ΜΔΕ Άσκηση 6 Α. Τόγκας

Transcript

1 Πρόβλημα 15. Για κάθε μια αό τις ακόλουθες αρχικές τιμές θερμοκρασίας i) να βρεθεί η λύση στην μορφή μια σειράς Fourier της εξίσωσης της θερμότητας με εριοδικές συνοριακές συνθήκες u t = u x x < x <, t >, u(, t) = u(, t), u x (, t) = u x (, t), t. (ii) Να βρεθεί η θερμοκρασία ισορροίας καθώς t. Αάντηση: α) u(x, ) = cos x, β) u(x, ) = sin x + sin x, x. i) Αναζητούμε λύσεις χωριζομένων μεταβλητών της μορφής u(x, t) = e λ t v(x). Εισάγοντας στην εξίσωση της θερμότητας, η τελευταία ανάγεται στην ακόλουθη ΣΔΕ κι αό την ειβολή των συνοριακών συνθηκών έχουμε ότι θα ρέει v (x) = λv(x), (15.1) v( ) = v(), v ( ) = v (). (15.) Οι σχέσεις (15.1), (15.), ααρτίζουν τo ρόβλημα ιδιοτιμών, μέσω του οοίου θα βρούμε τις αντίστοιχες ιδιολύσεις της ΜΔΕ και κατ εέκταση θα κατασκευάσουμε την λύση του ροβλήματος στην μορφή μιας σειράς Fourier. λ =. Τότε η λύση της (15.1) είναι η v(x) = A x + B. Ειβάλλοντας την ρώτη συνοριακή συνθήκη αίρνουμε ότι Α ( ) + B = A + B A =, ενώ η δεύτερη συνοριακή συνθήκη (με A = ) ικανοοιείται αυτόματα. Οότε έχουμε την ιδιοτιμή λ =, με αντίστοιχη ιδιοσυνάρτηση v (x) = 1, κι ιδιολύση u (x, t) = 1, (η σταθερή αραλείεται αφού θα την εισάγουμε στο τέλος αίρνοντας έναν άειρο γραμμικό συνδυασμό των ιδιολύσεων). λ = ω >, (ω > ). Τότε η λύση της (15.1) είναι η v(x) = A e ω x + B e ω x. Ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε τις ακόλουθες σχέσεις για τις αραμέτρους A, B, (A B) sinh(ω ) =, (A + B) sinh(ω ) =. Αφού ω, τότε sinh(ω ), και συνεώς A B = A + B = και συνακόλουθα A = B =, οότε δεν υάρχει μη τετριμμένη λύση σε αυτήν την ερίτωση, κι άρα δεν υάρχει ιδιοτιμή κι αντίστοιχη ιδιοσυνάρτηση κι ιδιολύση.

2 λ = ω <, (ω > ). Τότε η λύση της (15.1) είναι η v(x) = A cos ω x + B sin ω x, Ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε τις ακόλουθες σχέσεις για τις αραμέτρους A, B, A sin ω =, B sin ω =. Αν sin ω, τότε θα ρέει A = B =, δηλαδή η τετριμμένη λύση. Οότε θα ρέει sin ω = δηλαδή ω = k, k = 1,, 3 Δηλαδή έχουμε ιδιοτιμές λ k = k, κι αντίστοιχες ιδιοσυναρτήσεις v k (x) = A k cos k x + B k sin k x, k = 1,, 3, κι ιδιολύσεις u k (x, t) = A k e k t cos k x + B k e k t sin k x, k = 1,, 3, Λαμβάνοντας υόψη και την ιδιοτιμή λ =, αριστάνουμε την λύση στην μορφή μιας άειρης σειράς u(x, t) = A + ( A k t e k cos k x + B k e k t sin k x ), k=1 όου οι σταθερές A k, B k, θα ροσδιορισθούν αό την αρχική συνθήκη. α) Αν u(x, ) = cos x, τότε θα ρέει B k = (k 1), A =, A 1 = 1, A k = για k > 1, και η λύση του ΠΑΣΤ είναι η u(x, t) = e t cos x. β) Αν u(x, ) = sin x + sin x = 1 1 cos x + sin x, τότε θα ρέει A = 1, A 1 =, A = 1, A k = για k >, B 1 =, B k = για k > 1, και η λύση του ΠΑΣΤ σε αυτή την ερίτωση είναι η u(x, t) = 1 + e t sin x 1 e 4 t cos x. ii) Σε κάθε ερίτωση η θερμοκρασία ισορροίας καθώς t, είναι A αφού im u(x, t) = A t. Οότε για τα αρχικά δοσμένα του α) μέρους του ροβλήματος η θερμοκρασία ισορροίας είναι, ενώ για τα αρχικά δοσμένα του β) μέρους είναι 1. Σχήμα 1: Η λύση για τα αρχικά δοσμένα α) Σχήμα : Η λύση για τα αρχικά δοσμένα β)

3 Πρόβλημα 16. Θεωρούμε το ακόλουθο ρόβλημα αρχικών συνοριακών τιμών (ΠΑΣΤ) για την εξίσωση της θερμότητας με ομογενείς συνοριακές συνθήκες τύου Neumann (μονωμένα άκρα) u t = u x x < x <, t >, u x (, t) = u x (, t) =, t, και αρχική κατανομή θερμοκρασίας u(x, ) = 1, x,, < x. α) Να βρεθεί η λύση του ΠΑΣΤ στην μορφή μιας σειράς Fourier. β) Να βρεθεί η θερμοκρασία ισορροίας καθώς t. Αάντηση: α) Αναζητούμε λύσεις χωριζομένων μεταβλητών της μορφής u(x, t) = e λ t v(x). Εισάγοντας στην εξίσωση της θερμότητας, η τελευταία ανάγεται στην ακόλουθη ΣΔΕ κι αό την ειβολή των συνοριακών συνθηκών έχουμε ότι θα ρέει v (x) = λv(x), (16.1) v ( ) =, v () =. (16.) Οι σχέσεις (16.1), (16.), ααρτίζουν τo ρόβλημα ιδιοτιμών, μέσω του οοίου θα βρούμε τις αντίστοιχες ιδιολύσεις της ΜΔΕ και κατ εέκταση θα κατασκευάσουμε την λύση του ροβλήματος στην μορφή μιας σειράς Fourier. λ =. Τότε η λύση της (16.1) είναι η v(x) = A x + B. Ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε ότι A =. Οότε έχουμε την ιδιοτιμή λ =, με αντίστοιχη ιδιοσυνάρτηση v (x) = 1, κι ιδιολύση u (x, t) = 1. λ = ω >, (ω > ). Τότε η λύση της (15.1) είναι η v(x) = A e ω x + B e ω x. Ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε τις ακόλουθες σχέσεις για τις αραμέτρους A, B, A ω e ω B ωe ω =, Aωe ω B ωe ω =, ή ισοδύναμα (αφού ω ) A e ω B e ω =, Ae ω B e ω =,

4 το οοίο είναι ένα ομογενές γραμμικό σύστημα ως ρος τις αραμέτρους A, B. Για να υάρχουν μη-μηδενικές λύσεις αρκεί και ρέει η ορίζουσα Δ να είναι μηδέν. Όμως η ορίζουσα είναι Δ = e ω e ω, και είναι μηδέν αν και μόνο αν ω =. Άτοο, γιατί υοθέσαμε ότι ω >, συνεώς δεν υάρχουν ιδιοτιμές σε αυτήν την ερίτωση και κατ εέκταση δεν υάρχουν ιδιοσυναρτήσεις κι ιδιολύσεις. λ = ω <, (ω > ). Τότε η λύση της (16.1) είναι η v(x) = A cos ω x + B sin ω x. Ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε τις ακόλουθες σχέσεις για τις αραμέτρους A, B, ή ισοδύναμα A ω sin( ω) + B ω cos( ω ) =, A ω sin(ω) + B ω cos(ω ) =, A sin(ω) + B cos(ω ) =, A sin(ω) + B cos(ω ) =. Το αραάνω ομογενές γραμμικό σύστημα ως ρος τις αραμέτρους A, B, έχει λύσεις μη-μηδενικές αν και μόνο αν η ορίζουσα Δ είναι μηδέν. Υολογίζουμε την ορίζουσα και βρίσκουμε ότι Δ = sin(ω ) cos(ω ) = sin( ω ). Οότε Δ = ω = k ω = k, k = 1,, 3, Δηλαδή έχουμε τις ιδιοτιμές λ k = k, k = 1,, 3, Διακρίνουμε τις εξής εριτώσεις : 4 k = n, άρτιος. Τότε ω = n και η συνοριακή συνθήκη (οοιαδήοτε αό τις δυο αφού είναι γραμμικώς εξαρτημένες) δίνει B =. Συνεώς έχουμε ιδιοτιμές και αντίστοιχες ιδιοσυναρτήσεις - ιδιολύσεις n = 1,, 3, λ n = n, v n (x) = cos n x, u n (x, t) = e n t cos n x, k = n 1, εριττός. Τότε ω = n 1 και η συνοριακή συνθήκη (οοιαδήοτε αό τις δυο αφού είναι γραμμικώς εξαρτημένες) δίνει A =. Συνεώς έχουμε ιδιοτιμές και αντίστοιχες ιδιοσυναρτήσεις - ιδιολύσεις λ n = ( n 1 ), vn (x) = sin ( n 1 ) x, u n (x, t) = e (n 1/) t sin ( n 1 ) x, n = 1,, 3, Λαμβάνοντας υόψη και την ιδιοτιμή λ =, γράφουμε την λύση σαν ένα άειρο άθροισμα γραμμικών συνδυασμών των ιδιολύσεων κι έχουμε u(x, t) = A + n=1 [ A n e n t cos n x + B n e (n 1/) t sin ( n 1 ) x ],

5 όου οι συντελεστές A n, B n θα ροσδιορισθούν αό την αρχική συνθήκη. Παρατηρούμε ότι η αρχική συνθήκη u(x, ) = f(x) είναι άρτια συνάρτηση, συνεώς οι συντελεστές B n των ημιτόνων (εριττές συναρτήσεις) θα ρέει να είναι μηδέν, B n =. Για τους συντελεστές A n έχουμε A n = A = f(x) cos n x d x = / f(x)d x = / d x = 1. cos n x d x = n sin n ( ) =, n = m, ( 1)m, n = m 1 ( m 1) m = 1,, 3, Οότε η λύση του ΠΑΣΤ στην μορφή μιας σειράς Fourier είναι u(x, t) = 1 + n=1 A n e n t cos n x. β) Παρατηρούμε ότι u(x,t) 1 καθώς t, οότε η θερμοκρασία ισορροίας είναι 1. Σχήμα 3: Γραφική αράσταση της λύσης.

6 Πρόβλημα 17. Θεωρούμε το ακόλουθο ΠΑΣΤ για την κυματική εξίσωση u t t u x x =, < x <, t >, u(x, ) = sin x, u t (x, ) =, x, u x (, t) =, u x (, t) =, t. αʹ) Να γραφεί η λύση του ΠΑΣΤ στην μορφή μιας σειράς Fourier. βʹ) Να δειχθεί ότι η h(t) = u( /4, t) είναι εριοδική συνάρτηση και να βρεθεί η ερίοδος. γʹ) Ποιά είναι η τιμή u( /4, /); (i), (ii) 1 /, (iii) 1 /, (iv). δʹ) Έχει η Αάντηση: u ασυνέχειες; Αν ναι, κατά μήκος οιών καμυλών διαδίδονται; x α) Αναζητούμε λύσεις της κυματικής εξίσωσης ου είναι χωριζομένων μεταβλητών, δηλαδή της μορφής u(x, t) = X(x) T (t). Εισάγουμε στην κυματική εξίσωση u x x = u t t και αίρνουμε X (x)t (t) = X(x)T (t). Αφού X(x) και T (t), διαιρώντας την αραάνω εξίσωση με τον όρο X(x) T (t), έχουμε X(x) X(x) = T (t) T (t), όου το αριστερό μέλος είναι συνάρτηση μόνο του x, ενώ το δεξί μέρος συνάρτηση μόνο του t. Για να μορεί να συμβεί αυτό θα ρέει και οι δυό όροι να είναι ίσοι με μια σταθερή οσότητα ου την ονομάζουμε λ R. Οότε η ΜΔΕ ανάγεται στην είλυση των ΣΔΕ X (x) = λx(x), T (t) = λt (t). Αό την άλλη, οι συνοριακές συνθήκες u x (, t) =, u x (, t) =, δίνουν ότι θα ρέει X () =, X () =, αντίστοιχα. Οότε έχουμε το ρόβλημα ιδιοτιμών X (x) = λx(x), X () = X () =. λ =. Σε αυτή την ερίτωση έχουμε ότι X(x) = A x + B, κι οι συνοριακές συνθήκες ικανοοιούνται όταν A =. Οότε έχουμε την ιδιοτιμή λ =, με ιδιοσυνάρτηση X (x) = 1. Αό την άλλη, η ΣΔΕ για την συνάρτηση T (t) δίνει ότι οότε συνολικά έχουμε τις ιδιολύσεις {1, t}. T (t) = Γ t + Δ, λ = ω >, (ω > ). Σε αυτή την ερίτωση έχουμε ότι X(x) = A e ω x + B e ω x,

7 κι ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε ότι θα ρέει ή ισοδύναμα A ω B ω =, A ω e ω B ω ω =, A = B, A sinh(ω ) =. Αφού ω, τότε sinh(ω ), συνεώς αίρνουμε μόνο την τετριμμένη λύση A = B =, και δεν υάρχουν ιδιοτιμές σε αυτήν την ερίτωση. λ = ω <, (ω > ). Σε αυτή την ερίτωση έχουμε ότι X(x) = A cos ω x + B sin ω x, κι ειβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες αίρνουμε ότι θα ρέει ή ισοδύναμα B =, A ω sin ω =, B =, sin ω =. Οότε έχουμε τις ιδιοτιμές λ = k, k = 1,, 3, με αντίστοιχες ιδιοσυναρτήσεις X k (x) = cos k x. Αό την άλλη η ΣΔΕ για την συνάρτηση T (t) για τις τιμές της λ ου βρήκαμε δίνει ότι θα ρέει T (t) = Γ cos k t + Δ sin k t, οότε έχουμε τις ιδιολύσεις {cos k x cos k t, cos k x sin k t}. Λαμβάνοντας υόψη και τις ιδιολύσεις της ιδιοτιμής λ =, γράφουμε την λύση σαν ένα άειρo άθροισμα γραμμικών συνδυασμών των ιδιολύσεων κι έχουμε u(x, t) = A + B t + (A k cos k x cos k t + B k cos k x sin k t), (17.1) k=1 όου οι συντελεστές A k, Β κ θα ροσδιορισθούν αό τις αρχικές συνθήκες u(x, ) = sin x, και u t (x, ) =. Για την ρώτη αρχική συνθήκη έχουμε u(x, ) = A + A k cos k x = sin x, k=1 ενώ αραγωγίζοντας την σχέση (17.1) ως ρος t έχουμε για την δεύτερη αρχική συνθήκη Συνεώς B k =, και A k = 1 u t (x, ) = B + kb k cos k x =. k=1 A = 1 sin x d x = =, sin x cos k x d x = =, k εριττός, 4, (1 k ) k άρτιος.

8 Συνεώς η λύση στη μορφή μιας σειράς Fourier είναι β) Για x = 4 έχουμε u(x, t) = + n=1 4 (1 4 n ) cos( n x) cos( n t). (17.) h(t) = u ( 4, t ) = + 4 n=1 (1 4 n ) cos ( n 4 ) cos( n t) = + 4 n=1 (1 4 n ) cos n ( ) cos( n t). Παρατηρούμε ότι οι όροι με n εριττό θετικό ακέραιο δεν συνεισφέρουν στην h(t), αφού τότε cos( ) =, οότε η συνάρτηση h(t) αίρνει την μορφή n h(t) = + m=1 4 ( 1) m (1 16 m ) cos(4 m t), και αφού h(t + ) = h(t), η h(t) είναι εριοδική συνάρτηση με ερίοδο. γ) Ο τύος του d Aembert για την άειρη χορδή ( < x < ) είναι u(x, t) = 1 ( f(x t) + f(x + t)) + 1 x t x+t g(s)d s, (17.3) όου u(x, ) = f(x), u t (x, ) = g(x). Για το ρόβλημά μας γνωρίζουμε τις αρχικές τιμές f(x) = sin x και g(x) = μόνο για το διάστημα x. Θα ρέει λοιόν να εεκτείνουμε τα αρχικά δοσμένα κατάλληλα σε όλο το άξονα των x, έτσι ώστε η λύση ου δίνεται αό τον τύο του d Aembert να ικανοοιεί αυτόματα τις συνοριακές συνθήκες στα άκρα x =, x =. Εειδή η λύση ου δίνεται αό την σχέση (17.) είναι άρτια συνάρτηση κάνοντας άρτια -εριοδική εέκταση των συναρτήσεων f(x), g(x), αρατηρούμε ότι οι συνοριακές συνθήκες στην (17.3) ικανοοιούνται. Πράγματι, εεκτείνουμε τα αρχικά δοσμένα έτσι ου f( x) = f(x), g( x) = g(x),, f( + x) = f(x), g( + x) = g(x). Παραγωγίζοντας την (17.3) ως ρος x, αίρνουμε Στα άκρο x = έχουμε u x (x, t) = 1 ( f (x t) + f (x + t)) + 1 ( g(x + t) g(x t)). u x (, t) = 1 ( f ( t) + f (t)) + 1 ( g(t) g( t)) =, αφού g( t) = g(t) και αν f( t) = f(t), τότε f ( t) = f (t). Στο άκρο x = έχουμε u x (, t) = 1 ( f ( t) + f ( + t)) + 1 ( g( + t) g( t)) =, αφού ισχύει ότι g( + t) = g( + t) = g( + t) = g( t), και ομοίως f( + t) = f( t) και αραγωγίζοντας ως ρος t, ισχύει ότι f ( + t) = f ( t).

9 Εφαρμόζοντας λοιόν τον τύο του d Aembert αίρνουμε u( 4, ) = 1 [ f( 4 ) + f( 3 4 )] = 1 [ f( 4 ) + f( 3 4 )] = 1 ( sin sin 4 ) = 1. u δ) Η (x, t), αρουσιάζει ασυνέχειες στα άκρα x = και x =, οι οοίες διαδίδονται κατά x μήκος των χαρακτηριστικών καμυλών. Πράγματι, αραγωγίζοντας την αρχική συνθήκη u(x, ) = sin x ως ρος x έχουμε ότι οότε για το άκρο x =, έχουμε ότι u x (x, ) = cos x, im u x (x, ) = cos = 1, x ενώ αό την συνοριακή συνθήκη u x (, t) = για κάθε t, άρα για t =, έχουμε u x (, ) =. Ομοίως, για το άκρο x =, έχουμε im u x(x, ) = cos = 1, x ενώ αό την συνοριακή συνθήκη u x (, t) = για κάθε t, άρα για t =, έχουμε u x (, ) =. Σχήμα 4: Η λύση u(x, t) Σχήμα 5: Η αράγωγος u(x, t) x

10 Πρόβλημα 18. Έστω ότι η u είναι μια κλασική λύση της κυματικής εξίσωσης u x x = u t t στο διάστημα < x < και ικανοοιεί τις ομογενείς συνοριακές συνθήκες τύου Dirichet u(, t) = u(, t) =. Η ολική ενέργεια της u στο χρόνο t ορίζεται ως εξής 1 u E(t) = [( t ) u + ( x ) d x. ] Να εαληθευτεί η αρχή διατήρησης της ενέργειας δείχνοντας ότι η E(t) είναι σταθερή συνάρτηση στο διάστημα [, ). Αάντηση: Για να αοδείξουμε ότι η E(t) είναι σταθερή συνάρτηση στο διάστημα [, + ), αρκεί να δείξουμε ότι E (t) =, στο [, + ). Πράγματι, d d t E(t) = d d t 1 u [( t ) u + ( x ] ) d x = 1 u t [( t ) u + ( x ) d x ] = (u t u t t + u x u x t)d x = (u t u x x + u x u x t)d x = u t u x x d x + u t u x t d x = [u t u x] x= x= u t u t x d x + u t u x t d x = u t (, t)u x (, t) u t (, t)u x (, t), (18.1) όου χρησιμοοιήσαμε το γεγονός ότι u t t = u x x και το γεγονός ότι η u(x, t) είναι μια κλασική λύση δηλαδή ότι η u και οι μερικές αράγωγοί της μέχρι τουλάχιστον δεύτερης τάξης είναι συνεχείς συναρτήσεις. Το τελευταίο το χρησιμοοιήσαμε για να εράσουμε την μερική αράγωγο μέσα στο ολοκλήρωμα, για να εκτελέσουμε την ολοκλήρωση κατά αράγοντες και για να θεωρήσουμε ότι u x t = u t x. Αό τις συνοριακές συνθήκες u(, t) = u(, t) =, έχουμε ότι u t (, t) = u t (, t) =, συνεώς στην εξίσωση (18.1) έχουμε ότι το δεξί μέλος είναι μηδέν, άρα η E(t) είναι σταθερή συνάρτηση E(t) = E().

11 Πρόβλημα 19. Θεωρούμε το ακόλουθο ΠΑΣΤ για την εξίσωση της θερμότητας u t = u x x, < x < 1, t >, u(, t) = u(1, t) =, u(x, ) = x, x 1, α) Να γραφεί η λύση του ΠΑΣΤ στην μορφή μιας σειράς Fourier. 1 x, 1 < x 1. β) Χρησιμοοιώντας κατάλληλη τιμή για την μεταβλητή x στο ανάτυγμα σε σειρά Fourier της u(x, ) ου ροκύτει στο α) μέρος να αοδειχτεί ότι 8 = k θετικός ακέραιος. ( k 1) Πρόβλημα. Θεωρούμε το ακόλουθο ρόβλημα αρχικών-συνοριακών τιμών (ΠΑΣΤ) για την κυματική εξίσωση u x x u t t =, < x < 1, t >, u(, t) =, u(1, t) =, t, u(x, ) = x, x 1, 1 x, 1 < x 1, u t (x, ) =, x 1. α) Να γραφεί η λύση του ΠΑΣΤ στην μορφή μιας σειράς Fourier. β) Ποιά είναι η τιμή u( 1 /, 1); (i) 1 /, (ii) 1 /, (iii), (iv) 1. Πρόβλημα 1. Έστω ότι η u(x, t) είναι μια κλασική λύση της εξίσωσης της θερμότητας u t = u x x στο διάστημα < x < 1, και στα άκρα x =, x = 1 ικανοοιεί τις συνοριακές συνθήκες τύου Neumann u x (, t) =, u x (1, t) =, t < +. Η θερμική ενέργεια T της u στο χρόνο t ορίζεται ως εξής: 1 T (t) = u(x, t)d x. Να δειχθεί ότι με τις αραάνω υοθέσεις η T (t) είναι σταθερή συνάρτηση στο διάστημα [, + ). Πρόβλημα. Έστω ότι η u(x, t) είναι μια κλασική λύση της κυματικής εξίσωσης u t t = u t t στο διάστημα < x < ου ικανοοιεί τις συνοριακές συνθήκες u x (, t) = u(, t) =. Η ολική ενέργεια της u(x, t) στο χρόνο t ορίζεται ως εξής E(t) = 1 u [( t ) u + ( x ) d x. ] Να δειχθεί ότι η E(t) είναι σταθερή συνάρτηση στο διάστημα [, + ).