熱伝導方程式
  Heat conductive equation

 熱伝導方程式(拡散方程式)
 ∂u/∂t=c2∂2u/∂x2

 境界条件   u(0,t)=u(l,t)=0
 初期条件   u(x,0)=f(x)

これに対して、変数分離解を仮定する。
     u(x,t)=X(x)T(t)
 この解を元の偏微分方程式に代入すれば
   X(x)T'(t)=c2X''(x)T(t)
 これより
   T'(t)/c2T(t)=X''(x)/X(x)
 となるから、この式を −λ2とおけば
   T'(t)/c2T(t)=X''(x)/X(x)=−λ2
 となり、下記の2式が得られる。
   X''(x)+λ2X(x)=0
   T'(t)+λ2c2T(t)=0

この場合に境界条件は次のようになる。
     X(0)=X(l)=0
 この境界条件を満たす方程式の解は、次のように与えられる。
     X=Xn(x)=sin(nπx/l)    (n=1,2,...)
 また、もう一つの方程式の解は、次のように与えられる。
     T=Tn(t)=exp{−(nπc/l)2t}    (n=1,2,...)

したがって、重ね合わせの原理により
  u(x,t)=ΣAnXn(x)Tn(t)
        =ΣAnsin(nπx/l)exp{−(nπc/l)2t}

 さらに初期条件を考慮して
   u(x,0)=ΣAnsin(nπx/l)=f(x)

 ここで Anを求めるため、第2項と第3項にそれぞれ
  sin(mπx/l)をかけて、0から l まで積分する。

 ∫sin(mπx/l)ΣAnsin(nπx/l)dx
    =∫sin(mπx/l)f(x)dx
     あるいは
 ΣAn∫sin(mπx/l)sin(nπx/l)dx
    =∫f(x)sin(mπx/l)dx

 左辺の∫sin(mπx/l)sin(nπx/l)dxの積分計算は次のようになる。
  ∫sin(mπx/l)sin(nπx/l)dx
  =∫−(1/2){cos((m+n)πx/l)−cos((m−n)πx/l)}dx
  =−(1/2)∫cos((m+n)πx/l)dx+(1/2)∫cos((m−n)πx/l)dx
  =−(1/2)(l/(m+n)π)〔sin((m+n)πx/l〕+(1/2)(l/(m−n)π)〔sin((m−n)πx/l)〕+(1/2)∫cos(0/l)dx
    ここで、第2項はm≠nのときに、第3項はm=nのときにそれぞれ対応する。
    そうすれば、第1項と第2項の積分は0からlまで行えば、それぞれ0となる。
    そして第3項の積分はl/2となる。

 つまり
 ΣAn∫sin(mπx/l)sin(nπx/l)dx
 は m=nのときだけ残り
 ΣAn∫sin(mπx/l)sin(nπx/l)dx=Aml/2=Anl/2
 したがって Anl/2=∫f(x)sin(mπx/l)dx=∫f(x)sin(nπx/l)dx
  あるいは  Anl/2=∫f(x)sin(nπx/l)dx
 これより  An=(2/l)∫f(x)sin(nπx/l)dx
  あるいは  An=(2/l)∫f(ξ)sin(nπξ/l)dξ

 よって 解は次のようになる。
  u(x,t)=(2/l)Σ〔{∫f(ξ)sin(nπξ/l)dξ}sin(nπx/l)exp{−(nπc/l)2t〕     (n=1,2,...)