Двумерная краевая задача теплопроводности

Рассмотрим двумерную несимметричную задачу теплопроводности в круге радиуса RR. Уравнение теплопроводности (1.8) в полярных координатах принимает вид

∂T(r,θ,t)∂t\displaystyle \frac{\partial T(r, \theta, t)}{\partial t} =a2⋅∂2T(r,θ,t)∂r2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\partial^2 T(r, \theta, t)}{\partial r^2}​+a2⋅1r⋅∂T(r,θ,t)∂r\displaystyle {} + a^2 \cdot \frac{1}{r} \cdot \frac{\partial T(r, \theta, t)}{\partial r}​+a2⋅1r2⋅∂2T(r,θ,t)∂θ2\displaystyle {} + a^2 \cdot \frac{1}{r^2} \cdot \frac{\partial^2 T(r, \theta, t)}{\partial \theta^2}​+f(r,θ,t).\displaystyle {} + f(r, \theta, t).
(2.47)

Краевые условия Дирихле (1.13) в двумерном случае имеют вид

T(r,θ,0)\displaystyle T(r, \theta, 0) =T0(r,θ),\displaystyle {} = T_0(r, \theta),T(R,θ,t)\displaystyle T(R, \theta, t) =Φ(θ,t),\displaystyle {} = \Phi(\theta, t),T(r,θ,t)\displaystyle T(r, \theta, t) =T(r,θ+2π,t),\displaystyle {} = T(r, \theta + 2\pi, t),
(2.48)

где T0(r,θ)T_0(r, \theta) — начальное условие, Φ(θ,t)\Phi(\theta, t) — граничное условие, которое, разумеется, периодично по θ\theta.

Для избавления от неоднородности введём T(r,θ,t)T(r, \theta, t)​=T^(r,θ,t){} = \widehat{T}(r, \theta, t)​+U(θ,t){} + U(\theta, t), выберем функцию U(θ,t)U(\theta, t)​=Φ(θ,t){} = \Phi(\theta, t), в соответствии с (2.2). Тогда уравнение (2.47) и краевые условия (2.48) примут вид

∂T^(r,θ,t)∂t\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial t} =a2⋅∂2T^(r,θ,t)∂r2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial r^2}​+a2⋅1r⋅∂T^(r,θ,t)∂r\displaystyle {} + a^2 \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial r}​+a2\displaystyle {} + a^2​⋅1r2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2}​⋅∂2T^(r,θ,t)∂θ2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2}​+f^(r,θ,t),\displaystyle {} + \widehat{f}(r, \theta, t),T^(r,θ,0)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, 0) =T0(r,θ)\displaystyle {} = T_0(r, \theta)​−U(θ,0),\displaystyle {} - U(\theta, 0),T^(R,θ,t)\displaystyle \widehat{T}(R, \theta, t) =0,\displaystyle {} = 0,T^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, t) =T^(r,θ+2π,t),\displaystyle {} = \widehat{T}(r, \theta + 2\pi, t),
(2.49)

где f^(r,θ,t)\widehat{f}(r, \theta, t)​=f(r,θ,t){} = f(r, \theta, t)​−∂U(θ,t)∂t{} - \frac{\displaystyle \partial U(\theta, t)}{\displaystyle \partial t}​+a2⋅1r2⋅∂2U(θ,t)∂θ2{} + a^2 \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 U(\theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2}.

Краевые условия Неймана (1.14) в двумерном случае имеют вид

T(r,θ,0)\displaystyle T(r, \theta, 0) =T0(r,θ),\displaystyle {} = T_0(r, \theta),∂T(r,θ,t)∂n∣r=R\displaystyle \frac{\displaystyle \partial T(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \mathbf{n}} \bigg|_{r=R} =Φ(θ,t),\displaystyle {} = \Phi(\theta, t),T(r,θ,t)\displaystyle T(r, \theta, t) =T(r,θ+2π,t),\displaystyle {} = T(r, \theta + 2\pi, t),
(2.50)

где ∂T(r,θ,t)∂n∣r=R\frac{\displaystyle \partial T(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \mathbf{n}} \bigg|_{r=R} — нормальная производная температуры на окружности радиуса RR; направление нормали совпадает с направлением координаты rr.

Для избавления от неоднородности введём T(r,θ,t)T(r, \theta, t)​=T^(r,θ,t){} = \widehat{T}(r, \theta, t)​+U(r,θ,t){} + U(r, \theta, t), выберем функцию U(r,θ,t)U(r, \theta, t)​=Φ(θ,t)⋅r{} = \Phi(\theta, t) \cdot r — она удовлетворяет условию (2.3): ∂U(r,θ,t)∂n∣r=R\frac{\displaystyle \partial U(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \mathbf{n}} \bigg|_{r=R}​=Φ(θ,t){} = \Phi(\theta, t). Тогда уравнение (2.47) и краевые условия (2.50) примут вид

∂T^(r,θ,t)∂t\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial t} =a2⋅∂2T^(r,θ,t)∂r2\displaystyle {} = a^2 \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial r^2}​+a2⋅1r⋅∂T^(r,θ,t)∂r\displaystyle {} + a^2 \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial r}​+a2\displaystyle {} + a^2​⋅1r2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2}​⋅∂2T^(r,θ,t)∂θ2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2}​+f^(r,θ,t),\displaystyle {} + \widehat{f}(r, \theta, t),T^(r,θ,0)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, 0) =T0(r,θ)\displaystyle {} = T_0(r, \theta)​−U(r,θ,0),\displaystyle {} - U(r, \theta, 0),∂T^(r,θ,t)∂n∣r=R\displaystyle \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \mathbf{n}} \bigg|_{r=R} =0,\displaystyle {} = 0,T^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, t) =T^(r,θ+2π,t),\displaystyle {} = \widehat{T}(r, \theta + 2\pi, t),
(2.51)

где f^(r,θ,t)\widehat{f}(r, \theta, t)​=f(r,θ,t){} = f(r, \theta, t)​−∂U(r,θ,t)∂t{} - \frac{\displaystyle \partial U(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial t}​+a2⋅1r⋅∂U(r,θ,t)∂r{} + a^2 \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle \partial U(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial r}​+a2⋅1r2⋅∂2U(r,θ,t)∂θ2{} + a^2 \cdot \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 U(r, \theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2}.

Уравнение (2.8) примет вид

∂2Ψ(r,θ)∂r2\displaystyle \frac{\displaystyle \partial^2 \Psi(r, \theta)}{\displaystyle \partial r^2}​+1r⋅∂Ψ(r,θ)∂r\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle \partial \Psi(r, \theta)}{\displaystyle \partial r}​+1r2⋅∂2Ψ(r,θ)∂θ2\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \Psi(r, \theta)}{\displaystyle \partial \theta^2}​+γ2⋅Ψ(r,θ)\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot \Psi(r, \theta)​=0.\displaystyle {} = 0.
(2.52)

Представим функцию Ψ(r,θ)\Psi(r, \theta) в виде произведения двух функций Ψ(r,θ)\Psi(r, \theta)​=Λ(r)⋅Υ(θ){} = \Lambda(r) \cdot \Upsilon(\theta), подставим в уравнение (2.52) и проведём преобразования

d2Λ(r)dr2⋅Υ(θ)\displaystyle \frac{\displaystyle d^2 \Lambda(r)}{\displaystyle dr^2} \cdot \Upsilon(\theta)​+1r⋅dΛ(r)dr⋅Υ(θ)\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle d \Lambda(r)}{\displaystyle dr} \cdot \Upsilon(\theta)​+1r2⋅d2Υ(θ)dθ2⋅Λ(r)\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Upsilon(\theta)}{\displaystyle d\theta^2} \cdot \Lambda(r)​+γ2⋅Λ(r)⋅Υ(θ)\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot \Lambda(r) \cdot \Upsilon(\theta)​=0,\displaystyle {} = 0,
r2⋅d2Λ(r)dr2⋅Υ(θ)\displaystyle r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Lambda(r)}{\displaystyle dr^2} \cdot \Upsilon(\theta)​+r⋅dΛ(r)dr⋅Υ(θ)\displaystyle {} + r \cdot \frac{\displaystyle d \Lambda(r)}{\displaystyle dr} \cdot \Upsilon(\theta)​+d2Υ(θ)dθ2⋅Λ(r)\displaystyle {} + \frac{\displaystyle d^2 \Upsilon(\theta)}{\displaystyle d\theta^2} \cdot \Lambda(r)​+γ2⋅r2⋅Λ(r)⋅Υ(θ)\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot r^2 \cdot \Lambda(r) \cdot \Upsilon(\theta)​=0,\displaystyle {} = 0,
[r2⋅d2Λ(r)dr2\displaystyle \biggl[ r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Lambda(r)}{\displaystyle dr^2}​+r⋅dΛ(r)dr\displaystyle {} + r \cdot \frac{\displaystyle d \Lambda(r)}{\displaystyle dr}​+γ2⋅r2⋅Λ(r)]⋅Υ(θ)\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot r^2 \cdot \Lambda(r) \biggr] \cdot \Upsilon(\theta)​=−d2Υ(θ)dθ2⋅Λ(r),\displaystyle {} = - \frac{\displaystyle d^2 \Upsilon(\theta)}{\displaystyle d\theta^2} \cdot \Lambda(r),
1Λ(r)⋅[r2⋅d2Λ(r)dr2\displaystyle \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \Lambda(r)} \cdot \biggl[ r^2 \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Lambda(r)}{\displaystyle dr^2}​+r⋅dΛ(r)dr\displaystyle {} + r \cdot \frac{\displaystyle d \Lambda(r)}{\displaystyle dr}​+γ2⋅r2⋅Λ(r)]\displaystyle {} + \gamma^2 \cdot r^2 \cdot \Lambda(r) \biggr]​=m2\displaystyle {} = m^2​=−1Υ(θ)⋅d2Υ(θ)dθ2.\displaystyle {} = - \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \Upsilon(\theta)} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Upsilon(\theta)}{\displaystyle d\theta^2}.

Мы ввели константу m2m^2 по аналогии с разделением переменных для времени и геометрии. Теперь перепишем в виде системы из двух уравнений: одно — по углу θ\theta, другое — по радиусу rr.

d2Υ(θ)dθ2\displaystyle \frac{\displaystyle d^2 \Upsilon(\theta)}{\displaystyle d\theta^2}​+m2⋅Υ(θ)\displaystyle {} + m^2 \cdot \Upsilon(\theta)​=0,\displaystyle {} = 0,d2Λ(r)dr2\displaystyle \frac{\displaystyle d^2 \Lambda(r)}{\displaystyle dr^2}​+1r⋅dΛ(r)dr\displaystyle {} + \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle d \Lambda(r)}{\displaystyle dr}​+(γ2−m2r2)⋅Λ(r)\displaystyle {} + \left( \gamma^2 - \frac{\displaystyle m^2}{\displaystyle r^2} \right) \cdot \Lambda(r)​=0.\displaystyle {} = 0.
(2.53)

Решение уравнения для угла θ\theta может быть представлено синусом или косинусом, так как обе эти функции периодичны и удовлетворяют граничному условию Υ(θ)\Upsilon(\theta)​=Υ(θ+2π){} = \Upsilon(\theta + 2\pi), что накладывает ограничение на mm — оно должно быть целым числом. Получается два семейства решений; в дальнейшем возьмём их суперпозицию.

Υ1m(θ)\displaystyle \Upsilon_{1m}(\theta) =C1m⋅sin⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} = C_{1m} \cdot \sin(m \cdot \theta), m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Υ2m(θ)\displaystyle \Upsilon_{2m}(\theta) =C2m⋅cos⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} = C_{2m} \cdot \cos(m \cdot \theta), m​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).
(2.54)

Примем коэффициенты C1mC_{1m} и C2mC_{2m} перед синусом и косинусом равными единице — эти множители всё равно вбираются в коэффициенты разложения. Решение уравнения для радиуса rr имеет вид

Λm(r)\displaystyle \Lambda_m(r) =A1m⋅Jm(γ⋅r)\displaystyle {} = A_{1m} \cdot J_m(\gamma \cdot r)​+A2m⋅Ym(γ⋅r),\displaystyle {} + A_{2m} \cdot Y_m(\gamma \cdot r),
(2.55)

где Jm(γ⋅r)J_m(\gamma \cdot r) и Ym(γ⋅r)Y_m(\gamma \cdot r) — функции Бесселя первого и второго рода соответственно, A1mA_{1m} и A2mA_{2m} — коэффициенты, определяемые из граничных условий, а вес, обеспечивающий ортогональность собственных функций, ρ(r,θ)\rho(r, \theta)​=r{} = r. Причём для того, чтобы функция Λm(r)\Lambda_m(r) была ограниченной при rr​→0{} \to 0, необходимо, чтобы A2mA_{2m}​=0{} = 0: функция Бесселя второго рода бесконечна в нуле, что видно на рисунке (B.2).

Таким образом, решения уравнения (2.52) имеют вид

Ψ1m(r,θ)\displaystyle \Psi_{1m}(r, \theta) =Λm(r)⋅Υ1m(θ)\displaystyle {} = \Lambda_m(r) \cdot \Upsilon_{1m}(\theta)​=A1m⋅Jm(γ⋅r)⋅sin⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} = A_{1m} \cdot J_m(\gamma \cdot r) \cdot \sin(m \cdot \theta), m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2m(r,θ)\displaystyle \Psi_{2m}(r, \theta) =Λm(r)⋅Υ2m(θ)\displaystyle {} = \Lambda_m(r) \cdot \Upsilon_{2m}(\theta)​=A1m⋅Jm(γ⋅r)⋅cos⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} = A_{1m} \cdot J_m(\gamma \cdot r) \cdot \cos(m \cdot \theta), m​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).
(2.56)

Подставим решения (2.56) в граничные условия (2.49) и получим

A1m⋅Jm(γ⋅R)⋅sin⁡(m⋅θ)\displaystyle A_{1m} \cdot J_m(\gamma \cdot R) \cdot \sin(m \cdot \theta) =0,m\displaystyle {} = 0, m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),A1m⋅Jm(γ⋅R)⋅cos⁡(m⋅θ)\displaystyle A_{1m} \cdot J_m(\gamma \cdot R) \cdot \cos(m \cdot \theta) =0,m\displaystyle {} = 0, m​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).

Понятно, что решение имеет смысл только тогда, когда A1mA_{1m}​≠0{} \neq 0, что возможно только тогда, когда Jm(γ⋅R)J_m(\gamma \cdot R)​=0{} = 0. Обозначим корни уравнения Jm(μ)J_m(\mu)​=0{} = 0 через μmk\mu_{mk} — тогда собственные значения примут вид

Jm(γ⋅R)\displaystyle J_m(\gamma \cdot R) =0  \displaystyle {} = 0 \;​⇒  γmk\displaystyle {} \Rightarrow\; \gamma_{mk}​=μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​k\displaystyle k​∈(1..∞).\displaystyle {} \in (1..\infty).
(2.57)

Нулевой и отрицательные корни не годятся: при μ\mu​=0{} = 0 имеем γ\gamma​=0{} = 0, и для mm​≥1{} \ge 1 собственная функция Jm(0⋅r)J_m(0 \cdot r)​≡0{} \equiv 0 — тождественный нуль, не являющийся собственной функцией, а для mm​=0{} = 0 нуль вообще не является корнем: J0(0)J_0(0)​=1{} = 1. Отрицательные корни новых решений не дают: Jm(−μ)J_m(-\mu)​=(−1)m⋅Jm(μ){} = (-1)^m \cdot J_m(\mu) — собственная функция та же с точностью до знака. Поэтому берём только положительные корни: μmk,k\mu_{mk}, k​∈(1..∞){} \in (1..\infty).

Таким образом, собственные значения и собственные функции имеют вид

γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,k\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R}, k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =A1mk\displaystyle {} = A_{1mk}​⋅Jm(γmk⋅r)\displaystyle {} \cdot J_m(\gamma_{mk} \cdot r)​⋅sin⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} \cdot \sin(m \cdot \theta), m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =A1mk\displaystyle {} = A_{1mk}​⋅Jm(γmk⋅r)\displaystyle {} \cdot J_m(\gamma_{mk} \cdot r)​⋅cos⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} \cdot \cos(m \cdot \theta), m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),
(2.58)

где A1mkA_{1mk} — произвольный постоянный множитель: собственная функция определена с точностью до него. Положим A1mkA_{1mk}​=1{} = 1 — этот множитель всё равно вбирается в коэффициенты разложения, как и в общем решении.

Для разложения функций в ряд Фурье по Ψ1mk(r,θ)\Psi_{1mk}(r, \theta) и Ψ2mk(r,θ)\Psi_{2mk}(r, \theta) необходимо вычислить нормы ∥Ψ1mk(r,θ)∥2\|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 и ∥Ψ2mk(r,θ)∥2\|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2, вес для полярных координат ρ(r,θ)\rho(r, \theta)​=r{} = r.

∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =∫0Rr\displaystyle {} = \int_0^R r​⋅Jm2(γmk⋅r) dr∫02πsin⁡2(m⋅θ) dθ,m\displaystyle {} \cdot J_m^2(\gamma_{mk} \cdot r) \,dr \int_0^{2\pi} \sin^2(m \cdot \theta) \,d\theta, m​∈(1..∞),k\displaystyle {} \in (1..\infty), k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 =∫0Rr\displaystyle {} = \int_0^R r​⋅Jm2(γmk⋅r) dr∫02πcos⁡2(m⋅θ) dθ,m\displaystyle {} \cdot J_m^2(\gamma_{mk} \cdot r) \,dr \int_0^{2\pi} \cos^2(m \cdot \theta) \,d\theta, m​∈(0..∞),k\displaystyle {} \in (0..\infty), k​∈(1..∞).\displaystyle {} \in (1..\infty).
∫02πsin⁡2(m⋅θ) dθ\displaystyle \int_0^{2\pi} \sin^2(m \cdot \theta) \,d\theta =π,m\displaystyle {} = \pi, m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),∫02πcos⁡2(m⋅θ) dθ\displaystyle \int_0^{2\pi} \cos^2(m \cdot \theta) \,d\theta ={2⋅π,m=0,π,m≥1,m\displaystyle {} = \begin{cases} 2 \cdot \pi, & m = 0, \\ \pi, & m \geq 1 \end{cases}, m​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).
(2.59)

Сделаем замену xx​=γmk⋅r{} = \gamma_{mk} \cdot r​=μmkR⋅r{} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R} \cdot r.

∫0Rr⋅Jm2(γmk⋅r) dr\displaystyle \int_0^R r \cdot J_m^2(\gamma_{mk} \cdot r) \,dr =∫0Rr⋅Jm2(μmkR⋅r) dr\displaystyle {} = \int_0^R r \cdot J_m^2\left(\frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R} \cdot r\right) \,dr​=R2μmk2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle R^2}{\displaystyle \mu_{mk}^2}​⋅∫0μmkx\displaystyle {} \cdot \int_0^{\mu_{mk}} x​⋅Jm2(x) dx.\displaystyle {} \cdot J_m^2(x) \,dx.

Воспользуемся формулой (C.6) для вычисления нормы

∫0μmkx⋅Jm2(x) dx\displaystyle \int_0^{\mu_{mk}} x \cdot J_m^2(x) \,dx =μmk22⋅Jm+12(μmk).\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}).

В итоге получаем

∫0Rr⋅Jm2(γmk⋅r) dr\displaystyle \int_0^R r \cdot J_m^2(\gamma_{mk} \cdot r) \,dr =R2μmk2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle R^2}{\displaystyle \mu_{mk}^2}​⋅μmk22\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle \mu_{mk}^2}{\displaystyle 2}​⋅Jm+12(μmk)\displaystyle {} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk})​=R22⋅Jm+12(μmk).\displaystyle {} = \frac{\displaystyle R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}).
(2.60)

Нормы для ∥Ψ1mk(r,θ)∥2\|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 и ∥Ψ2mk(r,θ)∥2\|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 имеют вид

∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R22⋅Jm+12(μmk),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}),∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 ={π⋅R2⋅Jm+12(μmk),m=0,π⋅R22⋅Jm+12(μmk),m≥1.\displaystyle {} = \begin{cases} \pi \cdot R^2 \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}), & m = 0, \\ \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}), & m \geq 1 \end{cases}.
(2.61)

Теперь подставим решение (2.56) в граничные условия (2.51) и получим

A1m⋅γ⋅Jm′(γ⋅R)⋅sin⁡(m⋅θ)\displaystyle A_{1m} \cdot \gamma \cdot J_m'(\gamma \cdot R) \cdot \sin(m \cdot \theta) =0,m\displaystyle {} = 0, m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),A1m⋅γ⋅Jm′(γ⋅R)⋅cos⁡(m⋅θ)\displaystyle A_{1m} \cdot \gamma \cdot J_m'(\gamma \cdot R) \cdot \cos(m \cdot \theta) =0,m\displaystyle {} = 0, m​∈(0..∞).\displaystyle {} \in (0..\infty).

Понятно, что решение имеет смысл только тогда, когда A1mA_{1m}​≠0{} \neq 0, что возможно только тогда, когда Jm′(γ⋅R)J_m'(\gamma \cdot R)​=0{} = 0. Обозначим корни уравнения Jm′(μ)J_m'(\mu)​=0{} = 0 через μmk\mu_{mk} — тогда собственные значения примут вид

Jm′(γ⋅R)\displaystyle J_m'(\gamma \cdot R) =0  \displaystyle {} = 0 \;​⇒  γmk\displaystyle {} \Rightarrow\; \gamma_{mk}​=μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​k\displaystyle k​∈(1..∞).\displaystyle {} \in (1..\infty).
(2.62)

Здесь, в отличие от задачи Дирихле, нулевая мода сохраняется: при mm​=0{} = 0 нуль является корнем уравнения J0′(μ)J_0'(\mu)​=0{} = 0, и ему отвечают γ\gamma​=0{} = 0 и собственная функция Ψ(r,θ)\Psi(r, \theta)​=J0(0){} = J_0(0)​=1{} = 1 — ненулевая постоянная, то есть полноценная собственная функция (постоянная мода). Будем считать её первым корнем: μ01\mu_{01}​=0{} = 0. Для mm​≥1{} \ge 1 нулевой корень собственной функции не даёт (Jm(0⋅r)J_m(0 \cdot r)​≡0{} \equiv 0), поэтому там по-прежнему берутся только положительные корни.

Таким образом, собственные значения и собственные функции имеют вид

γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,k\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R}, k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),​μ01\displaystyle \mu_{01}​=0,\displaystyle {} = 0,Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =A1mk\displaystyle {} = A_{1mk}​⋅Jm(γmk⋅r)\displaystyle {} \cdot J_m(\gamma_{mk} \cdot r)​⋅sin⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} \cdot \sin(m \cdot \theta), m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =A1mk\displaystyle {} = A_{1mk}​⋅Jm(γmk⋅r)\displaystyle {} \cdot J_m(\gamma_{mk} \cdot r)​⋅cos⁡(m⋅θ),m\displaystyle {} \cdot \cos(m \cdot \theta), m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),
(2.63)

где A1mkA_{1mk} — произвольный постоянный множитель; положим его, как и прежде, равным единице.

Нормы собственных функций вычислим так же, как в задаче Дирихле: интеграл по углу остаётся тем же (2.59), а вот интеграл по радиусу принимает другое значение — воспользуемся формулой (D.2) для вычисления нормы

∫0μmkx⋅Jm2(x) dx\displaystyle \int_0^{\mu_{mk}} x \cdot J_m^2(x) \,dx =(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2.\displaystyle {} = \left( \mu_{mk}^2 - m^2 \right) \cdot \frac{\displaystyle J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2}.

В итоге получаем

∫0Rr⋅Jm2(γmk⋅r) dr\displaystyle \int_0^R r \cdot J_m^2(\gamma_{mk} \cdot r) \,dr =R2μmk2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle R^2}{\displaystyle \mu_{mk}^2}​⋅(μmk2−m2)\displaystyle {} \cdot \left( \mu_{mk}^2 - m^2 \right)​⋅Jm2(μmk)2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2}​=R2\displaystyle {} = R^2​⋅(μmk2−m2)\displaystyle {} \cdot \left( \mu_{mk}^2 - m^2 \right)​⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2.\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2}.
(2.64)

Особый случай μ01\mu_{01}​=0{} = 0 (при γ01\gamma_{01}​=0{} = 0 собственная функция Ψ201(r,θ)\Psi_{201}(r, \theta)​=1{} = 1) вычислим отдельно

∥Ψ201(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{201}(r, \theta)\|^2 =∫0R∫02π1⋅r dr dθ\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} 1 \cdot r \,dr \,d\theta​=π⋅R2.\displaystyle {} = \pi \cdot R^2.
(2.65)

Нормы для ∥Ψ1mk(r,θ)∥2\|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 и ∥Ψ2mk(r,θ)∥2\|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 имеют вид

∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2},∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 ={π⋅R2⋅Jm2(μmk),m=0,π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,m≥1.\displaystyle {} = \begin{cases} \pi \cdot R^2 \cdot J_m^2(\mu_{mk}), & m = 0, \\ \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2}, & m \geq 1 \end{cases}.
(2.66)

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

U(θ,t)\displaystyle U(\theta, t) =Φ(θ,t),\displaystyle {} = \Phi(\theta, t),T^(r,θ,0)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, 0) =T0(r,θ)\displaystyle {} = T_0(r, \theta)​−U(θ,0),\displaystyle {} - U(\theta, 0),f^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{f}(r, \theta, t) =f(r,θ,t)\displaystyle {} = f(r, \theta, t)​−∂Φ(θ,t)∂t\displaystyle {} - \frac{\displaystyle \partial \Phi(\theta, t)}{\displaystyle \partial t}​+a2r2⋅∂2Φ(θ,t)∂θ2,\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \Phi(\theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2},γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​Jm(μmk)\displaystyle J_m(\mu_{mk})​=0,\displaystyle {} = 0,​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅sin⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \sin(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅cos⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \cos(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R22⋅Jm+12(μmk),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}),∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 ={π⋅R2⋅Jm+12(μmk),m=0,π⋅R22⋅Jm+12(μmk),m≥1,\displaystyle {} = \begin{cases} \pi \cdot R^2 \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}), & m = 0, \\ \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}), & m \geq 1 \end{cases},T01mk\displaystyle T_{01mk} =∫0R∫02πT^(r,θ,0)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{T}(r, \theta, 0)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T02mk\displaystyle T_{02mk} =∫0R∫02πT^(r,θ,0)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{T}(r, \theta, 0)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f1mk(t)\displaystyle f_{1mk}(t) =∫0R∫02πf^(r,θ,t)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta, t)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f2mk(t)\displaystyle f_{2mk}(t) =∫0R∫02πf^(r,θ,t)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta, t)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, t) =∑m=1∞∑k=1∞Ψ1mk(r,θ)∥Ψ1mk(r,θ)∥2⋅e−a2⋅γmk2⋅t⋅[T01mk\displaystyle {} = \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t} \cdot \Biggl[ T_{01mk}​+∫0tea2⋅γmk2⋅τ⋅f1mk(τ) dτ]\displaystyle {} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot \tau} \cdot f_{1mk}(\tau) \,d\tau \Biggr]​+∑m=0∞∑k=1∞Ψ2mk(r,θ)∥Ψ2mk(r,θ)∥2⋅e−a2⋅γmk2⋅t⋅[T02mk\displaystyle {} + \sum_{m=0}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t} \cdot \Biggl[ T_{02mk}​+∫0tea2⋅γmk2⋅τ⋅f2mk(τ) dτ],\displaystyle {} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot \tau} \cdot f_{2mk}(\tau) \,d\tau \Biggr] ,T(r,θ,t)\displaystyle T(r, \theta, t) =U(θ,t)\displaystyle {} = U(\theta, t)​+T^(r,θ,t).\displaystyle {} + \widehat{T}(r, \theta, t).
(2.67)

В задаче Неймана, в отличие от Дирихле, спектр содержит нулевую моду (γ01\gamma_{01}​=0{} = 0, Ψ201(r,θ)\Psi_{201}(r, \theta)​=1{} = 1) — случай γ\gamma​=0{} = 0, который в общем решении (2.18) был оставлен для отдельного рассмотрения; именно она даёт незатухающее слагаемое — член с mm​=0,k{} = 0, k​=1{} = 1 во второй сумме. Финальное решение двумерной краевой задачи Неймана с неоднородными граничными условиями примет вид

U(r,θ,t)\displaystyle U(r, \theta, t) =Φ(θ,t)⋅r,\displaystyle {} = \Phi(\theta, t) \cdot r,T^(r,θ,0)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, 0) =T0(r,θ)\displaystyle {} = T_0(r, \theta)​−U(r,θ,0),\displaystyle {} - U(r, \theta, 0),f^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{f}(r, \theta, t) =f(r,θ,t)\displaystyle {} = f(r, \theta, t)​−r⋅∂Φ(θ,t)∂t\displaystyle {} - r \cdot \frac{\displaystyle \partial \Phi(\theta, t)}{\displaystyle \partial t}​+a2⋅Φ(θ,t)r\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2 \cdot \Phi(\theta, t)}{\displaystyle r}​+a2r⋅∂2Φ(θ,t)∂θ2,\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle \partial^2 \Phi(\theta, t)}{\displaystyle \partial \theta^2},γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​Jm′(μmk)\displaystyle J_m'(\mu_{mk})​=0,\displaystyle {} = 0,​μ01\displaystyle \mu_{01}​=0,\displaystyle {} = 0,​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅sin⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \sin(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅cos⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \cos(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2},∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 ={π⋅R2⋅Jm2(μmk),m=0,π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,m≥1,\displaystyle {} = \begin{cases} \pi \cdot R^2 \cdot J_m^2(\mu_{mk}), & m = 0, \\ \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2}, & m \geq 1 \end{cases},T01mk\displaystyle T_{01mk} =∫0R∫02πT^(r,θ,0)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{T}(r, \theta, 0)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T02mk\displaystyle T_{02mk} =∫0R∫02πT^(r,θ,0)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{T}(r, \theta, 0)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f1mk(t)\displaystyle f_{1mk}(t) =∫0R∫02πf^(r,θ,t)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta, t)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f2mk(t)\displaystyle f_{2mk}(t) =∫0R∫02πf^(r,θ,t)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta, t)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T^(r,θ,t)\displaystyle \widehat{T}(r, \theta, t) =∑m=1∞∑k=1∞Ψ1mk(r,θ)∥Ψ1mk(r,θ)∥2⋅e−a2⋅γmk2⋅t⋅[T01mk\displaystyle {} = \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t} \cdot \Biggl[ T_{01mk}​+∫0tea2⋅γmk2⋅τ⋅f1mk(τ) dτ]\displaystyle {} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot \tau} \cdot f_{1mk}(\tau) \,d\tau \Biggr]​+∑m=0∞∑k=1∞Ψ2mk(r,θ)∥Ψ2mk(r,θ)∥2⋅e−a2⋅γmk2⋅t⋅[T02mk\displaystyle {} + \sum_{m=0}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2} \cdot e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t} \cdot \Biggl[ T_{02mk}​+∫0tea2⋅γmk2⋅τ⋅f2mk(τ) dτ],\displaystyle {} + \int_0^t e^{a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot \tau} \cdot f_{2mk}(\tau) \,d\tau \Biggr] ,T(r,θ,t)\displaystyle T(r, \theta, t) =U(r,θ,t)\displaystyle {} = U(r, \theta, t)​+T^(r,θ,t).\displaystyle {} + \widehat{T}(r, \theta, t).
(2.68)

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 e−a2⋅γmk2⋅te^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t}​→0{} \to 0; источники и граничные условия перестают зависеть от времени, а интеграл по времени для γmk\gamma_{mk}​≠0{} \neq 0 даёт множитель 1a2⋅γmk2\frac{1}{a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}:

∫0te−a2⋅γmk2⋅(t−τ) dτ\displaystyle \int_0^t e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot (t - \tau)} \,d\tau =1a2⋅γmk2\displaystyle {} = \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}​⋅(1−e−a2⋅γmk2⋅t)\displaystyle {} \cdot (1 - e^{- a^2 \cdot \gamma_{mk}^2 \cdot t})​→1a2⋅γmk2приt\displaystyle {} \rightarrow \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2} \quad \text{при} \quad t​→∞,\displaystyle {} \rightarrow \infty,​γmk\displaystyle \gamma_{mk}​≠0.\displaystyle {} \neq 0.

Стационарное решение двумерной краевой задачи Дирихле примет вид

U(θ)\displaystyle U(\theta) =Φ(θ),\displaystyle {} = \Phi(\theta),f^(r,θ)\displaystyle \widehat{f}(r, \theta) =f(r,θ)\displaystyle {} = f(r, \theta)​+a2r2⋅d2Φ(θ)dθ2,\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2}{\displaystyle r^2} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Phi(\theta)}{\displaystyle d\theta^2},γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​Jm(μmk)\displaystyle J_m(\mu_{mk})​=0,\displaystyle {} = 0,​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅sin⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \sin(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅cos⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \cos(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R22⋅Jm+12(μmk),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}),∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅Jm+12(μmk),\displaystyle {} = \pi \cdot R^2 \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}),​m\displaystyle m​=0,\displaystyle {} = 0,∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R22⋅Jm+12(μmk),\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2}{\displaystyle 2} \cdot J_{m+1}^2(\mu_{mk}),​m\displaystyle m​≥1,\displaystyle {} \geq 1,f1mk\displaystyle f_{1mk} =∫0R∫02πf^(r,θ)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f2mk\displaystyle f_{2mk} =∫0R∫02πf^(r,θ)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T(r,θ)\displaystyle T(r, \theta) =U(θ)\displaystyle {} = U(\theta)​+∑m=1∞∑k=1∞Ψ1mk(r,θ)∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle {} + \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2}​⋅f1mka2⋅γmk2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle f_{1mk}}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}​+∑m=0∞∑k=1∞Ψ2mk(r,θ)∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle {} + \sum_{m=0}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2}​⋅f2mka2⋅γmk2.\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle f_{2mk}}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}.
(2.69)

Стационарное решение двумерной краевой задачи Неймана не такое простое. В отличие от задачи Дирихле, чисто неймановская стационарная задача разрешима не всегда. Приведённая функция T^(r,θ)\widehat{T}(r, \theta) удовлетворяет однородным условиям Неймана и стационарному уравнению a2⋅ΔT^(r,θ)a^2 \cdot \Delta \widehat{T}(r, \theta)​+f^(r,θ){} + \widehat{f}(r, \theta)​=0{} = 0. Проинтегрируем его по области:

0\displaystyle 0 =∫0R∫02π(a2⋅ΔT^+f^)r dr dθ\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \left( a^2 \cdot \Delta \widehat{T} + \widehat{f} \right) r \,dr \,d\theta​=a2∮r=R∂T^∂n dl\displaystyle {} = a^2 \oint_{r=R} \frac{\displaystyle \partial \widehat{T}}{\displaystyle \partial \mathbf{n}} \,dl​+∫0R∫02πf^⋅r dr dθ\displaystyle {} + \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f} \cdot r \,dr \,d\theta​=∫0R∫02πf^(r,θ)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta)​⋅r dr dθ.\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta.

Граничный интеграл обратился в нуль в силу однородных условий Неймана, и осталось условие разрешимости (2.22): ∫0R∫02πf^(r,θ)⋅r dr dθ\int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta) \cdot r \,dr \,d\theta​=0{} = 0 — суммарный приведённый источник по области должен обращаться в нуль (иначе тепло накапливается и стационара нет). При его выполнении решение определяется лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной CC: ей отвечает нулевая мода (γ01\gamma_{01}​=0{} = 0, Ψ201(r,θ)\Psi_{201}(r, \theta)​=1{} = 1), амплитуда которой стационарным уравнением не фиксируется. С этой оговоркой решение примет вид

U(r,θ)\displaystyle U(r, \theta) =Φ(θ)⋅r,\displaystyle {} = \Phi(\theta) \cdot r,f^(r,θ)\displaystyle \widehat{f}(r, \theta) =f(r,θ)\displaystyle {} = f(r, \theta)​+a2⋅Φ(θ)r\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2 \cdot \Phi(\theta)}{\displaystyle r}​+a2r⋅d2Φ(θ)dθ2,\displaystyle {} + \frac{\displaystyle a^2}{\displaystyle r} \cdot \frac{\displaystyle d^2 \Phi(\theta)}{\displaystyle d\theta^2},γmk\displaystyle \gamma_{mk} =μmkR,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \mu_{mk}}{\displaystyle R},​Jm′(μmk)\displaystyle J_m'(\mu_{mk})​=0,\displaystyle {} = 0,​μmk\displaystyle \mu_{mk}​>0,\displaystyle {} > 0,​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),​k\displaystyle k​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ1mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅sin⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \sin(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(1..∞),\displaystyle {} \in (1..\infty),Ψ2mk(r,θ)\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta) =Jm(γmk⋅r)⋅cos⁡(m⋅θ),\displaystyle {} = J_m(\gamma_{mk} \cdot r) \cdot \cos(m \cdot \theta),​m\displaystyle m​∈(0..∞),\displaystyle {} \in (0..\infty),∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2},∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅Jm2(μmk),\displaystyle {} = \pi \cdot R^2 \cdot J_m^2(\mu_{mk}),​m\displaystyle m​=0,\displaystyle {} = 0,∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2 =π⋅R2⋅(μmk2−m2)⋅Jm2(μmk)2⋅μmk2,\displaystyle {} = \frac{\displaystyle \pi \cdot R^2 \cdot ( \mu_{mk}^2 - m^2 ) \cdot J_m^2(\mu_{mk})}{\displaystyle 2 \cdot \mu_{mk}^2},​m\displaystyle m​≥1,\displaystyle {} \geq 1,f1mk\displaystyle f_{1mk} =∫0R∫02πf^(r,θ)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta)​⋅Ψ1mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{1mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,f2mk\displaystyle f_{2mk} =∫0R∫02πf^(r,θ)\displaystyle {} = \int_0^R \int_0^{2\pi} \widehat{f}(r, \theta)​⋅Ψ2mk(r,θ)\displaystyle {} \cdot \Psi_{2mk}(r, \theta)​⋅r dr dθ,\displaystyle {} \cdot r \,dr \,d\theta,T(r,θ)\displaystyle T(r, \theta) =U(r,θ)\displaystyle {} = U(r, \theta)​+∑m=1∞∑k=1∞Ψ1mk(r,θ)∥Ψ1mk(r,θ)∥2\displaystyle {} + \sum_{m=1}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{1mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{1mk}(r, \theta)\|^2}​⋅f1mka2⋅γmk2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle f_{1mk}}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}​+∑m=0∞∑k=1∞Ψ2mk(r,θ)∥Ψ2mk(r,θ)∥2\displaystyle {} + \sum_{m=0}^{\infty} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\displaystyle \Psi_{2mk}(r, \theta)}{\displaystyle \|\Psi_{2mk}(r, \theta)\|^2}​⋅f2mka2⋅γmk2\displaystyle {} \cdot \frac{\displaystyle f_{2mk}}{\displaystyle a^2 \cdot \gamma_{mk}^2}​+C,\displaystyle {} + C,​C\displaystyle C​=const.\displaystyle {} = \text{const}.
(2.70)