Επίλυση Προβληµάτων Αρχικών / Συνοριακών Τιµών Μεταδόσεως Θερµότητας

Σχετικά έγγραφα
Σήματα και Συστήματα

ΜΙΓΑ ΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛ. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΓΡΑΠΤΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2010 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

5. Σειρές Taylor και Laurent. Ολοκληρωτικά υπόλοιπα και εφαρµογές.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Όταν θα έχουµε τελειώσει το Κεφάλαιο αυτό θα µπορούµε να:

ΜΙΓΑ ΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛ. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΓΡΑΠΤΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2010 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ. =. Οι πρώτες µερικές u x y

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2011 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

ΗΥ215 - Εφαρμοσμένα Μαθηματικά για Μηχανικούς

Μετασχηµατισµοί Laplace, Αναλογικά Συστήµατα, ιαφορικές Εξισώσεις

KΕΦΑΛΑΙΟ 2. H εξίσωση θερμότητας.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

6. Αρµονικές συναρτήσεις και συνοριακά προβλήµατα (Dirichlet).

v y = 12x 2 y + 4y v(x, y) = 6x 2 y 2 + y 4 + y + c(x). f(z) = u(z, 0) + iv(z, 0) = z + i(z 4 + c), f(z) = iz 4 + z i.

ΘΕΩΡΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Μετασχηµατισµός Laplace. Εµµανουήλ Ζ. Ψαράκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

e 5t (sin 5t)u(t)e st dt e st dt e 5t e j5t e st dt s j5 j10 (s + 5 j5)(s j5)

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα ασχοληθούμε με την ( μη ομογενή ) εξίσωση Helmholtz σε D χωρικές διαστάσεις :

Ο αντίστροφος μετασχηματισμός Laplace ορίζεται από το μιγαδικό ολοκλήρωμα : + +

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

~ 1 ~ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2014 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

= 1. z n 1 = z z n = 1. f(z) = x 0. (0, 0) = lim

7. ΑΝΩΜΑΛΑ ΣΗΜΕΙΑ, ΠΟΛΟΙ ΚΑΙ ΤΟ ΘΕΩΡΗΜΑ ΤΩΝ ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΙΠΩΝ. και σε κάθε γειτονιά του z

~ 1 ~ ΜΙΓΑΔΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ & ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2013 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

f(z) 1 + z a lim f (n) (0) n! = 1

ΘΕΩΡΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Μετασχηµατισµός Laplace. Εµµανουήλ Ζ. Ψαράκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΘΕΩΡΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Περιγραφή Σηµάτων Συνεχούς Χρόνου Συνάρτηση δέλτα Κατανοµές

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΠΑΡΟΡΑΜΑΤΑ ΕΚΔΟΣΗ 12 ΜΑΡΤΙΟΥ 2018

Προηγµένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών

Περιεχόµενα I ΜΙΓΑ ΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ 1

Μετασχηµατισµός Ζ (z-tranform)

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ z

(i) f(x, y) = xy + iy (iii) f(x, y) = e y e ix. f(z) = U(r, θ) + iv (r, θ) ; z = re iθ

3 + O. 1 + r r 0. 0r 3 cos 2 θ 1. r r0 M 0 R 4

( y = 2, x R) και ( y = 0, x R ) ή ισοδύναμα πάνω στην ευθεία z = 2

Μιγαδικός λογισμός και ολοκληρωτικοί Μετασχηματισμοί

Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

Σηµειώσεις. Eφαρµοσµένα Μαθηµατικά Ι. Nικόλαος Aτρέας

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

40 Ασκήσεις στον ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΟ ΛΟΓΙΣΜΟ ( Επεξεργασία του ΜΑΝΩΛΗ ΨΑΡΡΑ)

. (1) , lim να υπάρχουν και να είναι πεπερασμένα, δηλαδή πραγματικοί αριθμοί.

Πρόλογος. Κατάλογος Σχημάτων

Μιγαδικός λογισμός και ολοκληρωτικοί Μετασχηματισμοί

κι επιβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες παίρνουμε ότι θα πρέπει

Μαθηµατικά Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ. 1 ο :Μιγαδικοί Αριθµοί

Μέϑοδοι Εφαρμοσμένων Μαϑηματιϰών (ΜΕΜ 274) Λύσεις Θεμάτων Εξέτασης Ιούνη 2019

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Πρόοδος 18/4/2018 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 7: Μετασχηματισμός Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Εξίσωση Laplace Θεωρήματα Μοναδικότητας

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ- ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ NAVIER STOKES

13 ΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

Γράφημα της συνάρτησης = (δηλ. της περιττής περιοδικής επέκτασης της f = f( x), 0 x p στο R )

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΠΗΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών

ΚΥΜΑΤΙΚΗ-ΟΠΤΙΚΗ 1. Σχήµα 1 Σχήµα 2

ΣΤΗΑ ΨΕΣ /4/2013 2:12 πµ

4. ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΙΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ. (0.1) όπου z = x + iy. Όταν z = iy τότε ο ανωτέρω τύπος παίρνει την μορφή. e dz = (0.3)

() min. xt δεν έχει μετασχηματισμό LAPLACE () () () Αν Λ= το σήμα ( ) Αν Λ, έστω σ. Το σύνολο μιγαδικών αριθμών. s Q το ολοκλήρωμα (1) υπάρχει.

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 8: Ιδιότητες του Μετασχηματισμού Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Κεφάλαιο 6. Εισαγωγή στη µέθοδο πεπερασµένων όγκων επίλυση ελλειπτικών και παραβολικών διαφορικών εξισώσεων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών

Στο κεφάλαιο που ακολουθεί θα ασχοληθούμε με την (μη ομογενή) κυματική εξίσωση σε D χωρικές και 1 χρονική διάσταση :

Λύσεις Εξετάσεων Φεβρουαρίου Ακ. Έτους

M. J. Lighthill. g(y) = f(x) e 2πixy dx, (1) d N. g (p) (y) =

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ Ασκήσεις Πράξης

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Μιγαδικός λογισμός και ολοκληρωτικοί Μετασχηματισμοί

Εργασία 2. Παράδοση 20/1/08 Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες

Περιεχόμενα. Κεφάλαιο 1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΣΕ ΜΙΑ ΕΥΘΕΙΑ Οι συντεταγμένες ενός σημείου Απόλυτη τιμή...14

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙKΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 2: Στοιχειώδη Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Σχόλιο. Κατασκευή των τροχιών της δισδιάστατης γραμμικής δυναμικής.

ΘΕΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΓΙΑ «ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ» ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΩΝ. lim. (β) n +

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ. z x y 2xyi. Re z x y. Θα δείξουμε ότι για τους μιγαδικούς αριθμούς z για τους οποίους ισχύει ότι. z z zz. zz zz z z 1 0 z z 1 (1)

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

( s ) Παραγώγιση στο χρόνο. Ολοκλήρωση στο χρόνο. Θεώρηµα αρχικής και τελικής τιµής Ο ΜΟΝΟΠΛΕΥΡΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE. Σεραφείµ Καραµπογιάς

~ 1 ~ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ 2012 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ. αν ικανοποιούνται τα ακόλουθα:

ΛΥΣΕΙΣ 6 ης ΕΡΓΑΣΙΑΣ - ΠΛΗ 12,

Μηχανική ΙI. Μετασχηµατισµοί Legendre. της : (η γραφική της παράσταση δίνεται στο ακόλουθο σχήµα). Εάν

u x = 2uu y u y = 0 ϕ x = x t h (t), ϕ xx = x2 t 3 h (t) και ϕ y = y t h (t), ϕ yy = y2 t 3 h (t). t 2 h (t) + x2

w = f(z) = z + i C(0,4) 2πi z 2 (z 2) 3 dz = 1 8. f(z) = (z 2 + 1)(z + i). e z 1 e z 1 = 3 cos 2θ

Αόριστο ολοκλήρωμα. επαληθεύει την παραπάνω ισότητα.

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Transcript:

Επίλυση Προβληµάτων Αρχικών / Συνοριακών Τιµών Μεταδόσεως Θερµότητας Τα προβλήµατα µεταδόσεως θερµότητας (ή θερµικής αγωγιµότητας heat conduction), µε την υπόθεση ισχύος του νόµου Fourier, διέπονται από τις ακόλουθες εξισώσεις σε τρείς διαστάσεις (κλασσική θεωρία µεταδόσεως θερµότητας σε ισότροπα µέσα) q = K T ή qi = k, (1) i T T T t κ t 1 1 T = ή + + = κ 1 3, () όπου q q( x,t) το διάνυσµα της θερµικής ροής (heat flux), T T(, t) θερµοκρασία, k η θερµική αγωγιµότητα, και κ η σταθερά θερµικής διαχύσεως. x η Συνοριακές συνθήκες Οι κατάλληλες συνοριακές συνθήκες (σ.σ.) στην επιφάνεια S που περικλείει τον όγκο V του µέσου για προβλήµατα που διέπονται από τις Εξ. (1) και () εµπίπτουν στους ακόλουθους τύπους: n V S 1 T = κ t (α) σ.σ. Dirichlet Η θερµοκρασία είναι δεδοµένη συνάρτηση σε όλα τα σηµεία της επιφάνειας S. T : γνωστή συνάρτηση επί της S, (3α) ή

(, ) = (, ) T x t f x t, (3β) όπου f (, t) S. x είναι γνωστή συνάρτηση του χρόνου t και της θέσεως στην επιφάνεια (β) σ.σ. Neumann Η θερµική ροή είναι δεδοµένη συνάρτηση σε όλα τα σηµεία της επιφάνειας S. n ή : γνωστή συνάρτηση επί της S, (4α) T = g n (, t) όπου g(, t) x, (4β) x είναι γνωστή συνάρτηση του χρόνου t και της θέσεως στην επιφάνεια S και n το κάθετο προς τα έξω διάνυσµα στην επιφάνεια. Στην περίπτωση θερµικής µονώσεως (thermal insulation) θα είναι n= στην επιφάνεια S. Στην περίπτωση θερµικής επαφής µεταξύ δύο διαφορετικών σωµάτων 1 και θα ( 1) ( ) ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις κατά µήκος της επιφάνειας επαφής T = T και k 1 T 1 n k T n =. (γ) σ.σ. Robin Cauchy Συνδυασµός της θερµοκρασίας και της θερµικής ροής είναι δεδοµένος σε όλα τα σηµεία της επιφάνειας S. T+ a : γνωστή συνάρτηση επί της S, (5α) n T+ a = h( x, t), (5β) n όπου h(, t) x είναι γνωστή συνάρτηση του χρόνου t και της θέσεως στην επιφάνεια S, και a είναι γνωστός συντελεστής (ή, γενικότερα, γνωστή συνάρτηση των ( ),t x ). Ο ανωτέρω τύπος σ.σ. αντιστοιχεί στον λεγόµενο νόµο ψύξεως του Newton (Newton s cooling law).

Τέλος, στις περιπτώσεις που διαφορετικοί τύποι των σ.σ. (α), (β) και (γ) δίνονται σε συµπληρωµατικά τµήµατα του συνόρου S, έχουµε µικτού τύπου συνθήκες που οδηγούν εν γένει σε δύσκολα µαθηµατικά προβλήµατα. Η έννοια του καλώς-ορισµένου προβλήµατος Γενικώς, προβλήµατα που διέπονται από εξισώσεις του τύπου (1) και () συνοδευόµενες από κατάλληλες συνοριακές συνθήκες συνιστούν καλώς-ορισµένα (well posed) προβλήµατα όταν πληρούνται τα εξής κριτήρια του Hadamard: (1) Το πρόβληµα έχει λύση (ύπαρξη λύσεως existence of solution), () Η λύση είναι µοναδική (µοναδικότητα λύσεως uniqueness of solution), (3) Η λύση είναι ευσταθής, δηλαδή η λύση εξαρτάται µε συνεχή τρόπο από τα δεδοµένα και δεν αλλάζει δραµατικά εάν υπάρξει µικρή αλλαγή στα δεδοµένα του προβλήµατος (ευστάθεια λύσεως stability of solution). Κατωτέρω, θα επιλυθούν δύο απλά προβλήµατα µεταδόσεως θερµότητας σε µία διάσταση. Παράδειγµα 1 ίνεται το εξής πρόβληµα αρχικών / συνοριακών τιµών της θερµικής αγωγιµότητας ράβδου µήκους l T κ T = t, (1) T( x,) =, () T(, t ) =, (3) T( l, t ) = 1. (4) Να προσδιορισθεί η συνάρτηση T( x, t ) για < x< l και t>. Λύση Το πρόβληµα θα επιλυθεί µε την βοήθεια του µετασχηµατισµού Laplace ως προς την χρονική µεταβλητή t (µονόπλευρος one sided µετασχηµατισµός Laplace). Ο µετασχηµατισµός αυτός ορίζεται ως (ευθύς µετασχηµατισµός), (5α) f s = f t e dt 3

1 st f ( t) = f ( s) e ds πi (αντίστροφος µετασχηµατισµός), (5β) Br όπου Br είναι ο δρόµος ολοκληρώσεως Bromwich ( γ i, γ i ) + στο µιγαδικό s - επίπεδο. Ο δρόµος ολοκληρώσεως αυτός είναι παράλληλος προς τον άξονα των φανταστικών αριθµών και είναι κατάλληλα τοποθετηµένος ώστε στο δεξιό ηµι επίπεδο ως προς αυτόν να µην υπάρχουν ιδιόµορφα σηµεία (πόλοι και κλαδικές τοµές κλαδικά σηµεία για την συνάρτηση f ( s ) ). Ο πραγµατικός αριθµός γ καθορίζεται από την εξής απαίτηση (δηλ. την απαίτηση για σύγκλιση του µετασχηµατισµού) ( ) γt f t e dt<. (6) Εφαρµόζοντας τώρα τον µετασχηµατισµό (5α) στην (1), έχουµε T κ e dt= e dt t d κ ( Te dt) = T( x, t) e (, ) t= + st x t dx d T κ st =, (7) dx καθόσον T( x,) = από την Εξ. (). Σηµειώνουµε επίσης ότι T T( x s) χειριζόµαστε το s ως παράµετρο και έτσι η Εξ. (7) αποτελεί συνήθη.ε.,, ενώ i Im(s) r > r θ Re(s) Η γενική λύση της Εξ. (7) είναι 4

1/ 1/ 1/ 1/ (, ) exp( κ ) exp( κ ) T x s = A s x + B s x, (8) όπου A και B αυθαίρετες συναρτήσεις της παραµέτρου s, ενώ για το την κλαδική τοµή (branch cut) του ανωτέρω σχήµατος. Κατά µήκος της κλαδικής τοµής < Re( s) <, ( ) (double valuedness) της συναρτήσεως 1/ s : 1/ s εκλέγουµε Im s = παρατηρήστε την διτιµία 1/ 1/ iπ / 1/ s = r e =+ r από την «επάνω» πλευρά της τοµής, ενώ 1/ 1/ iπ / 1/ s = r e = r από την «κάτω» πλευρά της τοµής. Επίσης, µετασχηµατίζοντας τις συνοριακές συνθήκες (3) και (4) λαµβάνουµε T x=, s =, T x= l, s = 1 / s. (9), (1) Συνδυάζοντας πλέον τις Εξ. (8) (1) προκύπτει αλγεβρικό σύστηµα για τα Α και Β. Τελικά, η µετασχηµατισµένη λύση δίνεται ως (, ) T x s 1/ 1/ ( κ s x) 1/ 1/ ( κ ) 1 sinh =, (11) s sinh s l όπου µπορεί να ελεγχθεί ότι δεν υπάρχουν κλαδικές τοµές και η συνάρτηση στο δεξιό 1/ µέλος της (11) είναι πράγµατι µονότιµη (είναι δε άρτια συνάρτηση του s που 1/ σηµαίνει ότι περιέχει άρτιες δυνάµεις του s σε ανάπτυγµα σειράς ως προς το σηµείο s= ), ενώ η αντιστροφή σύµφωνα µε την Εξ. (5β) γράφεται ως (, ) T x t 1/ 1/ ( κ s x) 1/ 1/ ( κ ) = 1 γ i 1 sinh st e ds π i + γ i s sinh s l. (1) Ακολούθως, υπολογίζοντας τα ολοκληρωτικά υπόλοιπα της προς ολοκλήρωση συναρτήσεως και εφαρµόζοντας το σχετικό θεώρηµα έχουµε ( Res. @ s ) 1x = =, (13) πil n π κ 1 nπ x n ( ) ( π κ ) Res. @ s= = 1 sin exp n l t, l nπ i l για n= 1,,..., (14) 1x T x t i n l x n l t l nπ 1 (, ) π n Res. ( 1) sin( π ) exp( π κ = = + ), (15) n= 1 5

όπου η τελική έκφραση της Εξ. (15) προκύπτει µε το κλείσιµο της καµπύλης ολοκληρώσεως στο αριστερό ηµι επίπεδο του πεδίου (µιγαδικού επιπέδου) του µετασχηµατισµού Laplace. i Im(s) r > C R Re(s) Br γ R γ Σηµειώνεται ότι η συνεισφορά στο ολοκλήρωµα από τον ηµικυκλικό δρόµο ολοκληρώσεως είναι µηδενική βάσει του λήµµατος Jordan. Υπενθύµιση (λήµµα Jordan): C ( ) st e ds f s, εάν f ( s) = O( R a ) επί της καµπύλης C, καθώς R, για a> και t>. Παράδειγµα ίνεται το εξής πρόβληµα αρχικής τιµής της θερµικής αγωγιµότητας ράβδου απείρου µήκους T κ T = t, (1) (,) m( x) T x =, () 6

όπου η αρχική θερµοκρασία m( x ) θεωρείται δεδοµένη. Να προσδιορισθεί η συνάρτηση T( x, t ) για < x<, t>. Λύση Το πρόβληµα θα επιλυθεί µε την βοήθεια του µετασχηµατισµού Fourier ως προς την µεταβλητή x (θα µπορούσε όµως, εναλλακτικά, να εφαρµοστεί και ο µονόπλευρος µετασχηµατισµός Laplace ως προς τη µεταβλητή t, ενώ αντί του µετασχηµατισµού Fourier θα µπορούσε να εφαρµοστεί ο ισοδύναµος του αµφίπλευρος µετασχηµατισµός Laplace ως προς x ). Ο µετασχηµατισµός Fourier ορίζεται ως + ( ω) ( ) ˆ iωx f = f x e dx (ευθύς µετασχηµατισµός), (3α) 1 + ( ) ˆ iωx f x = f ( ω) e dω π (αντίστροφος µετασχηµατισµός). (3β) Εφαρµόζοντας την (3α) στην (1) λαµβάνουµε (µε ολοκλήρωση κατά παράγοντες) T iω x iωx κ e dx= e dx t ˆ iω x iωx κ e + iω e dx = x= dt (4) όπου T ˆ T ˆ ( ω, t) Υποθέτοντας τώρα ότι ( T x), ενώ το ω θεωρείται ως παράµετρος. / καθώς x, ο πρώτος όρος της αγκύλης µηδενίζεται. Η συνθήκη αυτή καθώς x (δηλ. σε αποµακρυσµένες θέσεις του µέσου) καλείται συνθήκη κανονικότητας (regularity condition) ή συνθήκη ακτινοβολίας (radiation condition) ή, απλώς, συνθήκη στο άπειρο (condition at infinity). Κατωτέρω, θα απαιτηθεί και µια δεύτερη συνθήκη κανονικότητας για να επιλυθεί το πρόβληµα. Κατόπιν, ολοκληρώνουµε κατά παράγοντες πάλι την (4) λαµβάνοντας iω x ˆ { ω x } dtˆ iκω Te + i T = = dt, (5) όπου υποθέτοντας περαιτέρω ότι T καθώς κανονικότητας), καταλήγουµε στην συνήθη.ε. x (δεύτερη συνθήκη dtˆ dt ˆ = κω T, (6) 7

της οποίας η γενική λύση για t> έχει την µορφή ( κω ) Tˆ = A exp t, (7) όπου A είναι αυθαίρετη συνάρτηση της παραµέτρου ω. Αυτή, η αρχικώς άγνωστη συνάρτηση, θα προσδιορισθεί µέσω της αρχικής συνθήκης (). Η τελευταία µετασχηµατιζόµενη δίνει ( ω, ) ˆ( ω) Tˆ t= = m, (8) ενώ από τον συνδυασµό των (7) και (8) προκύπτει ότι A mˆ ( ω) =. Ακολούθως, ο αντίστροφος µετασχηµατισµός της λύσεως προκύπτει ως 1 κω t iω x T( x, t) = mˆ ( ω) e e dω π 1 iω x κω t = e mˆ ( ω) dω π (9) Περαιτέρω, αφού µας δίνεται η m( x ) και όχι ακριβώς η ( ) την Εξ. (9) την εξής µορφή ωξ ( ) iω( x ξ) κω t ( ) 1 iω x κω t i T( x, t) = e m( ξ) e dξ dω π 1 = m( ξ) e dω dξ π ˆm ω χρησιµοποιούµε για Με κατάλληλη αλλαγή µεταβλητής και επικαµπύλιο ολοκλήρωση υπολογίζεται το εσωτερικό ολοκλήρωµα και η τελική έκφραση έχει την µορφή ( ξ x) exp / 4κ t T( x, t) = m( ξ) d κ π ( t) (1) ξ. (11) 1/ 1/ Είναι ενδιαφέρουσα η παρατήρηση ότι η συνάρτηση του πυρήνα ( ξ x) exp / 4κ t K( ( ξ x), t), (1) 1/ 1/ κ π ( t) έχει την συµπεριφορά που δείχνει το ακόλουθο σχήµα 8

K((ξ-x),t) t t > x ξ Πράγµατι, ο πυρήνας K είναι µια κατανοµή Gauss ως προς το σηµείο ξ = x. Το εµβαδόν της περιοχής κάτω από κάθε τέτοια καµπύλη (για διάφορα t ) είναι πάντοτε ίσο µε την µονάδα και ο πυρήνας ταυτίζεται µε την γενικευµένη συνάρτηση Dirac δέλτα στο όριο t t lim m ξ K ξ x, t dξ = m x, (13) όπως όντως απαιτείται από την συνθήκη (). 9