黑龙江科技学院考试试题偏微分方程期末考试试题(06)
黑龙江科技学院考试试题
第一套
课程名称：偏微分方程数值解法 课程编号：24014110 适用专业（班级）：数学 共 1 页 命题人：潘晓丽 教研室主任： 第 1 页
一、（15分）写出三类典型泛定方程并分别说明其名称和特点.
二、（10分）求一维波动方程 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 22
2 22
,,0 ,0,,0 t u u a x t t x u x x u x x j y ì?? =-￥<<+￥> ?
?? í ? == ?
的通解. 三、 （15分）写出达朗贝尔公式并利用公式求解 ( ) ( ) ( ) 2 ,0, ,0sin ,0cos tt xx t u a u t x u x x u x x ì =>-￥<<+￥ ?
= í ?
= ? 四、 （10分）计算积分 ( ) 3 2 x J x dx - ò . 五、（15分）设 1 , 1 3 3 n m ，证明
( ) ( ) (
)dx x p x m dx x p x n m n m n m
ò ò - - = + + 1
1 1 1
1 六、 （15分）用分离变量法求解 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2 0,0,0 ,00,,0 0,0,,0 tt xx t u a u x l t u x u x x u t u l t ì -=<<> ?
== í ?
== ? 七、 （10分）解固有值问题 ( ) ( ) ( ) ''0, ''0 y y l x l y l y l l +=-<< ì ? í -== ? ? 八、 （10分）叙述斯图模-刘维尔定理.
黑龙江科技学院考试试题答案
第一套
课程名称：偏微分方程数值解法 课程编号：24014110 适用专业（班级）：数学 共 1 页 命题人：潘晓丽 教研室主任： 第 1 页
一、解：波动方程： ( )
2
2
2 , u a u f t x t
? =D + ? 热传导方程： ( )
2 , u
a u f t x t
? =D + ? 位势方程： ( )
u f x D = ……………………….5 分
其中 ( ) 12 ,,, n x x x x = L ，a 为常数， ( ) , f t x 及 ( ) f x 为已知函数，在波动方程及 热传导方程中，未知函数u 是时间变量t 和空间坐标变量 ( ) 12 ,,, n x x x x = L 的函数， 在位势方程中，未知函数u 是空间坐标变量 ( ) 12 ,,, n x x x x = L 的函数，而与时间 t 无 关，三类典型方程均为二阶线性偏微分方程。……………………….15 分 二、解：首先判别方程的类型，
2
a D => ………………………2 分
即此方程在整个全平面上都是双曲型的。 特征方程为：( ) ( ) 2
2
2 0
dx a dt -= ( ) ( ) 22 2 00
dx a dt dx adt -=T= m 特征曲线为 1
2
x at c x at c -= ì í
+= ? ………………………6 分
做变量替换，令 x at x at x h =- ì
í =+ ?
，
由链式法则得 0
u xh = 通解 ( ) ( ) ( ) ( ) u f g f x at g x at x h =+=-++ ……………………….10 分
三、解： ( ) ( ) ( ) [
] ( ) ò + - + - + + = at
x at
x d a at x at x t x u x x f j j 2 1 2 1 , ……………………….5 分
( ) ( ) ( ) [ ] ò + - + - + + =
at x at x d a
at x at x t x u x x cos 2 1 sin sin 2 1
, ( ) ( )
[ ] at x at x a at x - - + + = sin sin 2 1
cos sin ……………………….10 分 at x a
at x sin cos 1
cos sin + = ……………………….15 分
四、解：由分部积分法及微分关系( ) 1 ' v v v v x J x J - = ，有
( ) ( ) ( ) ( ) 3414131 2211 4 x J x dx x x J dx x x J x x J dx --- ---- ==- òòò
3232 1110 44' x J x J dx x J x J dx --- =-=-- òò ……………………….5 分 32 100 48 x J x J xJ dx
=--+ ò ……………………….8 分
( ) ( ) ( ) 32 10 84 x x J x x J x C =-+-+ ……………………….10 分
五、证明：
( ) ( ) ( ) 1
1
1 0
'' m m n n n n x p x dx x xp x p x dx - =- éù ??
òò ……………………….5 分
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1
1
1
1
1
1 0
10
1 0
1 m m
m
m n n n n x
p x m x p x dx x p x mx p x dx +- -- =-+-+ òò ……….10分
( ) ( ) ( ) 1
1
1 1 0
1 m
m n n m x p x dx m x p x dx - - =-++ òò ……….15分
移项有
( ) ( ) ( )dx x p x m dx x p x n m n m n m ò ò - - = + + 1
1 1
1 0 1 六、解： 设 ( ) ( )
( ) t T x X t x u = , 分离变量 l - = ￠ ￠ = ￠ ￠ X X T a T 2 代入方程组得 ( ) ( ) ? ? ?
í ì = + ￠ ￠ = = = + ￠ ￠ 0 0 0 0 2 T a T l X X X X l l ………..3分
解固有值问题 (
) ( ) ? í
ì = = = + ￠
￠ 0 0 0l X X X X l 得 2 ] [
l n n p l = L 3 , 2 , 1 = n ； ( ) x l n x X n p
sin = ………..6分 将 2
] [ l
n n
p l = 代入 0 2 = + ￠ ￠ T a T l 得 ( ) t l
a
n D t l a n C t T n
n n p p sin cos + = ………..9分
所以 ( ) x l
n t l a n D t l a n C t x u n
n n p
p p sin ] sin cos [ , + = 叠加得原解
( ) ( ) x l n t l a n D t l a n C t x u t x u n
n n n n p
p p sin ] sin cos [ , , 1 1
+ = = ? ? ￥
= ￥
= 代入初值条件 ( ) ( ) ( ) 0 2 2 1 sin 0
, 0 , 1
1
= + = = ? ? ￥
= ￥ = x l
n
C x u x u n n n n p ( ) x x l n
D l a n x u n n
t = = ? ￥ =
p
p sin 0 , 1 得系数
= n C ( ) a
n l xdx l n x l a n l D n l n 2 2 2
1
0 2 1 sin 2 p p p + - = × =
ò ………..13分 所以得原问题的解
( ) ( ) x l
n t l a n a
n l t x u
n n p p p sin sin 2 1 , 1
2 2 2 1
? ￥ = + - = ………..2分 七、解：题中方程是斯-刘方程，其中 ( ) ( ) ( ) 1,0,1 k x q x x r ooo ，又题中两端边界条 件都是第二类，故 0 l 3 ，而且有零固有值 0 l = ，相应固有函数为 ( ) 1 y x o 。
当 0 l > 时，设 ( ) 2 0 l m m => ，方程的通解为
( ) cos sin y x A x B x m m =+ ……….3 分
将此式代入边界条件，并消去公因子m ，得
sin cos 0 sin cos 0 A l B l A l B l m m m m += ü
y
-+= t
（1）
为使 A,B 不全为0，必须系数行列式
sin cos sin 20
sin cos l l
l l l
m m m m m == - 故
( ) 2
2
,,1,2,
22 n n n n n n l l p p m l m ?? ==== ?÷ è?
L ……….7 分 把 n m 代入（1）有
sin
cos 0 22 n n A B p p
+= 这个方程的一个非零解是 cos sin
22 n n A B p p
==- ， 与 n l 相应固有函数为
( ) ( ) cos
cos sin sin 2222 cos
2 n n n x n n x
y x l l
n x l l
p p p p p =- + = ……….10 分
八、Sturm-Liouville 定理：若 ( ) ( ) ( ) ,, k x q x x r 满足：在[ ] , a b 上 ( ) ( ) ( ) ,', k x k x x r 连续；
当 ( ) , x a b ? 时， ( ) ( ) ( ) 0,0,0 k x x q x r >>3 ， 而 , a b 至多是 ( ) ( ) k x x r 及 的一级零点； ( ) q x 在( ) , a b 上连续，而在端点至多有一级极点。则 S-L 固有值问题
( ) ( ) ( ) ( )
0,
, d dy k x q x y x y a x b dx dx a b lr ì éù
-+=<< ? êú ?
? í ? ?两端点
加五种边界条件之任一 ……….2 分
的固有值和固有函数有下列重要性质：
1、可数性：存在可数无穷多个固有值 12 n l l l p p L p p L ，lim n n l ?￥
=+￥。
与每一个 固有值相应的线性无关的固有函数有且只有一个。……….4 分
2、非负性： 0 n l 3 ，有零固有值的充要条件是：
( ) 0 q x o ，且 , a b 两端都不取第一、三 类边界条件，这时相应的固有函数为常数。………6分
3、正交性：设 m n l l 1 是任意两个不同固有值，则相应的固有函数 ( ) m y x 和 ( ) n y x 在
[ ] , a b 上带权 ( ) x r 正交，即有
( ) ( ) ( ) 0 b
m
n
a
x y x y x dx r = ò ……….8 分
4、固有函数系 ( ) { } n y x 是完备的。……….10 分
偏微分方程数值解期末试题及标准答案
偏微分方程数值解试题(０6B ） 参考答案与评分标准 信息与计算科学专业 一(10分）、设矩阵A 对称，定义)(),(),(2 1)(n R x x b x Ax x J ∈-=，)()(0x x J λλ?+=.若0)0('=?，则称称0x 是)(x J 的驻点(或稳定点).矩阵A 对称(不必正定)，求证0x 是)(x J 的驻点的充要条件是:0x 是方程组 b Ax =的解 解: 设n R x ∈0是)(x J 的驻点，对于任意的n R x ∈,令 ),(2),()()()(2 000x Ax x b Ax x J x x J λλλλ?+-+=+=, （3分) 0)0('=?,即对于任意的n R x ∈,0),(0=-x b Ax ,特别取b Ax x -=0，则有0||||),(2000=-=--b Ax b Ax b Ax ，得到b Ax =0． (3分) 反之,若n R x ∈0满足b Ax =0,则对于任意的x ,)(),(2 1)0()1()(00x J x Ax x x J >+==+??,因此0x 是)(x J 的最小值点. (４分） 评分标准：)(λ?的展开式3分, 每问3分，推理逻辑性１分 二（10分）、 对于两点边值问题:?????==∈=+-=0 )(,0)(),()('b u a u b a x f qu dx du p dx d Lu 其中]),([,0]),,([,0)(min )(]),,([0min ],[1b a H f q b a C q p x p x p b a C p b a x ∈≥∈>=≥∈∈ 建立与上述两点边值问题等价的变分问题的两种形式：求泛函极小的Ritz 形式和Galerkin 形式的变分方程。 解: 设}0)(),,(|{11=∈=a u b a H u u H E 为求解函数空间,检验函数空间．取),(1b a H v E ∈,乘方程两端,积分应用分部积分得到 (３分) )().(),(v f fvdx dx quv dx dv dx du p v u a b a b a ==+=??,),(1 b a H v E ∈? 即变分问题的Galerkin 形式. （3分)
偏微分方程数值解实验报告
偏微分方程数值解实验报告
1、用有限元方法求下列边值问题的数值解：''()112x -y +y =2s i n ,0
1、 %Ritz Galerkin方法求解方程 function u1=Ritz(x) %定义步长 h=1/100; x=0:h:1; n=1/h; a=zeros(n-1,1); b=zeros(n,1); c=zeros(n-1,1); d=zeros(n,1); %求解Ritz方法中内点系数矩阵 for i=1:1:n-1 b(i)=(1/h+h*pi*pi/12)*2; d(i)=h*pi*pi/2*sin(pi/2*(x(i)+h))/2+h*pi*pi/2*sin(pi/2*x(i+1))/2; end %右侧导数条件边界点的计算 b(n)=(1/h+h*pi*pi/12); d(n)=h*pi*pi/2*sin(pi/2*(x(i)+h))/2; for i=1:1:n-1 a(i)=-1/h+h*pi*pi/24; c(i)=-1/h+h*pi*pi/24; end %调用追赶法 u=yy(a,b,c,d) %得到数值解向量 u1=[0,u] %对分段区间做图 plot(x,u1) %得到解析解 y1=sin(pi/2*x); hold on plot(x,y1,'o') legend('数值解','解析解') function x=yy(a,b,c,d) n=length(b); q=zeros(n,1); p=zeros(n,1); q(1)=b(1); p(1)=d(1); for i=2:1:n
差分法求解偏微分方程MAAB
南京理工大学 课程考核论文 课程名称：高等数值分析 论文题目：有限差分法求解偏微分方程 姓名：罗晨 学号： 成绩： 有限差分法求解偏微分方程 一、主要内容 1.有限差分法求解偏微分方程，偏微分方程如一般形式的一维抛物线型方程：具体求解的偏微分方程如下： 2.推导五种差分格式、截断误差并分析其稳定性； 3.编写MATLAB程序实现五种差分格式对偏微分方程的求解及误差分析；
4.结论及完成本次实验报告的感想。 二、推导几种差分格式的过程： 有限差分法（finite-differencemethods ）是一种数值方法通过有限个微分方程近似求导从而寻求微分方程的近似解。有限差分法的基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。 推导差分方程的过程中需要用到的泰勒展开公式如下： ()2100000000()()()()()()()......()(()) 1!2!! n n n f x f x f x f x f x x x x x x x o x x n +'''=+-+-++-+-(2-1) 求解区域的网格划分步长参数如下： 11k k k k t t x x h τ ++-=?? -=?(2-2) 2.1古典显格式 2.1.1古典显格式的推导 由泰勒展开公式将(,)u x t 对时间展开得 2,(,)(,)( )()(())i i k i k k k u u x t u x t t t o t t t ?=+-+-?(2-3) 当1k t t +=时有 21,112,(,)(,)( )()(())(,)()() i k i k i k k k k k i k i k u u x t u x t t t o t t t u u x t o t ττ+++?=+-+-??=+?+?(2-4) 得到对时间的一阶偏导数 1,(,)(,)()=()i k i k i k u x t u x t u o t ττ+-?+?(2-5) 由泰勒展开公式将(,)u x t 对位置展开得 223,,21(,)(,)()()()()(())2!k i k i k i i k i i u u u x t u x t x x x x o x x x x ??=+-+-+-??(2-6) 当11i i x x x x +-==和时，代入式(2-6)得
偏微分方程数值解复习题(2011硕士)
偏微分方程数值解期末复习（2011硕士） 一、考题类型 本次试卷共六道题目，题型及其所占比例分别为： 填空题20%；计算题80% 二、按章节复习内容 第一章 知识点：Euler法、向前差商、向后差商、中心差商、局部截断误差、整体截断误差、相容性、收敛性、阶、稳定性、显格式、隐格式、线性多步法、第一特征多项式、第二特征多项式、稳定多项式、绝对稳定等； 要求: 会辨认差分格式, 判断线性多步法的误差和阶; 第二章 知识点：矩形网格、(正则,非正则)内点、边界点、偏向前(向后,中心)差商、五点差分格式、增设虚点法、积分插值法、线性椭圆型差分格式、极值原理、比较定理、五点差分格式的相容收敛和、稳定性等； 要求: 建立椭圆型方程边值问题的差分格式, 极值原理; 第四章 知识点：最简显格式、最简隐格式、CN格式、双层加权格式、Richardson 格式、网格比、传播因子法(分离变量法) 、传播因子、传播矩阵、谱半径、von Neumann条件、跳点格式、ADI格式、线性椭圆型差分格式、极值原理、比较定理、五点差分格式的相容收敛和稳定性等； 要求: 建立抛物型方程边值问题的差分格式, 计算局部截断误差; 第五章 知识点：左偏心格式、右偏心格式、中心格式、LF格式、LW格式、Wendroff 格式、跳蛙格式、特征线、CFL条件等； 要求: 建立双曲型方程边值问题的差分格式, 计算局部截断误差; 第七章 要求: 会用线性元(线性基)建立常微分方程边值问题的有限元格式
三 练习题 1、 已知显格式21131()22 n n n n u u h f f +++-=-，试证明格式是相容的，并求它的阶。 P39+P41 2、用Taylor 展开原理构造一元函数一阶导数和二阶导数的数值微分公式。 提示：向前、向后和中心差商与一阶导数间关系，二阶中心差商与二阶导数 之间的关系 课件 3、用数值微分方法或数值积分方法建立椭圆型方程 2222(,),(,),u u f x y x y x y ??--=?∈Ω?? :01,01x y Ω≤≤≤≤ 内点差分格式。 P75+课件 4、构造椭圆型方程边值问题的差分格式. P101 (4)题 5、构建一维热传导方程220,(0)u u Lu a a t x ??=-=>??的数值差分格式(显隐格式等)。 参考P132-135相关知识点 6、设有逼近热传导方程22(0)u u Lu a f a const t x ??≡-==>??的带权双层格式 ()()1111111122(1)2k k j j k k k k k k j j j j j j u u a u u u u u u h θθτ++++-+-+-??=-++--+?? 其中[0,1]θ∈，试求其截断误差。并证明当2 1212h a θτ=-时，截断误差的阶最 高阶为24()O h τ+。 P135+P165+课件 7、传播因子法证明抛物型方程22(0)u u Lu a f a const t x ??≡-==>??的最简显隐和六点CN 格式稳定性。 P156+课件 8、对一阶常系数双曲型方程的初边值问题 0,0,0,0,(,0)(),0,(0,)(),0, u u a t T x a t x u x x x u t t t T φψ???+=<≤<<∞>?????=≤<∞??=≤≤?
偏微分方程数值解期末试题及答案(内容参考)
偏微分方程数值解试题(06B) 参考答案与评分标准 信息与计算科学专业 一（10分）、设矩阵A 对称，定义)(),(),(2 1 )(n R x x b x Ax x J ∈-= ，)()(0x x J λλ?+=.若0)0('=?,则称称0x 是)(x J 的驻点（或稳定点）.矩阵A 对称（不必正定），求证0x 是)(x J 的驻点的充要条件是：0x 是方程组 b Ax =的解 解: 设n R x ∈0是)(x J 的驻点,对于任意的n R x ∈,令 ),(2 ),()()()(2 000x Ax x b Ax x J x x J λλλλ?+ -+=+=, (3分) 0)0('=?,即对于任意的n R x ∈,0),(0=-x b Ax ,特别取b Ax x -=0,则有 0||||),(2000=-=--b Ax b Ax b Ax ,得到b Ax =0. (3分) 反之,若 n R x ∈0满足 b Ax =0,则对于任意的 x ,)(),(2 1 )0()1()(00x J x Ax x x J >+ ==+??,因此0x 是)(x J 的最小值点. (4分) 评分标准:)(λ?的展开式3分, 每问3分,推理逻辑性1分 二（10分）、 对于两点边值问题：????? ==∈=+-=0 )(,0)() ,()(' b u a u b a x f qu dx du p dx d Lu 其中]),([,0]),,([,0)(min )(]),,([0min ] ,[1b a H f q b a C q p x p x p b a C p b a x ∈≥∈>=≥∈∈ 建立与上述两点边值问题等价的变分问题的两种形式：求泛函极小的Ritz 形式和 Galerkin 形式的变分方程。 解: 设}0)(),,(|{11 =∈=a u b a H u u H E 为求解函数空间,检验函数空间.取),(1 b a H v E ∈,乘方程两端,积分应用分部积分得到 (3分) )().(),(v f fvdx dx quv dx dv dx du p v u a b a b a ==+=??,),(1 b a H v E ∈? 即变分问题的Galerkin 形式. (3分)
偏微分方程数值解实验报告
精品文档 偏微分方程数值解 上 机 实 验 报 告 （一）实验一 一、上机题目： 用线性元求解下列边值问题的数值解：
精品文档 ′′22?? ?? ??，0 精品文档 （二）实验二 四、上机题目： 求解 Helmholtz 方程的边值问题： u k 2u 1 ，于(0,1)*(0,1) u0，于1{ x0,0y1} U{0x1, y 1} 1{ x0,0y1} U{0x1, y1} u 0,于2{0x1, y 0} U { x1,0y1} n 其中 k=1,5,10,15,20 五、实验程序： 课程编号：MTH17178 北京理工大学2016-2017学年第一学期 2014级偏微分方程期终考试（A ） 1.（10分）利用特征线方法求解一阶波动方程初值问题：()22,,0,0,t x x u u u x t u x e x -+=∈>???=∈?? 。 2.（10分）利用Fourier 变换方法求解：()() (),,,0,0,t x u bu cu f x t x t u x x x ?--=∈>???=∈?? 。 3.（10分）利用行波法求解：()()()()0,,,0,,0 tt xx u u t x u x x x x u x x x x ?ψ?-=>?-=?。 给出适当的相容性条件。如果?在(],0a -上给定，ψ在[)0,b 上给定，给出其决定区域。 4.（15分）求解初边值问题：()()()20,01,00,0,1,0,0,0,01 t xx x x u a u u x t u t u t t u x A x ?-+=<<>?==>??=<?==∈??=+=≥? 推导边界条件齐次化的公式（不需要解方程）。 6.（13分）对于有界区域()(],0,T Q a b T =?上的热方程()2 ,0t xx u a u c x t u -+=，其中(),c x t 下有界，证明如果(),u x t 在抛物边界上非正，则(),u x t 在T Q 上非正。 7.（15分）考虑波动方程初边值问题[]()()()()[]()()()20,0,,0,0,,0,0,0,0,,,0,0 tt xx t x x u a u x L t u x x u x x x L u t u L t u L t t ?ψσ?-=∈>?==∈??=+=≥?，其中 0σ>，令t 时刻的能量()()()22222011,22 L t x E t u a u dx a u L t σ=++?，证明()E t 守恒，并由此证明相应的一般非齐次方程非齐次初边值问题的解的唯一性。 8.（20分）设() ()1,02,1T T u C Q C Q ∈ 且满足初边值问题()()()()[]()()[] ,,,,0,0,0,,0,0,t xx T x u u f x t x t Q u x x x L u t u L t t T ??-=∈?=∈??==∈?，证明：[]()()()()22220000000,sup ,,,L T L L T L x t T u x t dx dt u x t dx M x dx dt f x t dx ?∈??+≤+??????????，其中M 仅依赖于T 。 提示：Gronwall 不等式：设(][]1 0,0,G C T C T ∈ ，()00G =，且对于任意的[]0,t T ∈，有()()()G t CG t F t '≤+，其中C>0，F 非负单调递增，则有 ()()()()()11,Ct Ct G t C e F t G t e F t -'≤-≤。 偏微分方程数值实验报告八 实验题目：利用有限差分法求解 u ( x) u(x) f (x), u( 1) 0, u(1) 0. 真解为 u( x) e x 2 (1 x 2 ) 实现算法：对于两点边值问题 d 2u f , x l , dx 2 (1) u(a),u(b) , 其中 l ( a, b) (a b), f 为 l [ a,b] 上的连续函数， ， 为给定常数 . 其相应的有限差分法的算法如下： 1.对求解区域做网格剖分，得到计算网格 .在这里我们对区间 l 均匀剖分 n 段，每个剖分单元 b a 的剖分步长记为 h . n 2.对微分方程中的各阶导数进行差分离散，得到差分方程 .运用的离散方法有： 方法一 :用待定系数和泰勒展开进行离散 d 2u( x i ) i 1 u( x i 1) i u( x i ) i 1 u( x i 1) d( x i )2 方法二：利用差商逼近导数 d 2u( x i ) u( x i 1 ) 2u( x i ) u( x i 1 ) d( x i )2 h 2 将(2) 带入 (1)可以得到 u(x i 1) 2u(x i ) u(x i 1 ) ) R i (u) , h 2 f ( x i 其中 R i (u) 为无穷小量，这时我们丢弃 R i (u) ，则有在 x i 处满足的计算公式： u(x i 1) 2u( x i ) u( x i 1 ) 1,..., n 1 h 2 f ( x i )， i 3.根据边界条件，进行边界处理 .由 (1)可得 u 0 , u n (2) (3) (4) 称(3)(4)为逼近 (1) 的差分方程，并称相应的数值解向量 U n 1 为差分解， u i 为 u( x i ) 的近似值 . 4.最后求解线性代数方程组，得到数值解向量U n 1 . 安徽大学20 08 —20 09 学年第 二 学期 《 偏微分方程 》考试试卷（A 卷） （闭卷 时间120分钟） 院/系 年级 专业 姓名 学号 一、填空题（每小题3分，共15分） 1.对常系数方程x y z u au bu cu du f ?++++=作未知函数的变换 可以将所有一阶微商消失. 2.设:R R Φ→是光滑凸函数，(,)u x t 是热传导放程0t u u -?=的解，则()u Φ是热传导方程 的 (下解;上解；解). 3.上半平面的Green 函数G(x,y)为 ，其中12(,)y y y =为上半平面中某固定点. 4．设函数u 在以曲面Γ为边界的区域Ω内调和，在ΩΓ 上有连续的一阶偏导数，则u dS n Γ ????= ，其中n 是Γ的外法方向. 5.热传导方程2()0t xx yy u a u u -+=的特征曲面为 ． 二、计算题（每小题10分，共40分） 1．求解初值问题 0,(,)(0,)(,0),,t x u bu cu x t R u x g x R ++=∈?∞??=∈? 其中，,b c R ∈都是常数. 2.试用延拓法求解半有界直线上的热传导方程的边值问题： 200 0,0,0,|(), |0.t xx t x u a u x t u x u ?==?-=>>? =??=? 3．试求解 2 2 008(), |,|.tt xx yy zz t t t u u u u t u xy u z ==?-++=??==?? 4．写出定解问题： 200 (),0,0,|0,|0, |().t xx x x l t u a u f x x l t u u u g x ===?-=<<>? ==??=? 解的一般形式. 《偏微分方程》期末考试复习 一、波动方程(双曲型方程)U tt -a 2U xx 二f (x,t) (一)初值问题(柯西问题) < 2 U tt —a U xx = f(x,t) 1、一维情形 Ut t^a (x) (1) 解法(传播波法)： 由叠加原理，原初值问题的解可表示为下述初值问题的解之 和， * 2 * 2 U tt —a U xx =o U tt —a U xx = f (x,t) (i) J U t^= ②决定区域：区间［x1，X2】的决定区域为：{(x,t)|捲? at込x込X2-at} 课程名称：偏微分方程数值解法 课程编号：24014110 适用专业（班级）：数学 共1页 命题人：潘晓丽 教研室主任： 第1页 一、（15分）写出三类典型泛定方程并分别说明其名称和特点. 二、（10分）求一维波动方程()()()()()22 222 ,,0,0,,0t u u a x t t x u x x u x x ?ψ???=-∞<<+∞>?????==? 的通解. 三、（15分）写出达朗贝尔公式并利用公式求解 ()()()2,0,,0sin ,0cos tt xx t u a u t x u x x u x x ?=>-∞<<+∞? =?? =? 四、（10分）计算积分()32x J x dx -?. 五、（15分）设1,1≥≥n m ，证明 ()()()dx x p x m dx x p x n m n m n m ??--=++1 111 1 六、（15分）用分离变量法求解 ()()()()()20,0,0,00,,00,0,,0 tt xx t u a u x l t u x u x x u t u l t ?-=<<>? ==?? ==? 七、（10分）解固有值问题()()()''0,''0 y y l x l y l y l λ+=-< 课程名称：偏微分方程数值解法 课程编号：24014110 适用专业（班级）：数学 共1页 命题人：潘晓丽 教研室主任： 第1页 一、解：波动方程：()22 2,u a u f t x t ?=?+? 热传导方程： ()2,u a u f t x t ?=?+? 位势方程：()u f x ?= ……………………….5分 其中()12,,,n x x x x = ，a 为常数，(),f t x 及()f x 为已知函数，在波动方程及 热传导方程中，未知函数u 是时间变量t 和空间坐标变量()12,,,n x x x x = 的函数，在位势方程中，未知函数u 是空间坐标变量()12,,,n x x x x = 的函数，而与时间t 无关，三类典型方程均为二阶线性偏微分方程。……………………….15分 二、解：首先判别方程的类型， 20a ?=> ………………………2分 即此方程在整个全平面上都是双曲型的。 特征方程为：()()2 2 20dx a dt -= () ()2 2 200dx a dt dx adt -=?= 特征曲线为1 2 x at c x at c -=??+=? ………………………6分 做变量替换，令x at x at ξη=-??=+?， 由链式法则得 0u ξη= 通解()()()()u f g f x at g x at ξη=+=-++ ……………………….10分 黑龙江科技学院考试试题 课程名称：偏微分方程数值解法 课程编号：24014110适用专业（班级）：数学 命题人：潘晓丽 教研室主任： 、（15分）写出三类典型泛定方程并分别说明其名称和特点 2 2 U 2 U 一、（10分）求一维波动方程 t 2 x 2 ，t 0 的通解 x u x,0 x , u t x,0 三、（15 分） 写出达朗贝尔公式并利用公式求解 u tt a 2 u xx , t 0, x u x,0 sinx U t x,0 cosx 四、（10分）计算积分 x 3 J 2 x dx . 五、（15分）设m 1,n 1，证明 六、（15分）用分离变量法求解 2 u tt a U xx 0, 0 x l,t 0 u x,0 0,u t x,0 x u 0,t 0,u l,t 0 八、（10分）叙述斯图模-刘维尔定理. 黑龙江科技学院考试试题答案 七、（10分）解固有值问题 y'' y 0, y' l y' l 第一套 共1页 第1页 n 1 0x m p n xdx 1 m 1 , m 0 x p n 1 x dx 2 一、解：波动方程：一a2u f t,x t - 热传导方程：汁a2 u f t,x 位势方程：u f x (5) 其中x X j，x2,L ,x n，a为常数，f t，x及f x为已知函数，在波动方程及热传导方程中，未知函数u是时间变量t和空间坐标变量x x1,x2,L ,x n的函数，在位势方程中，未知函数u是空间坐标变量x 为必,L ,人的函数，而与时间t无关，三类典型方程均为二阶线性偏微分方程。 (15) 二、解：首先判别方程的类型， a20 ............. 2 分 即此方程在整个全平面上都是双曲型的。 特征方程为：dx $ a2 dt $ 0 2 2 2 dx a dt 0 dx madt 0 x at 特征曲线为G x at C2 做变量替换，令 x at x at 由链式法则得u 0 通解u f g f x at g x at ....................... .10 ................................ 分 一、简述题（30分） 1.金融工程包括哪些主要内容？ 答：产品与解决方案设计，准确定价与风险管理是金融工程的主要内容P3 2.金融工程的工具都有哪些？ 答：基础证券（主要包括股票和债券）和金融衍生产品（远期，期货，互换和期权）P4 3.无套利定价方法有哪些主要特征？ 答：a.套利活动在无风险的状态下进行 b.无套利的关键技术是“复制”技术 c.无风险的套利活动从初始现金流看是零投资组合，即开始时套利者不需要任何资金的 投入，在投资期间也不需要任何的维持成本。P16 4.衍生证券定价的基本假设为何？ 答：（1）市场不存在摩擦 （2）市场参与者不承担对手风险 （3）市场是完全竞争的 （4）市场参与者厌恶风险，且希望财富越多越好 （5）市场不存在无风险套利机会P20 5.请解释远期与期货的基本区别。 答：a.交易场所不同 b.标准化程度不同 c.违约风险不同 d.合约双方关系不同 e.价格确定方式不同 f.结算方式不同 g.结清方式不同P44 6.金融互换的主要有哪些种类？ 答：利率互换与货币互换和其它互换（交叉货币利率互换、基点互换、零息互换、后期确定互换、差额互换、远期互换、股票互换等等）P104 7.二叉树定价方法的基本原理是什么？ 答：二叉树图方法用离散的模型模拟资产价格的连续运动，利用均值和方差匹配来确定相关参数，然后从二叉树图的末端开始倒推可以计算出期权价格。P214 8.简要说明股票期权与权证的差别。 答：股本权证与备兑权证的差别主要在于： （1）有无发行环节； （2）有无数量限制； （3）是否影响总股本。 股票期权与股本权证的区别主要在于： （1）有无发行环节 （2）有无数量限制。P162 9.影响期权价格的因素主要有哪些？它们对欧式看涨期权有何影响？ 答： 1)标的资产的市场价格（+） 2)期权的协议价格（—） 3)期权的有效期（？） 4)标的资产价格的波动率（+） 5)无风险利率（+） 6)标的资产收益（—） “+”表示对欧式看涨期权正向的影响，“—”表示反向的影响，“？”表示不确定P175 10.蒙特卡罗模拟法的主要优缺点。 答：优点：A.在大多数情况下，人们可以很直接地应用蒙特卡罗模拟法，而无需对期权定价模型有深刻的理解，所用的数学知识也很基本 B.为了获得更精确的答案，只需要进行更多的模拟 C.无需太多工作就可以转换模型。 缺点：A.难以处理提前执行的情形，因此难以为美式期权定价 B.为了达到一定的精确度，一般需要大量的模拟运算P226 11.用蒙特卡罗法确定期权价格的基本过程是什么？ 答：由于大部分期权价值等于期权到期回报的期望值的贴现，因此先模拟风险中性世界中标的 偏微分方程数值实验报告八 实验题目：利用有限差分法求解 . 0)1(,0)1(),()()(==-=+''-u u x f x u x u 真解为 ) 1()(22 x e x u x -=-实现算法：对于两点边值问题 , )(,)(,,d 22βα==∈=-b u a u l x f dx u (1) 其中),(b a l =f b a ),(<为],[b a l =上的连续函数，βα，为给定常数. 其相应的有限差分法的算法如下： 1.对求解区域做网格剖分，得到计算网格.在这里我们对区间l 均匀剖分n 段，每个剖分单元的剖分步长记为n a b h -= .2.对微分方程中的各阶导数进行差分离散，得到差分方程.运用的离散方法有：方法一:用待定系数和泰勒展开进行离散 )()()()(d ) (d 11112 2++--++≈i i i i i i i i x u x u x u x x u ααα方法二：利用差商逼近导数 2 112 2) ()(2)()(d )(d h x u x u x u x x u i i i i i -++-≈(2) 将(2)带入(1)可以得到 )()() ()(2)(2 11u R x f h x u x u x u i i i i i +=+-- -+, 其中)(u R i 为无穷小量，这时我们丢弃)(u R i ，则有在i x 处满足的计算公式： 1,...,1)() ()(2)(2 11-==+-- -+n i x f h x u x u x u i i i i ，(3) 3.根据边界条件，进行边界处理.由(1)可得 β α==n u u ,0(4) 称(3)(4)为逼近(1)的差分方程，并称相应的数值解向量1-n U 为差分解，i u 为)(i x u 的近似值.4.最后求解线性代数方程组，得到数值解向量1 -n U . 《偏微分方程数值解》 课程实验报告（一） 1 实验题目 给定初值问题（注：共两次上机时间4学时） 1 02 )0(42'≤≤?? ?=--=x y x y y 其精确解为 12)(2+-=-x e x y x 。取h=0.1, 分别用显式Euler 法、隐式梯形法、二级二阶Runge-Kutta 、三级三阶Runge-Kutta 、四级四阶Runge-Kutta 计算数值解，并与精确解比较。 2 求解方法 1、每种方法的迭代公式： （1）显式Euler 法 p[i]=p[i-1]+h*(*f)(x[i-1],p[i-1]); （2）隐式梯形法 p[i]=p[i-1]+h*(*f)(x[i-1],p[i-1]);; （3）二级二阶Runge-Kutta K1=(*f)(x[i-1],p[i-1]); K2=(*f)(x[i-1]+h/2,p[i-1]+h*K1/2); p[i]=p[i-1]+h*K2; （4）三级三阶Runge-Kutta K1=(*f)(x[i-1],p[i-1]); K2=(*f)(x[i-1]+h/2,p[i-1]+h*K1/2); K3=(*f)(x[i-1]+h/2,p[i-1]+h*K2/2); K4=(*f)(x[i-1]+h,p[i-1]+h*K3); p[i]=p[i-1]+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6; （5）四级四阶Runge-Kutta K1=(*f)(x[i-1],p[i-1]); K2=(*f)(x[i-1]+h/2,p[i-1]+h*K1/2); K3=(*f)(x[i-1]+h/2,p[i-1]+h*K2/2); K4=(*f)(x[i-1]+h,p[i-1]+h*K3); p[i]=p[i-1]+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6; 3 程序源代码 #include 偏微分方程考试重点与作业内容 记号说明： 第一个数字为章，第二个数字为节，第三个数字为小节。例如§3.1.2节就是第三章第一节的第二小节——Poisson公式。 考试重点： 1.§ 2.1节一阶线性方程的特征线解法（要求会用特征线法求解一阶线性偏微分方程， 计算题）灵活运用 2.§2.2.2节解的表达式（要求牢记解的表达式，会运用解的公式求解全平面上的波动方 程或者证明相关问题，计算题或证明题）灵活运用 3.§2.2.5节半无界问题（掌握奇延拓和偶延拓，计算题或证明题） 4.§2.4.1节分离变量法（掌握分离变量的方法，会用分离变量的方法求解波动方程和热 传导方程，计算题）灵活运用 5.§3.1.1节Fourier变换（牢记Fourier变换和Fourier逆变换的公式，会求函数的Fourier 变换和逆变换，判断题、填空题、选择题）灵活运用 6.§3.1.2节Poisson公式（牢记Poisson公式，填空题、选择题、计算题） 7.§3.1.3节广义函数简介（掌握广义函数的相关定义，会求广义函数以及广义函数的导 数，判断题、填空题、选择题）灵活运用 8.§3.3.1节弱极值原理（书上例题和作业题很重要，证明题） 9.§4.1.1节基本解与Green公式（Green公式的应用，判断题、填空题、选择题） 10.§4.2.1节极值原理（书上例题和作业很重要，证明题） 11.§4.2.4节调和函数的性质（熟记调和函数的相关性质，判断题、选择题、填空题） 作业内容： 第一章29页16题（1） 第二章100页第三题；101页10题；102页11题、12题；104页23题的（1）（3）小题； 26题的（2）（3）小题； 第三章161页2题、3题、4题；162页5题；163页9题；166页18题； 第四章212页1题；213页4题；218页25题； 考试说明： 1.考试内容：考试内容出自上述重点章节，主要是书上例题、作业题；要求灵活运用的内 容，会在例题作业题的基础上做微小改动，比例不超过期末考试的30%。 2.考试分数：平时成绩20分(国培计划的自动满分)；期末考试80分。 3.考试题型：判断题；选择题；填空题；计算题；证明题 4.考试难度：考虑到大四学生实习的辛苦、找工作的焦虑、考研的烦躁，考试内容会尽量 简单。 上机实验2：五点差分格式法 偏微分方程（Matlab ）实验报告 ——五点差分格式法 一、 实验题目 设G 是形如下图的十字形域，由五个相等的单位正方形组成，用五点差分格式求下列边值问题的数值解： 22 2 21,u u G x y ??+=-???于u=0,于G 二、 实验原理 取定沿X 轴和Y 轴方向的步长1h 和2h ，() 12 22 1 2 h h h =+,作两族与坐 标轴平行的直线：x=i 1h ,y=j 2h ,,0,1,2,i j =±± 若（,i j x y ）为正则内点，沿x,y 方向分别用二阶中心差商代替 xx yy u u 和则得 1,1,,1,1 2 212 22[ ]i j ij i j i j ij i j ij u u u u u u f h h +-+--+-+-+ = 特别取正方形网格：12h h h ==，则原差分方程可简化为 2 1,,11,,11()44 ij i j i j i j i j ij h u u u u u f --++-+++= 三、 实验程序 1）function uxy = EllIni2Uxl(x,y) format long ; uxy = 0; 2）function uxy = EllIni2Uxr(x,y) format long; uxy = y*(2-y); 3）function uxy = EllIni2Uyl(x,y) format long; uxy = 0; 4）function uxy = EllIni2Uyr(x,y) format long; if x < 1 uxy = x; else uxy = 2 - x; end 5）function u = peEllip5(nx,minx,maxx,ny,miny,maxy) format long; hx = (maxx-minx)/(nx-1); hy = (maxy-miny)/(ny-1); u0 = zeros(nx,ny); for j=1:ny u0(j,1) = EllIni2Uxl(minx,miny+(j-1)*hy); u0(j,nx) = EllIni2Uxr(maxx,miny+(j-1)*hy); end for j=1:nx u0(1,j) = EllIni2Uyl(minx+(j-1)*hx,miny); u0(ny,j) = EllIni2Uyr(minx+(j-1)*hx,maxy); end A = -4*eye((nx-2)*(ny-2),(nx-2)*(ny-2)); b = ones((nx-2)*(ny-2),1).*(-1); for i=1:(nx-2)*(ny-2) if mod(i,nx-2) == 1 if i==1 A(1,2) = 1; A(1,nx-1) = 1; b(1) = - u0(1,2) - u0(2,1); else if i == (ny-3)*(nx-2)+1 A(i,i+1) = 1; A(i,i-nx+2) = 1; 偏微分方程数值解期末复习（2012硕士） 一、考题类型 本次试卷共六道题目，题型及其所占比例分别为：填空题20%；计算题80% 二、按章节复习内容 第一章 知识点：Euler法、向前差商、向后差商、中心差商、局部截断误差、整体截断误差、相容性、收敛性、阶、稳定性、显格式、隐格式、线性多步法、第一特征多项式、第二特征多项式、稳定多项式、绝对稳定等； 要求: 熟练一元函数的数值微分公式；会辨认差分格式, 计算线性多步法的局部截断误差和阶; 第二章 知识点：矩形网格、(正则,非正则)内点、边界点、偏向前(向后,中心)差商、五点差分格式、增设虚点法、积分插值法、线性椭圆型差分格式、极值原理、比较定理、五点差分格式的相容、收敛和稳定性等； 要求: 熟练多元函数的数值微分公式；会建立椭圆型方程边值问题的差分格式；计算局部截断误差；了解极值原理讨论格式的收敛性和稳定性; 第四章 知识点：最简显格式、最简隐格式、CN格式、双层加权格式、Richardson 格式、网格比、传播因子法(分离变量法) 、传播因子、传播矩阵、谱半径、von Neumann条件、跳点格式、ADI格式等； 要求: 会建立抛物型方程边值问题的经典差分格式；计算局部截断误差; 会计算格式的传播因子或传播矩阵；会讨论格式的稳定性； 第五章 知识点：依赖区域、左偏心格式、右偏心格式、中心格式、LF格式、LW 格式、Wendroff格式、跳蛙格式、特征线、CFL条件等； 要求: 建立双曲型方程边值问题的差分格式；计算局部截断误差; 会计算格式的传播因子或传播矩阵；讨论格式的稳定性； 第七章 知识点：单元、线性元、线性基、(单元)刚度矩阵、(单元)荷载向量等；北京理工大学数学专业偏微分方程期末试题2014级A卷(MTH17178)
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