没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
应用力学的辛数学方法习题集
需积分: 3 0 下载量 131 浏览量
2023-03-15
22:06:48
上传
评论
收藏 709KB PDF 举报
温馨提示
![preview](https://dl-preview.csdnimg.cn/87581096/0001-7cb8285df7f5cddd85457b1321ff69af_thumbnail.jpeg)
![preview-icon](https://csdnimg.cn/release/downloadcmsfe/public/img/scale.ab9e0183.png)
试读
72页
辛数学
资源推荐
资源详情
资源评论
![pdf](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083512.png)
![zip](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083736.png)
![zip](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083736.png)
![pdf](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083512.png)
![pdf](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083512.png)
![doc](https://img-home.csdnimg.cn/images/20210720083327.png)
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87581096/bg1.jpg)
1
第一部分:精细积分及基础知识比较图表...................................................................................3
1.1. 初值精细积分简介.......................................................................................................3
1.2. 齐次方程,指数矩阵的算法.......................................................................................3
1.3. 非齐次方程...................................................................................................................4
1.4. 精细积分例题...............................................................................................................5
第二部分:辛几何空间例题.........................................................................................................14
2.1. 辛空间.........................................................................................................................14
2.2. 辛空间例题.................................................................................................................16
第三部分基础知识回顾.................................................................................................................21
3.1. 拉格朗日方程.............................................................................................................21
3.1.1. 两个基本关系式.............................................................................................21
3.1.2. 广义力.............................................................................................................22
3.1.3. 拉格朗日方程.................................................................................................22
3.2. 勒让德变换.................................................................................................................24
3.3. 哈密顿正则方程.........................................................................................................25
3.4. 基础知识例题.............................................................................................................26
3.4.1. Hamilton例题..................................................................................................26
3.4.2. 勒让德变换例题.............................................................................................26
第四部分:单自由度弹簧-质量系统的振动................................................................................31
4.1. 单自由度弹簧-质量系统的振动................................................................................31
4.2. 单自由度振动例题.....................................................................................................32
第五部分 正则变换.......................................................................................................................37
5.1. 正则变化简介.............................................................................................................37
5.2. 第一类生成函数.........................................................................................................37
5.3. 第二类生成函数.........................................................................................................38
5.4. 第三类生成函数.........................................................................................................38
5.5. 第四类生成函数.........................................................................................................38
5.6. 正则变换例题.............................................................................................................39
第六部分Hamilton-Jacobi方程的求解 ..........................................................................................43
6.1. Hamilton-Jacobi方程 ..................................................................................................43
6.2. Hamilton-Jacobi例题 ..................................................................................................44
第七部分 铁木辛柯梁理论例题...................................................................................................50
7.1. 铁木辛柯梁理论.........................................................................................................50
7.1.1. 欧拉伯努利梁的基本假定.............................................................................50
7.1.2. 铁木辛柯梁动力方程.....................................................................................50
7.2. 导入哈密顿体系.........................................................................................................52
7.3. 例题.............................................................................................................................53
第八部分多自由度振动系统的求解.............................................................................................63
8.1. 多自由度振动系统.....................................................................................................63
8.2. 多自由度振动系统的求解例题.................................................................................64
参考文献.........................................................................................................................................72
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87581096/bg2.jpg)
2
《应用力学中的辛数学方法》习题集
前言
本习题集是为了配合《应用力学中的辛数学方法》的教学而写的,共分精细积分及基础
知识比较图表,辛几何空间,基础知识回顾,单自由度弹簧-质量系统的振动,正则变换,
Hmilton-Jacobi 的求解例题,铁木辛柯梁理论例题,多自由度振动系统的求解等 8 个章节。
对应于《应用力学中的辛数学方法》中的前三章---分析力学初步,振动理论,柱形坐标弹性
体系,以基本问题为主,并增加了精细积分和辛几何空间两个章节,对其中的例题附有详细
的程序(用 MATLAB 编辑)。
习题集遵循着由浅入深的原则,每一章由理论简介和例题组成,例题部分也尽量选择简
单易懂的,适合初学者自学。
辛体系是一套全新的教学体系,本习题集是辛体系教学的第一本习题集,因而有很多习
题都是编者自己编的。分析力学部分的习题,参考并引用了其它著作的部分习题,在此对参
考文献中的作者表示感谢。鉴于我们水平有限,习题集中必然会有问题,诚望读者不吝指教,
以便于进一步改善我们的工作。
本习题集由钟先生的研究生陈晓辉,索强,毛翎合作完成,感谢彭海军,王林,朱宝同
学所作的工作。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87581096/bg3.jpg)
3
第一部分:精细积分及基础知识比较图表
1.1. 初值精细积分简介
精细积分法宜于处理一阶常微分方程组。其实常微分方程组的理论是以一阶方程为标准
型的。状态空间法哈密顿体系都将方程组划归一阶。常微分方程组的数值积分可以分为两类
问题:
1) 初值问题积分:动力学问题,发展型方程常需作初值给定下的积分;
2) 两点边值问题的积分:对弹性力学、结构力学、波导、控制、滤波问题等有广泛应用。
这里先介绍常系数常微分方程组初值问题的精细积分。
设有微分方程组的矩阵——向量表达式为
=
o
v=Av+f,v(0)=v
已知 (1.1.1)
式中
v
代表 v 对时间 t 的微商,v(t)是待求的 n 维向量函数,A 为 n*n 给定常矩阵,f(t)是给
定外力 n 维向量函数。
1.2. 齐次方程,指数矩阵的算法
按常微分方程求解理论,应当先求解其次方程
v=Av
(1.2.1)
因为 A 是定常矩阵,其通解可以写成为
0
v=exp(At)v (1.2.2)
这里出现了矩阵的指数函数。其意义与普通的表达一样
现在要在数值上计算出来,尽可能的精确。数值积分总要有一个步长,记为
η
。于是一系列
等步长的时刻为
01 k
t=0,t=η, ...t = kη,... (1.2.3)
有
10
v=v(η)=Tv ,
T=exp(Aη)
(1.2.4)
有了矩阵 T,逐步积分公式就成为以下的递推,
1021k+1k,
v = Tv , v = Tv ,...v = Tv .. (1.2.5)
一系列矩阵——向量乘法。于是问题归结到了
10
v=v(η)=Tv
T=exp(Aη)
矩阵 T 的数值
计算,要求尽可能精确。指数矩阵的精细计算有两个要点,1)运用指数函数加法定理;2)
将注意力放在增量上,而不是全量上。指数函数加法定理给出
[
]
0
m
exp(Aη)exp(Aη/m) (1.2.6)
其中 m 为任意正整数,当前可选用
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87581096/bg4.jpg)
4
N
m 2=
,例如选 N=20,则 m=1048576
由于
η
本来是不大的时间区段,则 m/
η
τ
=
将是一个非常小的时间区段了。因此对于
τ
的
区段,有
(1.2.7)
因
τ
很小,幂级数 5 项展开应以足够。此时指数矩阵 T 与单位阵
n
I 相差不远,故写为
2/]12/)(3/)([)()()exp(
22
τττττ
AAIAAIA
nn
++++≈
,
an
TIA
+
≈
)exp(
τ
(1.2.8)
其中
a
T 很小
在计算中至关重要的一点是指数矩阵的存储只能是
a
T ,而不是
na
I+T。因为
a
T 很小,当他
与单位阵
n
I 相加时就会成为其尾数,在计算机的舍入操作中,其精度将丧失殆尽。
a
T 就是
增量。这就是以上所说的第二个要点。为计算 T 阵
11
222
)()()(
−−
+×+=+=
NNN
aaa
TITITIT (1.2.9)
这种分解一直做下去,共 N 次,其次应注意对任意矩阵
b
T ,
c
T 都看成
a
T ,因此有
for(iter=0;iter<N;iter++)
aaaa
TTTT
×
+
=
2 (1.2.10)
以上语句结束后,再执行
a
T=I+T (1.2.11)
便可,由于 N 次乘法后,
a
T 已不再是很小的矩阵了,这个加法已没有严重的舍入误差。以上
便是指数矩阵的精细积分法。
1.3. 非齐次方程
对于 ,(0) .
o
vAvfv v=+ =
按线性微分方程的求解理论,如果求得了在任意时刻
1
t 加上
脉冲的相应矩阵
),(
1
tt
φ
,则由外力引起的响应可以有杜哈梅尔积分求出
∫
+=
t
dttfttvtttv
0
11100
)(),(),()(
φφ
(1.3.1)
其中
),(
1
tt
φ
具有以下性质:
1)
),( tt
φ
=1
2)
),(),(),(
1221
tttttt
φ
φ
φ
=
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87581096/bg5.jpg)
5
3)满足微分方程 ),()(),(
11
tttAtt
φφ
=
式中 A(t),表明理论上这对于时变系统也是适用的。对于时不变系统,则有
11 1
φ(t, t ) = φ(t - t ) = exp[A(t - t )] (1.3.2)
是一个指数矩阵,显然
T=)(
η
φ
。
数值计算时,只要求一系列等间距的时刻作出计算。而且并不要求每次都从头的
0
t 开始算起,
而是由
k
t 算到
1+k
t 这样有
∫∫
+
−−+=−+=
++
k
k
t
t
kkkkk
dtfATvdttfttTvv
η
ξξξηφ
0
11
)()](exp[)()( (1.3.3)
假定在
k
t ~
1+k
t 之间用线性插值,
ξ
ξ
10
)( rrtf
k
+
≈
+
(1.3.4)
可积分得
][)]([
11
1
0
1
1
1
0
1
1
rrArArArAvTv
kk
η
++−++=
−−−−
+
(1.3.5)
线性插值是很粗糙的近似。还有多种近似的表达式。
)(
ξ
+
k
tf 是以下几种函数形式的都可
以精确的积分
(1) 多项式;(2)指数函数;(3)正弦或余弦;(4)上述函数的乘积;等
1.4. 精细积分例题
例 1.1 考虑微分方程组的数值积分,到 t=20
11 2
212
2000 999.75 1000.25uuu
uuu
=− + +
⎧
⎨
=−
⎩
初值条件
12
(0) 0, (0) 2uu
=
=−
用精细积分求解,写出 matlab 程序。
%精细积分程序
clear
A=[-2000,999.75;1,-1];f0=[1000.25;0]
f1=zeros(size(f0));I=eye(size(A));iA=inv(A)
tf=20
step=[2,1,0.1]
N=20
for j=1:3
dt=step(j)/2^N;
Ta=A*dt+(A*dt)^2*(I+(A*dt)/3+(A*dt)^2/12)/2
for iter=1:N
Ta=2*Ta+Ta*Ta
end
T=I+Ta
vk=[0;-2]
for iter=1:tf/step(j)
剩余71页未读,继续阅读
资源评论
![avatar-default](https://csdnimg.cn/release/downloadcmsfe/public/img/lazyLogo2.1882d7f4.png)
![avatar](https://profile-avatar.csdnimg.cn/default.jpg!1)
hujunlin1234
- 粉丝: 2
- 资源: 7
上传资源 快速赚钱
我的内容管理 展开
我的资源 快来上传第一个资源
我的收益
登录查看自己的收益我的积分 登录查看自己的积分
我的C币 登录后查看C币余额
我的收藏
我的下载
下载帮助
![voice](https://csdnimg.cn/release/downloadcmsfe/public/img/voice.245cc511.png)
![center-task](https://csdnimg.cn/release/downloadcmsfe/public/img/center-task.c2eda91a.png)
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
![dialog-icon](https://csdnimg.cn/release/downloadcmsfe/public/img/green-success.6a4acb44.png)