Одномерная краевая задача теплопроводности

Рассмотрим одномерную задачу теплопроводности на отрезке от α\alpha до β\beta. Уравнение теплопроводности (1.8) в этом случае принимает вид

T(x,t)t\displaystyle \frac{\partial T(x, t)}{\partial t} =a22T(x,t)x2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\partial^2 T(x, t)}{\partial x^2}+f(x,t).\displaystyle {} + f(x, t).
(2.23)

Краевые условия Дирихле (1.13) в одномерном случае имеют вид

T(x,0)\displaystyle T(x, 0) =T0(x),\displaystyle {} = T_0(x),T(α,t)\displaystyle T(\alpha, t) =Φα(t),\displaystyle {} = \Phi_\alpha(t),T(β,t)\displaystyle T(\beta, t) =Φβ(t)\displaystyle {} = \Phi_\beta(t)
(2.24)

Для избавления от неоднородности введем T(x,t)T(x,t)=T^(x,t){} = \widehat{T}(x,t)+U(x,t){} + U(x,t), выберем функцию U(x,t)U(x,t)=a1(t){} = a_1(t)+a2(t)x{} + a_2(t) \cdot x и вычислим коэффициенты, в соответствии с (2.2)

Φα(t)\displaystyle \Phi_\alpha(t)a1(t)\displaystyle {} - a_1(t)a2(t)α\displaystyle {} - a_2(t) \cdot \alpha=0\displaystyle {} = 0Φβ(t)\displaystyle \Phi_\beta(t)a1(t)\displaystyle {} - a_1(t)a2(t)β\displaystyle {} - a_2(t) \cdot \beta=0\displaystyle {} = 0
(2.25)
a1(t)\displaystyle a_1(t) =Φα(t)βΦβ(t)αβα\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha(t) \cdot \beta - \Phi_\beta(t) \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha}a2(t)\displaystyle a_2(t) =Φβ(t)Φα(t)βα\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta(t) - \Phi_\alpha(t)}{\displaystyle \beta - \alpha}
(2.26)

Тогда уравнение (2.23) и краевые условия (2.24) примут вид

T^(x,t)t\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial t} =a22T^(x,t)x2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial x^2}+f^(x,t),\displaystyle {} + \widehat{f}(x, t),T^(x,0)\displaystyle \widehat{T}(x, 0) =T0(x)\displaystyle {} = T_0(x)a1(0)\displaystyle {} - a_1(0)a2(0)x,\displaystyle {} - a_2(0) \cdot x,T^(α,t)\displaystyle \widehat{T}(\alpha, t) =0,T^(β,t)\displaystyle {} = 0, \widehat{T}(\beta, t)=0,\displaystyle {} = 0,
(2.27)

где f^(x,t)\widehat{f}(x, t)=f(x,t){} = f(x, t)da1(t)dt{} - \frac{\displaystyle da_1(t)}{\displaystyle dt}da2(t)dtx{} - \frac{\displaystyle da_2(t)}{\displaystyle dt} \cdot x.

Краевые условия Неймана (1.14) в одномерном случае имеют вид

T(x,0)\displaystyle T(x, 0) =T0(x),\displaystyle {} = T_0(x),T(x,t)xx=α\displaystyle \frac{\displaystyle \partial T(x, t)}{\displaystyle \partial x} \bigg|_{x=\alpha} =Φα(t),\displaystyle {} = \Phi_\alpha(t),T(x,t)xx=β\displaystyle \frac{\displaystyle \partial T(x, t)}{\displaystyle \partial x} \bigg|_{x=\beta} =Φβ(t)\displaystyle {} = \Phi_\beta(t)
(2.28)

Для избавления от неоднородности введем T(x,t)T(x,t)=T^(x,t){} = \widehat{T}(x,t)+U(x,t){} + U(x,t), выберем функцию U(x,t)U(x,t)=a1(t)x{} = a_1(t) \cdot x+a2(t)x2{} + a_2(t) \cdot x^2 и вычислим коэффициенты, в соответствии с (2.3)

Φα(t)\displaystyle \Phi_\alpha(t)a1(t)\displaystyle {} - a_1(t)2a2(t)α\displaystyle {} - 2 \cdot a_2(t) \cdot \alpha=0\displaystyle {} = 0Φβ(t)\displaystyle \Phi_\beta(t)a1(t)\displaystyle {} - a_1(t)2a2(t)β\displaystyle {} - 2 \cdot a_2(t) \cdot \beta=0\displaystyle {} = 0
(2.29)
a1(t)\displaystyle a_1(t) =Φα(t)βΦβ(t)αβα\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha(t) \cdot \beta - \Phi_\beta(t) \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha}a2(t)\displaystyle a_2(t) =Φβ(t)Φα(t)2(βα)\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta(t) - \Phi_\alpha(t)}{\displaystyle 2 \cdot (\beta - \alpha)}
(2.30)

Тогда уравнение (2.23) и краевые условия (2.28) примут вид

T^(x,t)t\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial t} =a22T^(x,t)x2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial x^2}+f^(x,t),\displaystyle {} + \widehat{f}(x, t),T^(x,0)\displaystyle \widehat{T}(x, 0) =T0(x)\displaystyle {} = T_0(x)a1(0)x\displaystyle {} - a_1(0) \cdot xa2(0)x2,\displaystyle {} - a_2(0) \cdot x^2,T^(x,t)xx=α\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial x} \bigg|_{x=\alpha} =0,T^(x,t)xx=β\displaystyle {} = 0, \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(x, t)}{\displaystyle \partial x} \bigg|_{x=\beta}=0,\displaystyle {} = 0,
(2.31)

где f^(x,t)\widehat{f}(x, t)=f(x,t){} = f(x, t)da1(t)dtx{} - \frac{\displaystyle da_1(t)}{\displaystyle dt} \cdot xda2(t)dtx2{} - \frac{\displaystyle da_2(t)}{\displaystyle dt} \cdot x^2+2a2a2(t){} + 2 \cdot a^2 \cdot a_2(t).

Уравнение (2.8) примет вид

d2Ψ(x)dx2\displaystyle \frac{\displaystyle d^2 \Psi(x)}{\displaystyle dx^2}+γ2Ψ(x)\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot \Psi(x)=0.\displaystyle {} = 0.
(2.32)

Общее решение этого уравнения имеет вид

Ψ(x)\displaystyle \Psi(x) =c1cos[γ(xα)]\displaystyle {} = c_1 \cdot \cos[\gamma \cdot (x - \alpha)]+c2sin[γ(xα)],\displaystyle {} + c_2 \cdot \sin[\gamma \cdot (x - \alpha)],
(2.33)

где c1c_1 и c2c_2 — коэффициенты, определяемые из граничных условий, а вес, обеспечивающий ортогональность собственных функций, ρ(x)\rho(x)=1{} = 1.

Подставим общее решение в граничные условия (2.27) и получим

c1cos(γ0)\displaystyle c_1 \cdot \cos(\gamma \cdot 0)+c2sin(γ0)\displaystyle {} + c_2 \cdot \sin(\gamma \cdot 0)=0,\displaystyle {} = 0,c1cos[γ(βα)]\displaystyle c_1 \cdot \cos[\gamma \cdot (\beta - \alpha)]+c2sin[γ(βα)]\displaystyle {} + c_2 \cdot \sin[\gamma \cdot (\beta - \alpha)]=0.\displaystyle {} = 0.
(2.34)

Понятно, что из первого уравнения c1c_1=0{} = 0 и решение имеет смысл только тогда, когда c2c_20{} \neq 0, что возможно только тогда, когда sin[γ(βα)]\sin[\gamma \cdot (\beta - \alpha)]=0{} = 0

γ(βα)\displaystyle \gamma \cdot (\beta - \alpha) =πn,n\displaystyle {} = \pi \cdot n, n(1..).\displaystyle {} \in (1..\infty).
(2.35)

Нулевое и отрицательные значения nn не годятся: при nn=0{} = 0 имеем γ\gamma=0{} = 0, и Ψ(x)\Psi(x)=c2sin[0(xα)]{} = c_2 \cdot \sin[0 \cdot (x - \alpha)]0{} \equiv 0 — тождественный нуль, не являющийся собственной функцией; отрицательным же nn отвечает то же собственное значение γ2\gamma^2 (ведь γn\gamma_{-n}=γn{} = -\gamma_n), а sin[γn(xα)]\sin[-\gamma_n \cdot (x - \alpha)]=sin[γn(xα)]{} = -\sin[\gamma_n \cdot (x - \alpha)] линейно зависимо с решением для положительного nn и нового вклада не даёт. Поэтому nn(1..){} \in (1..\infty).

Таким образом, собственные значения и собственные функции имеют вид

γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,n\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha}, n(1..),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x) =c2nsin[πnβα(xα)],\displaystyle {} = c_{2n} \cdot \sin \left[ \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha} \cdot (x - \alpha) \right],
(2.36)

где c2nc_{2n} — произвольный постоянный множитель: собственная функция определена с точностью до него. Положим c2nc_{2n}=1{} = 1 — этот множитель всё равно вбирается в коэффициенты разложения T0nT_{0n} и fnf_n, как и в общем решении.

Для разложения функций в ряд Фурье по Ψn(x)\Psi_n(x) необходимо вычислить норму Ψn(x)2\|\Psi_n(x)\|^2, вес для декартовых координат ρ(x)\rho(x)=1{} = 1.

Ψn(x)2\displaystyle \|\Psi_n(x)\|^2 =αβΨn(x)2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \Psi_n(x)^2 \,dx=αβsin[πnβα(xα)]2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \sin \left[ \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha} \cdot (x - \alpha) \right]^2 \,dx=βα2.\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \beta - \alpha}{\displaystyle 2}.
(2.37)

Теперь подставим решение в граничные условия (2.31) и получим

c1sin(γn0)\displaystyle {} - c_1 \cdot \sin(\gamma_n \cdot 0)+c2cos(γn0)\displaystyle {} + c_2 \cdot \cos(\gamma_n \cdot 0)=0,\displaystyle {} = 0,c1sin[γn(βα)]\displaystyle {} - c_1 \cdot \sin[\gamma_n \cdot (\beta - \alpha)]+c2cos[γn(βα)]\displaystyle {} + c_2 \cdot \cos[\gamma_n \cdot (\beta - \alpha)]=0.\displaystyle {} = 0.
(2.38)

Понятно, что из первого уравнения c2c_2=0{} = 0 и решение имеет смысл только тогда, когда sin[γn(βα)]\sin[\gamma_n \cdot (\beta - \alpha)]=0{} = 0

γn(βα)\displaystyle \gamma_n \cdot (\beta - \alpha) =πn,n\displaystyle {} = \pi \cdot n, n(0..).\displaystyle {} \in (0..\infty).
(2.39)

Здесь, в отличие от задачи Дирихле, мода nn=0{} = 0 сохраняется: при γ0\gamma_0=0{} = 0 собственная функция Ψ0(x)\Psi_0(x)=c10cos[0(xα)]{} = c_{10} \cdot \cos[0 \cdot (x - \alpha)]=c10{} = c_{10} — ненулевая постоянная, то есть полноценная собственная функция (постоянная мода). Поэтому индексация начинается с нуля.

Таким образом, собственные значения и собственные функции имеют вид

γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,n\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha}, n(0..),\displaystyle {} \in (0..\infty),Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x) =c1ncos[πnβα(xα)],\displaystyle {} = c_{1n} \cdot \cos \left[ \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha} \cdot (x - \alpha) \right],
(2.40)

где c1nc_{1n} — произвольный постоянный множитель: собственная функция определена с точностью до него. Положим c1nc_{1n}=1{} = 1 — этот множитель всё равно вбирается в коэффициенты разложения T0nT_{0n} и fnf_n, как и в общем решении.

Норму собственных функций вычислим так же, как для случая с синусом, понизив степень косинуса по формуле половинного угла. Для nn1{} \ge 1

Ψn(x)2\displaystyle \|\Psi_n(x)\|^2 =αβΨn(x)2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \Psi_n(x)^2 \,dx=αβcos[γn(xα)]2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \cos \left[ \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right]^2 \,dx=αβ1+cos[2γn(xα)]2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \frac{\displaystyle 1 + \cos \left[ 2 \cdot \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right]}{\displaystyle 2} \,dx=βα2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \beta - \alpha}{\displaystyle 2},n\displaystyle n(1..),\displaystyle {} \in (1..\infty),
(2.41)

поскольку интеграл от косинуса по целому числу полупериодов равен нулю: sin[2γn(βα)]\sin \left[ 2 \cdot \gamma_n \cdot (\beta - \alpha) \right]=sin(2πn){} = \sin(2 \cdot \pi \cdot n)=0{} = 0. Особый случай nn=0{} = 0 (при γ0\gamma_0=0{} = 0 собственная функция Ψ0(x)\Psi_0(x)=1{} = 1) вычислим отдельно

Ψ0(x)2\displaystyle \|\Psi_0(x)\|^2 =αβΨ0(x)2dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \Psi_0(x)^2 \,dx=αβ1dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta 1 \,dx=β\displaystyle {} = \betaα.\displaystyle {} - \alpha.
(2.42)

Финальное решение одномерной краевой задачи Дирихле с неоднородными граничными условиями примет вид

a1(t)\displaystyle a_1(t) =Φα(t)βΦβ(t)αβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha(t) \cdot \beta - \Phi_\beta(t) \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha},a2(t)\displaystyle a_2(t)=Φβ(t)Φα(t)βα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta(t) - \Phi_\alpha(t)}{\displaystyle \beta - \alpha},U(x,t)\displaystyle U(x, t) =a1(t)\displaystyle {} = a_1(t)+a2(t)x,\displaystyle {} + a_2(t) \cdot x,T^(x,0)\displaystyle \widehat{T}(x, 0) =T0(x)\displaystyle {} = T_0(x)U(x,0),\displaystyle {} - U(x, 0),f^(x,t)\displaystyle \widehat{f}(x, t) =f(x,t)\displaystyle {} = f(x, t)da1(t)dt\displaystyle {} - \frac{\displaystyle da_1(t)}{\displaystyle dt}da2(t)dtx,\displaystyle {} - \frac{\displaystyle da_2(t)}{\displaystyle dt} \cdot x,γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha},Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x)=sin[γn(xα)],\displaystyle {} = \sin \left[ \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right],Ψn(x)2\displaystyle \|\Psi_n(x)\|^2=βα2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \beta - \alpha}{\displaystyle 2},n\displaystyle n(1..),\displaystyle {} \in (1..\infty),T0n\displaystyle T_{0n} =αβT^(ω,0)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{T}(\omega, 0) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,fn(τ)\displaystyle f_n(\tau)=αβf^(ω,τ)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{f}(\omega, \tau) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,T^(x,t)\displaystyle \widehat{T}(x, t) =2βα\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle \beta - \alpha}n=1Ψn(x)\displaystyle {} \cdot \sum_{n=1}^{\infty} \Psi_n(x)ea2γn2t\displaystyle {} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot t}[T0n+0tea2γn2τfn(τ)dτ],\displaystyle {} \cdot \left[ T_{0n} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot \tau} \cdot f_n(\tau) \,d\tau \right],T(x,t)\displaystyle T(x, t) =U(x,t)\displaystyle {} = U(x, t)+T^(x,t).\displaystyle {} + \widehat{T}(x, t).
(2.43)

В задаче Неймана, в отличие от Дирихле, спектр содержит нулевую моду (γ0\gamma_0=0{} = 0, Ψ0(x)\Psi_0(x)=1{} = 1) — случай γn\gamma_n=0{} = 0, который в общем решении (2.18) был оставлен для отдельного рассмотрения; именно она даёт первое (незатухающее) слагаемое. Финальное решение одномерной краевой задачи Неймана с неоднородными граничными условиями примет вид

a1(t)\displaystyle a_1(t) =Φα(t)βΦβ(t)αβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha(t) \cdot \beta - \Phi_\beta(t) \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha},a2(t)\displaystyle a_2(t)=Φβ(t)Φα(t)2(βα),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta(t) - \Phi_\alpha(t)}{\displaystyle 2 \cdot (\beta - \alpha)},U(x,t)\displaystyle U(x, t) =a1(t)x\displaystyle {} = a_1(t) \cdot x+a2(t)x2,\displaystyle {} + a_2(t) \cdot x^2,T^(x,0)\displaystyle \widehat{T}(x, 0) =T0(x)\displaystyle {} = T_0(x)U(x,0),\displaystyle {} - U(x, 0),f^(x,t)\displaystyle \widehat{f}(x, t) =f(x,t)\displaystyle {} = f(x, t)da1(t)dtx\displaystyle {} - \frac{\displaystyle da_1(t)}{\displaystyle dt} \cdot xda2(t)dtx2\displaystyle {} - \frac{\displaystyle da_2(t)}{\displaystyle dt} \cdot x^2+2a2a2(t),\displaystyle {} + 2 \cdot a^2 \cdot a_2(t),γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha},Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x)=cos[γn(xα)],\displaystyle {} = \cos \left[ \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right],n\displaystyle n(0..),\displaystyle {} \in (0..\infty),Ψn(x)2\displaystyle \|\Psi_n(x)\|^2 =βα2(n1),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \beta - \alpha}{\displaystyle 2} \quad (n \ge 1),Ψ0(x)2\displaystyle \|\Psi_0(x)\|^2=β\displaystyle {} = \betaα,\displaystyle {} - \alpha,T0n\displaystyle T_{0n} =αβT^(ω,0)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{T}(\omega, 0) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,fn(τ)\displaystyle f_n(\tau)=αβf^(ω,τ)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{f}(\omega, \tau) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,T^(x,t)\displaystyle \widehat{T}(x, t) =1βα\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \beta - \alpha}[T00+0tf0(τ)dτ]\displaystyle {} \cdot \left[ T_{00} + \int_0^t f_0(\tau) \,d\tau \right]+2βα\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle \beta - \alpha}n=1Ψn(x)\displaystyle {} \cdot \sum_{n=1}^{\infty} \Psi_n(x)ea2γn2t\displaystyle {} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot t}[T0n+0tea2γn2τfn(τ)dτ],\displaystyle {} \cdot \left[ T_{0n} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot \tau} \cdot f_n(\tau) \,d\tau \right],T(x,t)\displaystyle T(x, t) =U(x,t)\displaystyle {} = U(x, t)+T^(x,t).\displaystyle {} + \widehat{T}(x, t).
(2.44)

Чтобы получить стационарные решения, устремим в найденных решениях время к бесконечности (tt{} \to \infty), как это сделано для общего случая в (2.18). Слагаемое с начальным условием занулится, поскольку ea2γn2te^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot t}0{} \to 0; источники и граничные условия перестают зависеть от времени, а интеграл по времени для γn\gamma_n0{} \neq 0 даёт множитель 1a2γn2\frac{1}{a^2 \cdot \gamma_n^2}:

0tea2γn2(tτ)dτ\displaystyle \int_0^t e^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot (t - \tau)} \,d\tau =1a2γn2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_n^2}ea2γn2(tτ)0t\displaystyle {} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot (t - \tau)} \bigg|_0^t=1a2γn2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_n^2}(1ea2γn2t)\displaystyle {} \cdot (1 - e^{- a^2 \cdot \gamma_n^2 \cdot t})1a2γn2приt\displaystyle {} \rightarrow \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_n^2} \quad \text{при} \quad t,\displaystyle {} \rightarrow \infty,γn\displaystyle \gamma_n0.\displaystyle {} \neq 0.

Стационарное решение одномерной краевой задачи Дирихле примет вид

a1\displaystyle a_1 =ΦαβΦβαβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha \cdot \beta - \Phi_\beta \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha},a2\displaystyle a_2=ΦβΦαβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta - \Phi_\alpha}{\displaystyle \beta - \alpha},U(x)\displaystyle U(x)=a1\displaystyle {} = a_1+a2x,\displaystyle {} + a_2 \cdot x,γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha},Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x)=sin[γn(xα)],\displaystyle {} = \sin \left[ \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right],n\displaystyle n(1..),\displaystyle {} \in (1..\infty),fn\displaystyle f_n =αβf(ω)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta f(\omega) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,T(x)\displaystyle T(x) =U(x)\displaystyle {} = U(x)+2βα\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle \beta - \alpha}n=1Ψn(x)a2γn2\displaystyle {} \cdot \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_n(x)}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_n^2}fn.\displaystyle {} \cdot f_n.
(2.45)

Стационарное решение одномерной краевой задачи Неймана не такое простое. В отличие от задачи Дирихле, чисто неймановская стационарная задача разрешима не всегда. Приведённая функция T^\widehat{T} удовлетворяет однородным условиям Неймана T^(α)\widehat{T}'(\alpha)=T^(β){} = \widehat{T}'(\beta)=0{} = 0 и стационарному уравнению a2T^(x)a^2 \cdot \widehat{T}''(x)+f^(x){} + \widehat{f}(x)=0{} = 0. Проинтегрируем его по отрезку [α,β][\alpha, \beta]:

0\displaystyle 0 =αβ(a2T^(x)+f^(x))dx\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \left( a^2 \cdot \widehat{T}''(x) + \widehat{f}(x) \right) dx=a2[T^(β)T^(α)]\displaystyle {} = a^2 \cdot \left[ \widehat{T}'(\beta) - \widehat{T}'(\alpha) \right]+αβf^(x)dx\displaystyle {} + \int_\alpha^\beta \widehat{f}(x) \,dx=αβf^(x)dx.\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{f}(x) \,dx.

Граничный член обратился в нуль в силу однородных условий Неймана, и осталось условие разрешимости (2.22): αβf^(ω)dω\int_\alpha^\beta \widehat{f}(\omega) \,d\omega=0{} = 0 — суммарный приведённый источник должен обращаться в нуль (иначе тепло накапливается, среднее неограниченно растёт и стационара нет). При выполнении этого условия решение определяется лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной CC: ей отвечает нулевая мода (γ0\gamma_0=0{} = 0, Ψ0(x)\Psi_0(x)=1{} = 1), амплитуда которой стационарным уравнением не фиксируется. С этой оговоркой решение примет вид

a1\displaystyle a_1 =ΦαβΦβαβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\alpha \cdot \beta - \Phi_\beta \cdot \alpha}{\displaystyle \beta - \alpha},a2\displaystyle a_2=ΦβΦα2(βα),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \Phi_\beta - \Phi_\alpha}{\displaystyle 2 \cdot (\beta - \alpha)},U(x)\displaystyle U(x)=a1x\displaystyle {} = a_1 \cdot x+a2x2,\displaystyle {} + a_2 \cdot x^2,f^(x)\displaystyle \widehat{f}(x) =f(x)\displaystyle {} = f(x)+2a2a2,\displaystyle {} + 2 \cdot a^2 \cdot a_2,γn\displaystyle \gamma_n =πnβα,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot n}{\displaystyle \beta - \alpha},Ψn(x)\displaystyle \Psi_n(x)=cos[γn(xα)],\displaystyle {} = \cos \left[ \gamma_n \cdot (x - \alpha) \right],n\displaystyle n(1..),\displaystyle {} \in (1..\infty),fn\displaystyle f_n =αβf^(ω)Ψn(ω)dω,\displaystyle {} = \int_\alpha^\beta \widehat{f}(\omega) \cdot \Psi_n(\omega) \,d\omega,T(x)\displaystyle T(x) =U(x)\displaystyle {} = U(x)+2βα\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle \beta - \alpha}n=1Ψn(x)a2γn2\displaystyle {} \cdot \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_n(x)}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_n^2}fn\displaystyle {} \cdot f_n+C,\displaystyle {} + C,C\displaystyle C=const.\displaystyle {} = \text{const}.
(2.46)