称 为线性偏微分方程。
二阶线性偏微分方程的一般形式：
i,n j1aijx i2 u xj i n1bi x ui cuf(x1, ,xn).
数理方程总结完整版
此方程的特征函数和特征值分别为：
②“左一右二”齐次边界条件的齐次方程： 2 2u u 2 a , 0 x l , t 0, 2 2 t x u | x 0 0, u | x l 0, t 0, x 1 1 1 则
u ( x, t ) (Cn cos
sin
(n 1/ 2) x l
③：“左二右一”齐次边界条件的齐次方程：
2 u 2 u a , 0 x l , t 0, 2 t x 0, x
则u(x,t)= Cne
n 1
③“左二右一”的齐次边界条件的齐次方程：
2 2u 2 u a , 0 x l , t 0, 2 2 t x u | x 0 0, u | x l 0, t 0, x 1 1
则
2 2 ( n 1/ 2) ( n 1/ 2) 2 此方程的特征函数和特征值分别为： X ( x) cos x, = = , n 1,2,3... 2 l l
②：“左一右二”齐次边界条件的齐次方程：
2 u u 2 a , 0 x l , t 0, 2 t x u | x 0 0, u | x l 0, t 0, x
则u(x,t)= Cne
n 1
a 2 ( n1/2 )2 2 t l2
(n ) a (n ) a (n ) 2 2 2 u ( x, t ) (Cn cos t Dn sin t ) cos x l l l n 1
1
④“左二右二”的齐次边界条件的齐次方程：
2 2u 2 u a , 0 x l , t 0, 2 t 2 x u | x 0 0, u | x l 0, t 0, x x
数理方程第二章(1)
特点：方程和边界条件都是线性齐次的. 特点：方程和边界条件都是线性齐次的.
(2.1) (2.2) ( 2.3)
思路：运用叠加原理。先寻找齐次方程(2.1)的满 思路：运用叠加原理。先寻找齐次方程(2.1)的满 叠加原理 (2.1) 足边界条件(2.2)的足够多个具有简单形式( (2.2)的足够多个具有简单形式 足边界条件(2.2)的足够多个具有简单形式(变量被 分离)的特解, 分离)的特解, 再对它们作线性组合使得线性组合 满足初始条件(2.3) (2.3)。 满足初始条件(2.3)。 思路的物理背景：乐器发出的声音可以分解成不同 思路的物理背景： 频率的单音。每种单音在振动时形成正弦曲线， 频率的单音。每种单音在振动时形成正弦曲线，其 振幅依赖于时间 t ，即每个单音可表示为
∫ ∫
π π
－π
1 ⋅ cos nxdx = ∫ 1⋅ sin nxdx =0, n = 1, 2,L ,
－π
π
－π
cos nx ⋅ sin mxdx = ∫
π
－π
cos nx ⋅ cos mxdx = n ≠ m.
∫
π
－π
sin nx ⋅ sin mxdx =0,
f ( x) 为 [−π , π］ 上可积的以 2π 为周期的函数。
令 y = e λ x 代入方程有 λ 2 + pλ + q = 0,
−p+ p 2 − 4q − p − p 2 − 4q , λ2 = 2 2
λ1 =
λ 2 + pλ + q = 0
(1) p 2 − 4q > 0 时，y = C1e λ1 x + C 2e λ2 x ; (2) p 2 − 4q = 0 时，y = (C1 + C 2 x )e λ1 x ;
(2.1) (2.2) ( 2.3)
思路：运用叠加原理。先寻找齐次方程(2.1)的满 思路：运用叠加原理。先寻找齐次方程(2.1)的满 叠加原理 (2.1) 足边界条件(2.2)的足够多个具有简单形式( (2.2)的足够多个具有简单形式 足边界条件(2.2)的足够多个具有简单形式(变量被 分离)的特解, 分离)的特解, 再对它们作线性组合使得线性组合 满足初始条件(2.3) (2.3)。 满足初始条件(2.3)。 思路的物理背景：乐器发出的声音可以分解成不同 思路的物理背景： 频率的单音。每种单音在振动时形成正弦曲线， 频率的单音。每种单音在振动时形成正弦曲线，其 振幅依赖于时间 t ，即每个单音可表示为
∫ ∫
π π
－π
1 ⋅ cos nxdx = ∫ 1⋅ sin nxdx =0, n = 1, 2,L ,
－π
π
－π
cos nx ⋅ sin mxdx = ∫
π
－π
cos nx ⋅ cos mxdx = n ≠ m.
∫
π
－π
sin nx ⋅ sin mxdx =0,
f ( x) 为 [−π , π］ 上可积的以 2π 为周期的函数。
令 y = e λ x 代入方程有 λ 2 + pλ + q = 0,
−p+ p 2 − 4q − p − p 2 − 4q , λ2 = 2 2
λ1 =
λ 2 + pλ + q = 0
(1) p 2 − 4q > 0 时，y = C1e λ1 x + C 2e λ2 x ; (2) p 2 − 4q = 0 时，y = (C1 + C 2 x )e λ1 x ;
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三角函数系1, cos x,sin x, cos 2x,sin 2x,L , cos nx,sin nx,L
在 [ , ] 上正交：
1 cos nxdx 1sin nxdx 0, n 1, 2,L ,
－
－
cos nx sin mxdx cos nx cos mxdx
－
－
sin nx sin mxdx 0, n m. －
将
展开为Fourier正弦级数，比较系数
得
或直接根据
sin n
n
l
1,
x, 2, ...
的正交性去计算
l
0
sin
n
l
x
sin
m
l
x
dx
l
sin nt sin mt dt
0
0, n m,
l 2
,
n m.
m, n 为自然数
u( x, t )
( An
n1
cos
n at
l
Bn
sin
n
l
u x,t At sin x
设 方程得
且
不恒为零，代入
①
由
不恒为零，有：
这个式子的左端是x的函数,
右端是t的函数，何时恒等？
②
…..…….. ③
思考：先解哪一个方程？ 利用边界条件
④
④
则 ⑤
参数 称为特征值；
特征值问题
相应的非零解 X(x) 称为特征函数；
分三种情形讨论特征值问题的求解：
方法：做变量代换 y x，则 y [ , ].
l
计算可得
f (x)
a0 2
(an
n1
cos n
l
x bn sin
n
l
x),
其中
1l
n
an l
f (x) cos
l
l
xdx,
n 0,1, 2,L ,
1l
n
bn l
f (x) .
2. 正弦级数与余弦级数。
at
)
sin
n
l
x
其中 An 和 Bn 由上页给出。
由叠加原理，如果上式右端的无穷级数是收敛的，
并且关于 x，t 能逐项微分两次，则和式 u(x,t) 确
实是问题(2.1)-(2.3)的解（经典解）。
条件：若在区间 上， 则无穷级数解
，且
为混合问题(2.1)-(2.3)的经典解, 其中
如果(*)定义的函数 u(x,t)不具备经典解的要求，则 称为问题(2.1)-(2.3)的形式解。
注1: 本书不讨论所求形式解是否满足经典解要求 的条件，只要求得了形式解，就认为定解问题得 到了解决。
注2: 用分离变量法求解定解问题的关键是确定 特征函数和运用叠加原理，这些运算能够进行, 是因为方程以及边界条件都是齐次的。
二、解的物理意义
初位相
角频率
⑴弦上各点的角频率 和初位相 都相同，因而没 有波形的传播现象。
若 f (x) 是 [l,l] 上的奇函数，则其傅立叶级数 只含正弦函数项；若 f (x) 是 [l,l] 上的偶函数， 则其傅立叶级数只含余弦函数项。
问题：如何求定义在 [0,l] 上的函数 f (x) 的 傅里叶级数？
方法：根据需要，将 f (x) 的定义域拓展到 [l,l] : 若展开成正弦级数，进行奇延拓；若展开成余弦 级数，进行偶延拓。然后将延拓后函数的傅里叶 级数限制到 [0,l] 即可。
(3) p2 4q 0 时，设 1 i , 2 i , 则
y e x(C1 cos x C2 sin x).
§2.1 有界弦的自由振动
研究两端固定弦的自由振动. 定解问题为：
2u t 2
a2
2u x 2
u 0, u x0
0,
xl
0 0,
x
l,
t0 t0
u
( x), u
在微积分学中，多元函数的微分和 重积分经常要转化为一元函数的相应问 题来计算，例如偏导数、累次积分等。 类似地，偏微分方程的定解问题的常用 解法是设法转化为常微分方程的定解问 题。下面介绍的分离变量法就是这样一 种转化的方法。
理论基础:
➢叠加原理
设 L 是线性微分算子，若
线性定解条件）
ui
满足线性方程（或
f (x) 为 [ ,］上可积的以 2 为周期的函数。
若 f (x) 满足一定条件，则
f
(x)
a0 2
n1
(an
cos nx
bn
sin nx),
其中
an
1
f (x) cos nxdx,
n 0,1, 2,L ,
bn
1
f (x) sin nxdx,
n 1, 2,L .
两种推广
1. f (x) 为 [l,l] (l ) 上可积的以 2l 为周期的函数。
(i)
方程通解为
由边值条件得：
C1 =C 2=0 从而
(ii)
时，通解
由边值条件
， 无意义.
无意义
(iii） 时，通解 由边值条件：
得 故 即：
而
从而
再求解T：
两端
固定
其解为
弦的
特征
振动
所以
未必满足初始条件(2.3) 受叠加原理启发，
代入初始条件得：
………………...⑥
补充：傅立叶(Fourier)级数
( x), 0 x l
t0
t t0
特点：方程和边界条件都是线性齐次的.
(2.1) (2.2) (2.3)
思路：运用叠加原理。先寻找齐次方程(2.1)的满 足边界条件(2.2)的足够多个具有简单形式(变量被 分离)的特解, 再对它们作线性组合使得线性组合 满足初始条件(2.3)。
思路的物理背景：乐器发出的声音可以分解成不同 频率的单音。每种单音在振动时形成正弦曲线，其 振幅依赖于时间 t ，即每个单音可表示为
⑵弦上各点振幅
因点而异
节点
在
处，振幅永远为0 腹点
在
处，振幅最大,为 Nn
特点
u( x, t) n1un( x, t)
u(x,t )是由无穷多个振幅、角频率、初位相各不
相同的驻波叠加而成。
n＝1的驻波称为基波, n>1的驻波叫做n次谐波。
的特征值问题(§2.6)
➢二阶线性齐次常系数常微分方程
对于 y py qy 0 ( p, q 是常数)
令 y e x 代入方程有 2 p q 0,
1 p
p2 4q ,
2
2 p
p2 4q 2
2 p q 0
(1) p2 4q 0 时，y C1e1x C2e2x; (2) p2 4q 0 时，y (C1 C2x)e1x;
Lui fi, i 1,2,L ,n,L
则它们的线性组合 u ciui
i 1
必满足方程（或定解条件） Lu ci fi
i 1
其中要求级数收敛，且满足“L 中出现的求导与求和可交
换”的条件。
➢Sturm-Liouville 理论
P( x) y q( x) y ( x) y 0 (a x b)