Помимо того, что в ответе многого не хватало, неясно, почему там не взяли второй интеграл — а он тоже Эйлера-Пуассона. Ответ получается вполне компактный.
Решение содержит много копипасты из решения №77, так что смотреть можно с середины.
Условия задачи:
U=U(x,t),−∞<x<∞,t⩾0.
Ut=a2Uxx
limx→±∞U=0
U|t=0=U0e−x2l2
Преобразования Фурье туда и оттуда:
ˉf(λ)=1√2π∞∫−∞f(ξ)e−iλξdξf(x)=1√2π∞∫−∞ˉf(λ)eiλxdλ,limx→±∞f(x)=0
ˉU(λ,t)=1√2π∞∫−∞Ue−iλxdx
Применим их к (1):
Ute−iλx=a2Uxxe−iλx
1√2π∞∫−∞Ute−iλxdx=1√2π∞∫−∞a2Uxxe−iλxdx
∂∂t(1√2π∞∫−∞Ue−iλxdx)=a2√2π∞∫−∞∂∂xUxe−iλxdx=a2√2πUxe−iλx|∞−∞−a2√2π∞∫−∞Ux∂∂xe−iλxdx=
=iλa2√2π∞∫−∞Uxe−iλxdx=iλa2√2πUe−iλx|∞−∞−iλa2√2π∞∫−∞U∂∂xe−iλxdx=
−λ2a21√2π∞∫−∞Ue−iλxdx
ˉUt=−λ2a2ˉU.
Найдём Фурье-образ ˉU:
ln|ˉU|=−λ2a2t+˜φ(λ),
ˉU=φ(λ)e−λ2a2t.
Чтобы найти φ(λ), преобразуем (3):
ˉU|t=0=1√2π∞∫−∞U|t=0e−iλxdx=
=1√2π∞∫−∞U0e−x2l2e−iλxdx=
=U0√2π∞∫−∞e−iλx−x2l2dx.
С другой стороны,
ˉU|t=0=φ(λ)e−λ2a2t|t=0=φ(λ),
φ(λ)=U0√2π∞∫−∞e−iλξ−ξ2l2dξ.
ˉU=U0√2πe−λ2a2t∞∫−∞e−iλξ−ξ2l2dξ.
Найдём саму функцию U:
U=1√2π∞∫−∞ˉUeiλxdλ=
=U02π∞∫−∞∞∫−∞e−λ2a2te−iλξ−ξ2l2eiλxdξdλ=
=U02π∞∫−∞∞∫−∞e−λ2a2t−iλξ−ξ2l2+iλxdλdξ.
Отдельно вычислим
∞∫−∞e−λ2a2t−iλξ−ξ2l2+iλxdλ=∞∫−∞e−[(λa√t)2−i(x−ξ)λ+(i(x−ξ)2a√t)2−(i(x−ξ)2a√t)2]−ξ2l2dλ=e−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2∞∫−∞e−[λa√t−i(x−ξ)2a√t]2dλ=
λa√t−i(x−ξ)2a√t=γ,
dλ=dγa√t
=e−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2∞∫−∞e−γ2dγa√t=√πa√te−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2.
Тогда
U=U02π∞∫−∞∞∫−∞e−λ2a2t−iλξ−ξ2l2+iλxdλdξ=
=U02π∞∫−∞√πa√te−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2dξ=U02√πa1√t∞∫−∞e−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2dξ.
Примерно это было получено в методичке, но мы на этом не остановимся.
Преобразуем показатель
−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2=−x2−2xξ+ξ24a2t−ξ2l2=−x24a2t−[(14a2t+1l2)ξ2−2x4a2tξ+(x4a2t√14a2t+1l2)2−(x4a2t√14a2t+1l2)2]=
=−[√14a2t+1l2ξ−x4a2t√14a2t+1l2]2+x2(4a2t)214a2t+1l2−x24a2t=
=−[√14a2t+1l2ξ−x4a2t√14a2t+1l2]2+l2l2+4a2tx24a2t−x24a2t=
=−[√14a2t+1l2ξ−x4a2t√14a2t+1l2]2−x2l2+4a2t
Подставим в U и сведём к интегралу Эйлера-Пуассона
U=U02√πa1√t∞∫−∞e−(x−ξ2a√t)2−ξ2l2dξ=U02√πa1√te−x2l2+4a2t∞∫−∞e−[√14a2t+1l2ξ−x4a2t√14a2t+1l2]2dξ=
√14a2t+1l2ξ−x4a2t√14a2t+1l2=γ,
√14a2t+1l2dξ=dγ
=U02√πa1√te−x2l2+4a2t1√14a2t+1l2∞∫−∞e−γ2dγ=U02a√te−x2l2+4a2t√14a2t+1l2.
Ещё немного упростим:
√14a2t+1l2=√l2+4a2t4a2tl2=√l2+4a2t2a√tl,
откуда
U=U02a√te−x2l2+4a2t√14a2t+1l2=U02a√te−x2l2+4a2t√l2+4a2t2a√tl=U0l√l2+4a2te−x2l2+4a2t.