ΜΔΕ Άσκηση 6 Α. Τόγκας

Σχετικά έγγραφα
Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

Διαφοριϰές Εξισώσεις (ΜΕΜ 271) Λύσεις Θεμάτων Εξέτασης Ιούνη 2019

f(x)=f(x+λ), Τότε η συνάρτηση καλείται περιοδική, ο δε ελάχιστος αριθμός λ για τον οποίο ισχύει η παραπάνω σχέση καλείται αρχική περίοδος της f.

είναι γραµµικώς ανεξάρτητοι, αποτελούν βάση του υποχώρου των πινάκων Β άρα η διάστασή του είναι 2. και 2

κι επιβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες παίρνουμε ότι θα πρέπει

ΣΕΙΡΕΣ FOURIER. ο µετασχηµατισµός αυτός δίνεται από την σχέση x = ). Έτσι, χωρίς βλάβη της γενικότητας,

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

F = y n cos xˆx + sin xŷ. W OABO = F d r. ds + sin(x)dy ds. dy ds = 1 π. ) n 1 cos(s) + sin(s)ds. dy ds = 0. ds = 1 &

Λύσεις μερικών ασκήσεων του τέταρτου φυλλαδίου.

Προτεινόμενα θέματα Πανελλαδικών εξετάσεων. Μαθηματικά Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης ΕΛΛΗΝΟΕΚΔΟΤΙΚΗ

ΘΕΜΑ 1. θ (0, ). 4 α) Να δείξετε ότι οι ρίζες της εξίσωσης αυτής είναι μη πραγματικοί αριθμοί. β) Έστω z,z. Δ = 4εφ θ 4= 4(εφ θ 1) < 0 γιατί π

Τριγωνομετρικές συναρτήσεις Τριγωνομετρικές εξισώσεις

ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Physics by Chris Simopoulos

X(s + j 2π T k)esit ds, C 1 = a + j(0,2π/t) ( ln(z) + j2πk. z i 1 dz, C = e at+j(0,2π). j2π C T

ΤΡΑΠΕΖΑ ΘΕΜΑΤΩΝ. Άλγεβρας Β τάξης Γενικού Λυκείου 2o Θέμα. Εκφωνήσεις Λύσεις των θεμάτων. Έκδοση 1 η (26/11/2014)

ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ- ΦΥΛΛΑΔΙΟ 1(ΑΝΑΛΥΣΗ)

Απόδειξη Αποδεικνύουμε το θεώρημα στην περίπτωση που είναι f (x) 0.

Seirèc Fourier A. N. Giannakìpouloc, Tm ma Statistik c OPA

Μία σύντομη εισαγωγή στην Τριγωνομετρία με Ενδεικτικές Ασκήσεις

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΕΝ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ

Πανελλήνιες Εξετάσεις Ημερήσιων Γενικών Λυκείων. Εξεταζόμενο Μάθημα: Μαθηματικά Προσανατολισμού, Θετικών & Οικονομικών Σπουδών

1 η δεκάδα θεµάτων επανάληψης

ΤΡΑΠΕΖΑ ΘΕΜΑΤΩΝ. Άλγεβρας Β τάξης Γενικού Λυκείου 2o Θέμα. Εκφωνήσεις Λύσεις των θεμάτων. Έκδοση 2 η (2/12/2014)

1.1 Τριγωνομετρικές Συναρτήσεις

ΜΙΓΑΔΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛ. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΓΡΑΠΤΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 2010 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

(Μονάδες 15) (Μονάδες 12)

Τετραγωνική κυματομορφή συχνότητας 1 Hz

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ...7 ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗΣ... 9 Θεωρία... 9 Ερωτήσεις... 9 Μεθοδολογία Παραδείγματα Ασκήσεις...

ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΣΜΟΙΩΣΗΣ 1, 23/03/2018 ΘΕΜΑ Α

(Ενδεικτικές Απαντήσεις) ΘΕΜΑ Α. Α1. Βλέπε απόδειξη Σελ. 262, σχολικού βιβλίου. Α2. Βλέπε ορισμό Σελ. 141, σχολικού βιβλίου

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΘΕΜΑΤΑ ΚΑΙ ΛΥΣΕΙΣ ΣΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΤΕΚΝΩΝ ΕΛΛΗΝΩΝ ΚΑΤΟΙΚΩΝ ΤΟΥ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥ

Δίνονται οι συναρτήσεις: f ( x)

ιαφορικές Εξισώσεις µε Μερικές Παραγώγους, Απαντήσεις-Παρατηρήσεις στην Τελική Εξέταση Περιόδου Ιουνίου.

Επαναληπτικό Διαγώνισμα Άλγεβρας Β Λυκείου

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΑΛΓΕΒΡΑ B ΛΥΚΕΙΟΥ. Γενικής Παιδείας ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΛΥΣΕΙΣ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΒΙΒΛΙΟΥ

[1] ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2012 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ. z : Παρατηρούμε ότι sin

ΘΕΜΑ Α. Α1. Θεωρία Θεώρημα σελ. 145 σχολικού βιβλίου. Α2. Θεωρία Ορισμός σελ. 15 σχολικού βιβλίου

ΒΑΣΙΚΑ ΟΡΙΑ. ,δηλαδή ορίζεται τουλάχιστον σ ένα από τα σύνολα (α, x. lim. lim g(x) , λ σταθερά lim g(x) (ισχύει και για περισσότερες από 2

Εργασία 1 η & Λύσεις 2009/10 Θεματική Ενότητα ΦΥΕ14 " ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ "

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι ΛΥΣΕΙΣ 4 ης ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ. 1 (γ) lim. 1/ x

ΕΑΠ ΣΠΟΥ ΕΣ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Θ.Ε. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι (ΠΛΗ-12)

ΑΛΓΕΒΡΑ Β ΛΥΚΕΙΟΥ - ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΕΥΣΕΙΣ ΤΡΙΓΩΝΟΜΕΤΡΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ

, x > 0. Β) να µελετηθεί η µονοτονία και τα ακρότατα της f. Γ) να δείξετε ότι η C f είναι κυρτή και ότι δεν υπάρχουν τρία συνευθειακά σηµεία

Ο μαθητής που έχει μελετήσει το κεφάλαιο αυτό θα πρέπει:

xsin ydxdy (α) Εάν το χωρίο R είναι φραγμένο αριστερά και δεξιά από τις ευθείες x=α και x=β και από πάνω και κάτω από τις καμπύλες dr = dxdy

Tριγωνομετρικές εξισώσεις

ΘΕΩΡΙΑ ΤΡΙΓΩΝΟΜΕΤΡΙΑΣ

3.4 ΟΙ ΤΡΙΓΩΝΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ

Επαναληπτικό Διαγώνισμα στα Μαθηματικά Προσανατολισμών Γ

Κεφάλαιο 7. Εισαγωγή στην Ανάλυση Fourier.

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2014 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ. β) Το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της f1( z ) γράφονται. Οι πρώτες μερικές παράγωγοι

AΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΕΣ 2018

3.4 Οι τριγωνομετρικές συναρτήσεις

Ελευθέριος Πρωτοπαπάς. Εκφωνήσεις και λύσεις των ασκήσεων της Τράπεζας Θεμάτων στην Άλγεβρα Β Γενικού Λυκείου

Για τις λύσεις συνεργάστηκαν οι μαθηματικοί: Κολλινιάτη Γιωργία. Μάκος Σπύρος. Πανούσης Γιώργος. Παπαθανάση Κέλλυ. Ραμαντάνης Βαγγέλης.

Αρµονική Ανάλυση. Ενότητα: Σειρές Fourier - Ασκήσεις. Απόστολος Γιαννόπουλος. Τµήµα Μαθηµατικών

Ελευθέριος Πρωτοπαπάς ΑΛΓΕΒΡΑ Β ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙ ΕΙΑΣ ΣΥΝ ΥΑΣΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ

Εκφωνήσεις των θεμάτων των εξετάσεων Επεξεργασμένες ενδεικτικές απαντήσεις Ενδεικτική κατανομή μονάδων ανά ερώτημα

Ράβδος σε σκαλοπάτι. = Fημθ και Fy

c n x n (t)) f(t) c n x n (t)dt + θ f 2 (t)dt = 0 f(t)c i x i (t)dt =

Μοντελοποίηση, Ανάλυση και Σχεδιασμός Στοχαστικών Συστημάτων

Στραγγίσεις (Θεωρία)

Περιεχόμενα. Πρόλογος Κεφάλαιο 1 Βασικές έννοιες Κεφάλαιο 2 Ταξινόμηση των διαφορικών εξισώσεων πρώτης τάξης... 20

ΘΕΜΑΤΑ ΚΑΙ ΛΥΣΕΙΣ. A1. Έστω f μια συνάρτηση παραγωγίσιμη σε ένα διάστημα (α, β), με εξαίρεση ίσως ένα σημείο

Δύο κύματα στο ίδιο γραμμικό ελαστικό μέσον.

γραφική παράσταση της συνάρτησης f, τον άξονα x x και τις ευθείες x = 1 και x = 2. lim lim (x 3) ) = 9α οπότε: (1 e ) (x 3) (1 e )(x 3) (x 3)

1. Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα δύο απλές αρμονικές ταλαντώσεις ίδιας διεύθυνσης και ίδιας συχνότητας,

Τριγωνοµετρικές εξισώσεις - Εσωτερικό γινόµενο διανυσµάτων

[f(x)] [f(x)] [f (x)] (x 2 + 2) x 2-2 x 2.

1.2 Βασικές Τριγωνομετρικές Εξισώσεις

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ του Κώστα Βακαλόπουλου ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΕΥΡΕΣΗΣ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΚΑΙ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΤΙΜΗΣ ΜΙΑΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ

Άγγελος Λιβαθινός, Μαθηματικός. ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ-ΛΥΣΕΙΣ. Α1. Θεωρία ( Σχολικό Βιβλίο, Σελίδα 98. Μέτρο Μιγαδικού αριθμού- ιδιότητα)

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2014 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

Πανελλαδικές Εξετάσεις 2017

( y) ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΩΝ ΘΕΜΑ Α Α1. Σχολικό βιβλίο, σελίδα 135

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Εξετάσεις 9 Ιουνίου Μαθηματικά Προσανατολισμού Γ Λυκείου ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Μοντελοποίηση, Ανάλυση και Σχεδιασμός Στοχαστικών Συστημάτων

ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 12: ΑΣΥΜΠΤΩΤΕΣ - ΚΑΝΟΝΕΣ DE L HOSPITAL - ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ

Λύσεις θεμάτων προσομοίωσης-1 ο /2017 ΛΥΣΕΙΣ

ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2017

f p = lim (1 a n ) < n=0

1.2 Βασικές Τριγωνομετρικές Εξισώσεις

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Αναγωγή στο 1ο τεταρτημόριο

Δ Ι Π Λ Α Ο Λ Ο Κ Λ Η Ρ Ω Μ Α Τ Α

Σειρές συναρτήσεων. Τα μαθηματικά συγκρίνουν τα πιο διαφορετικά φαινόμενα και ανακαλύπτουν τις μυστικές αναλογίες, που τα ενώνουν.

ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΑΙ ΣΠΟΥΔΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙ ΩΝ: ΠΕΝΤΕ (5)

( f ) ( T) ( g) ( H)

Απαντήσεις Θεμάτων Πανελληνίων Εξετάσεων Ημερησίων Γενικών Λυκείων

Ένα σώμα εκτελεί ταυτόχρονα τρεις (3) απλές αρμονικές ταλαντώσεις, που έχουν ίδια διεύθυνση, ίδια θέση ισορροπίας και εξισώσεις:

ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ ΜΕΣΗΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΗΡΑΚΛΕΙΤΟΣ ΚΩΛΕΤΤΗ

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ. ΛΟΓΙΣΜΟΣ Ι - ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι ΑΣΚΩΝ : Χρήστος Βοζίκης

Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής. Σημειώσεις ΙI: Η Εξίσωση Schrödinger για σωμάτιο σε κεντρικό δυναμικό.

( ) Λ αφού αν διαιρέσουμε με το 2 τους όρους του 2 ης εξίσωσης το σύστημα γίνεται Ρ =

Transcript:

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.

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)

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 =,

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 ],

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.

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,

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.

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).

Εφαρμόζοντας λοιόν τον τύο του d Aembert αίρνουμε u( 4, ) = 1 [ f( 4 ) + f( 3 4 )] = 1 [ f( 4 ) + f( 3 4 )] = 1 ( sin 4 3 + 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

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().

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 = 1 + 1 3 + 1 5 + 1 7 + + 1 + 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 [, + ).