Introduktion till partiella differentialekvationer

Relevanta dokument
Tentamen i Fourieranalys MVE030 för F2 och Kf2 och Fouriermetoder MVE290 för TM2

UPPSTÄLLDA SAMBAND SKALL MOTIVERAS (gärna med en enkel skiss). Uppgifterna är inte avsiktligt ordnade efter hur svåra de är.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 11-14, 16/11-28/

Vi betraktar homogena partiella differentialekvationer (PDE) av andra ordningen

Partiella differentialekvationer (TATA27)

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

ÖVN 11 & 12 DEL B - DIFFTRANS - DEL2 - SF Nyckelord och innehåll

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Teori för linjära ordinära differentialkvationer med konstanta koefficienter

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

Varför låter musikinstrument

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Lösning till tentamen i SF1633 Differentialekvationer I för BD, M och P, , kl

Partiella differentialekvationer och randvärdesproblem Separabla PDE Klassiska ekvationer och randvärdesproblem

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

(y 2 xy) dx + x 2 dy = 0 y(e) = e. = 2x + y y = 2x + 3y 2e 3t, = (x 2)(y 1) y = xy 4. = x 5 y 3 y = 2x y 3.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Rita även grafen till Fourierserien på intervallet [ 2π, 4π]. (5) 1 + cos(2t),

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

1. Lös ut p som funktion av de andra variablerna ur sambandet

Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

Tentamen i Envariabelanalys 1

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

1. (4p) Para ihop följande ekvationer med deras riktingsfält. 1. y = 2 + x y 2. y = 2y + x 2 e 2x 3. y = e x + 2y 4. y = 2 sin(x) y

Tentamen, Matematik påbyggnadskurs, 5B1304 fredag 20/ kl

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e 50k = k = ln 1 2. k = ln = ln 2

Fourierserier: att bryta ner periodiska förlopp

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Milo Viviani MVE500, TKSAM-2

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 14 19

= e 2x. Integrering ger ye 2x = e 2x /2 + C, vilket kan skrivas y = 1/2 + Ce 2x. Här är C en godtycklig konstant.

Introduktion till Sturm-Liouvilleteori och generaliserade Fourierserier

Lösningsförslag, Tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 2, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 9 juni 2011, kl.

1+v(0)kt. + kt = v(0) . Detta ger sträckan. x(t) = x(0) + v(0) = x(0) + 1 k ln( 1 + v(0)kt ).

Repetition, Matematik 2 för lärare. Ï x + 2y - 3z = 1 Ô Ì 3x - y + 2z = a Ô Á. . Beräkna ABT. Beräkna (AB) T

Analytisk mekanik för MMT, 5C1121 Tentamen, , kl

Matematiska Institutionen L osningar till v arens lektionsproblem. Uppgifter till lektion 9:

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen

SVAR: Det är modell 1 som är rimlig för en avsvalningsprocess. Föremålets temperatur efter lång tid är 20 grader Celsius.

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

TATA42: Föreläsning 8 Linjära differentialekvationer av högre ordning

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

Moment 8.51 Viktiga exempel , 8.34 Övningsuppgifter 8.72, 8.73

Tentamen i SG1140 Mekanik II, Inga hjälpmedel. Lycka till! Problem

ENDIMENSIONELL ANALYS DELKURS A3/B kl HJÄLPMEDEL. Lösningarna skall vara försedda med ordentliga motiveringar.

= 0 vara en given ekvation där F ( x,

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

8. Euklidiska rum 94 8 EUKLIDISKA RUM

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

1. Rita in i det komplexa talplanet det område som definieras av följande villkor: (1p)

1 dy. vilken kan skrivas (y + 3)(y 3) dx =1. Partialbråksuppdelning ger y y 3

Prov i Matematik Prog: NV, Lär., fristående Analys MN UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Michael Melgaard, tel

För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant.

Crash Course Envarre2- Differentialekvationer

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

ODE av andra ordningen, och system av ODE

Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 2) 10 januari 2017 kl. 14:00-19:00. a+bx e x 2 dx

INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna ska vara försedda med ordentliga motiveringar. xy dxdy,

y = sin 2 (x y + 1) på formen µ(x, y) = (xy) k, där k Z. Bestäm den lösning till ekvationen som uppfyler begynnelsevillkoret y(1) = 1.

x f x + y f y x. 2 Funktionen f(x, y) uppfyller alltså given differentialekvation.

TMV225 Kapitel 3. Övning 3.1

x(t) I elimeringsmetoden deriverar vi den första ekvationen och sätter in x 2(t) från den andra ekvationen:

1. (a) Bestäm funktionen u = u(x, y), 0 < x < a och 0 < y < a, som uppfyller u xx (x, y) + u yy (x, y) = 0

MVE500, TKSAM-2. (c) a 1 = 1, a n+1 = 4 a n för n 1

Lösningsförslag till tentamensskrivning i SF1633 Differentialekvationer I. Tisdagen den 7 januari 2014, kl

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 8 13

Några viktiga satser om deriverbara funktioner.

Notera på första tentabladet om du har hemtal tillgodo från tidigare kurs

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

6. Samband mellan derivata och monotonitet

har ekvation (2, 3, 4) (x 1, y 1, z 1) = 0, eller 2x + 3y + 4z = 9. b) Vi söker P 1 = F (1, 1, 1) + F (1, 1, 1) (x 1, y 1, z 1) = 2x + 3y + 4z.

SAMMANFATTNING TATA41 ENVARIABELANALYS 1

Campus och distans Flervariabelanalys mag ATM-Matematik Mikael Forsberg och Yury Shestopalov (Mikael Forsberg)

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1202/2 Diff och Trans 2 del 2, för F och T.

Tentan , lösningar

Matematik 5 svar. Kapitel Test Blandade uppgifter Kapitel a) dy

+ 5a 16b b 5 då a = 1 2 och b = 1 3. n = 0 där n = 1, 2, 3,. 2 + ( 1)n n

Lösningsförslag till tentan i 5B1115 Matematik 1 för B, BIO, E, IT, K, M, ME, Media och T,

SF1625 Envariabelanalys

(2xy + 1) dx + (3x 2 + 2x y ) dy = 0.

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

Instuderingsfrågor i Funktionsteori

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

, x > 0. = sinx. Integrera map x : x 3 y = cosx + C. 1 cosx x 3. = kn där k är. k = 1 22 ln 1 2 = 1 22 ln2, N(t) = N 0 e t. 2 t 32 N 1.

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

Prov i matematik Distans, Matematik A Analys UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen

Lösningsförslag, tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 1, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 19 oktober 2011, kl. 8:00 13:00.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 14 mars 2011,

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

Lösningsförslag till TATA42-tentan

Transkript:

KAPITEL 4 Introduktion ti partiea differentiaekvationer 4.1. Några eempe Eempe 4.1. (Den endimensionea värmeedningsekvationen Vi betraktar värmeedningsprobemet (se Kapite 1 i en (oändigt tunn stav av ängd. Låt värmen i punkten vid tidpunkten t ges av u(,t. Antag att värmen i staven vid tiden beskrivs av funktionen f (, och att värmen i ändpunkterna = och = ges av funktionerna h(t, respektive g(t (i praktiken är h och g uppmätta kvantiteter. Då beskrivs u(, t av den s.k. värmeedningsekvationen: u t ku =, t >, < <, u(, = f (, < <, u(,t = h(t, t >, u(,t = g(t, t >. FIGUR 4.1.1. Endimensione värmeedning Eempe 4.2. (Den inhomogena endimensionea värmeedningsekvationen Antag att vi har samma system som i föregående eempe, men att vi dessutom tiför värmen v(, t i punkten vid tiden t. Då beskrivs u(, t istäet av den inhomogena värmeedningsekvationen: u t ku = v(,t, t >, < <, u(, = f (, < <, u(,t = h(t, t >, u(,t = g(t, t >. FIGUR 4.1.2. Endimensione inhomogen värmeedning v = v(,t 11

12 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER Eempe 4.3. (Den tvådimensionea värmeedningsekvationen Vi betraktar nu värmeedning i ett tvådimensionet område D. Låt värmen i punkten (,y D vid tiden t ges av u(,y,t. Antag att värmefördeningen vid tiden t = beskrivs av funktionen f (,y, och att värmen i randen ti D är konstant (oberoende av tiden och ges av funktionen g(,y (i praktiken så kan man åstadkomma konstant värme på randen genom att tiföra eer eda bort värme. Antag dessutom att värmen v(,y,t tiförs i punkten (,y vid tidpunkten t. Då beskrivs u(,y,t av den tvådimensionea värmeedningsekvationen: u t k ( u + u yy = v(,y,t, (,y D, t >, u(,y, = f (,y, (,y D, u(,y,t = g(,y, (,y D, t >. (,y D D Eempe 4.4. (Den tredimensionea värmeedningsekvationen Vi betraktar nu värmeedning i ett tredimensionet område V. Vi använder samma beteckningar som ovan, förutom att vi även har en z-koordinat. Värmen u(,y,z,t beskrivs av den tredimensionea värmeedningsekvationen: (4.1.1 u t div(kgradu = v(,y,z,t, (,y,z V, t >, u(,y,z, = f (,y,z, (,y,z V, u(,y,z,t = g(,y,z, (,y,z V, t >. ANMÄRKNING 1. Observera att gradienten grad av funktionen u(,y,z ges av vektorn gradu = u = ( ( u,u y,u u z =, u z, u ( = z, z, u. z Om skrivs som vektorn ( =, z,, z ges divergensen div, av ett vektorfät F = (F,F y,f z av divf = F = F + F y z + F z z. Divergensen av gradienten ges därmed av div(gradu = u = 2 u = u = u + u yy + u zz. Atså gäer att om k = k(,y,z är konstant = k så kan (4.1.1 skrivas som ANMÄRKNING 2. Observera att ekvationen u t k ( u + u yy + u zz = v u t k u = v. u t κ u = v i amänhet beskriver en diffusionsprocess. Värmeedning innebär en diffusion (transport av värme, och är ett eempe på en sådan process. Några andra eempe på diffusionsprocesser är Bandning av en vätska i en annan (t.e. mjök i en tekopp.

4.1. NÅGRA EXEMPEL 13 Utbredning av en gas i uft (t.e. spridning av en giftig gas i uften. Spridning av eementarpartikar i ett homogent materia (t.e. neutrinos i en kärnkraftreaktor. Eftersom ekvationerna är de samma kommer naturigtvis de metoder vi går igenom för att ösa oika eempe på värmeedningsekvationen kunna användas för aa oika typer av diffusion. En annan PDE som är ika viktig som diffusionsekvationen är vågekvationen, viken vi nu ska se några eempe på. Eempe 4.5. (Den endimensionea vågekvationen Betrakta en vibrerande (eastisk sträng av ängd som sitter fast i båda ändpunkterna. Pacera strängen ängs en -ae och åt u(, t beskriva strängens position vid koordinaten och tiden t. Vid startögonbicket t = ges strängens position och hastighet av funktionerna f ( respektive g(. Strängens vibrationer beskrivs av den endimensionea vågekvationen: u tt ku =, < <, t >, u(,t = u(,t =, t >, u(, = f (, < <, u t(, = g(, < <. FIGUR 4.1.3. Vibrerande sträng u(,t Eempe 4.6. (Den tvådimensionea vågekvationen Betrakta ett vibrerande membran som sitter fast i kanterna (t.e. ett trumskinn fastspänt i en trumma. Pacera membranet så att det täcker ett område D i y-panet, och åt u(,y,t beskriva positionen av membranet i punkten (,y vid tiden t. Vid tiden t = ges membranets position och hastighet av funktionerna f (, y respektive g(, y. Membranets vibrationer beskrivs av den tvådimensionea vågekvationen: u tt k ( u + u yy =, (,y D, t > u(,y,t =, (,y D, t > u(,y, = f (,y, (,y D, u t(,y, = g(,y, (,y D.

14 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER FIGUR 4.1.4. Vibrerande membran D z z = u(,y,t y D Eempe 4.7. (Den tvådimensionea Lapaceekvationen Antag att vi har ett tvådimensionet område, som i Eempe 4.3, och vi undersöka hur värmefördeningen i systemet ser ut då det uppnått termisk jämvikt, d.v.s. när det gått så ång tid att värmefördeningen inte ängre förändras med tiden. Antag dessutom att vi inte tiför någon värme. Detta innebär att vi ska sätta u t = och v = i Eempe 4.3, viket ger oss Lapaces ekvation, viken kan skrivas på föjande ekvivaenta sätt: (4.1.2 u + u yy =, 2 u =, u =. (Ofta brukar kaas för Lapaces operator, viken är av mycket stor betydese även inom ren matematik. Lösningen u(, y ti (4.1.2 ger värmen i punkten (, y då systemet har uppnått termisk jämvikt. Detta brukar kaas en stationär ösning ti värmeedningsprobemet. Eempe 4.8. (Den tvådimensionea Poissons ekvation Poissons ekvation är en inhomogen Lapaceekvation, viken atså kan skrivas på föjande ekvivaenta sätt: u + u yy = f 2 u = f u = f. Här har vi atså u t = och v(,y,t = 1 f (,y i Eempe 4.3, och vi kan atså toka Poissons k ekvation som värmeedningsekvationen när vi har termisk jämvikt (u t =, samt tiför värmen f (,y i punkten (,y (oberoende av tiden.

4.2. EN ALLMÄN PDE AV ANDRA ORDNINGEN 15 Eempe 4.9. (Den tredimensionea Poissons ekvation u + u yy + u zz = f 2 u = f u = f. I det här faet har vi u t = och v = 1 k f i Eempe 4.4, och den tredimensionea Poissons ekvation kan precis som den tvådimensionea ovan tokas som värmeedningsekvationen vid termisk jämvikt då vi tiför värmen 1 k f (,y,z i punkten (,y,z. ANMÄRKNING 3. Om den tiförda värmen i eempen ovan har negativt tecken ska detta naturigtvis tokas som en nedkyning. 4.2. En amän PDE av andra ordningen En amän partie differentiaekvation (PDE kan skrivas som (4.2.1 G (,t,u,u,u t,u,u t,u tt =. De grundäggande frågorna vi stäer oss är: 1. Eisterar det en ösning ti PDEn? 2. Är ösningen unik? 3. Är ösningen stabi vid små störningar? 4. Vika metoder finns för att konstruera och iustrera ösningar? Eempe 4.1. Probemen i Eempe 4.1-4.6 har unika ösningar, men probemen i Eempe 4.7-4.9 har inte unika ösningar. ANMÄRKNING 4. En PDE av typen (4.2.1 har vanigtvis oändigt många ösningar och den amänna ösningen beror då på ett anta godtyckiga funktioner (jämför att amänna ösningar ti en ODE beror på godtyckiga konstanter. Eempe 4.11. har ösningarna Ekvationen u t = t u = 1 4 t2 2 + g(t + h(. Eempe 4.12. har t.e. ösningarna Den tvådimensionea Lapaceekvationen u + u yy =, u(,y = 2 y 2, u(,y = e cosy, u(,y = n ( 2 + y 2.

16 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER ANMÄRKNING 5. En ösning u(, y ti Lapaces ekvation kaas för en harmonisk funktion. För att hitta harmoniska funktioner kan man använda sig av det faktum att om f (z = f (+iy är en anaytisk funktion, d.v.s. om d f (z eisterar, så är readeen u(,y = R f ( + iy, och imaginärdeen v(,y = I f ( + iy dz harmoniska funktioner. I eempet ovan tog vi f (z = z 2, e z respektive ogz 2. 4.3. Linjäritet-Ickeinjäritet En partie differentiaekvation kan skrivas på formen (* Lu = f, där L är en differentiaoperator. Eempe 4.13. Låt L = t k 2. Då bir (* 2 u t ku = f, viket är en endimensione värmeedningsekvation (se Eempe 4.2. Eempe 4.14. Låt Då bir ekvationen (* L(u = u u t + 2tu. u u + 2tu = f (,t. t DEFINITION 4.1. Vi säger att (* är injär om operatorn L har egenskaperna: (1 (2 L(u + v = Lu + Lv, L(cu = clu. Om något av dessa vikor inte är uppfyt säger vi att (* är ickeinjär. Eempe 4.15. Värmeedningsekvationen i Eempe 4.13 är injär. Bevis: Vi måste undersöka om L = t k 2 uppfyer vikoren (1 och (2 ovan. 2 (1 L(u + v = (2 L(cu = (cu t (u + v t k 2 (cu 2 k 2 (u + v 2 = u t k 2 u = c u t u kc 2 2 = c Och atså, eftersom L uppfyer både (1 och (2 så är ekvationen injär. Lu = f 2 + v t k 2 v = Lu + Lv. 2 ( u t k 2 u 2 = clu.

4.5. SUPERPOSITIONSPRINCIPEN 17 Eempe 4.16. Den partiea differentiaekvationen i Eempe 4.14 är ickeinjär. Bevis: Vi börjar med att testa egenskap (1. L(u + v = (u + v(u + v t + 2t(u + v = uu t + uv t + vu t + vv t + 2tu + 2tv, och Lu + Lv = uu t + 2tu + vv t + 2tv. Eftersom L(u + v (Lu + Lv = uv t +vu t är inte (1 uppfyd och ekvationen är atså ickeinjär. 4.4. Kassificering av PDE En amän injär andra ordningens PDE kan skrivas som (4.4.1 a(,tu tt + b(,tu t + c(,tu + d(,tu t + e(,tu + q(,tu = f (,y, (,t D. Sätt Vi säger att PDEn (4.4.1 är Eiptisk om D(,t < i D, Paraboisk om D(,t = i D, Hyperboisk om D(,t > i D. Eempe 4.17. D(,t = (b(,t 2 4a(,tc(,t. Betrakta den tvådimensionea Lapaceekvationen u + u yy =. Här är D(,y = 2 4 1 1 = 4 <, och ekvationen är såedes eiptisk. Eempe 4.18. Betrakta värmeedningsekvationen u t u =. Här är D(,y = 2 4 ( 1 =, och ekvationen är såedes paraboisk. Eempe 4.19. Betrakta den endimensionea vågekvationen u tt u =. Här är D(,y = 2 4 1 ( 1 = 4 >, så ekvationen är hyperboisk. 4.5. Superpositionsprincipen Betrakta en injär och homogen (med i högeredet PDE: (* Lu =. Om (* har ösningar u 1,u 2,... så är också aa injärkombinationer av dessa, ösningar ti (* eftersom u = c 1 u 1 + c 2 u 2 + + c n u n, Lu = L(c 1 u 1 + + c n u n = c 1 Lu 1 + + c n Lu n = + + =. Detta kaas för superpositionsprincipen och gäer även för oändiga summor: u = c 1 u 1 + c 2 u 2 + + c n u n +

18 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER om vissa konvergensegenskaper gäer 1. Den kontinueriga superpositionsprincipen: Antag att u α (,t uppfyer Lu α = för aa α, a α b, och åt u(,t = Z b a c(αu α (,tdα, där c(α är en godtyckig (integrerbar funktion. Då gäer även att Bevis: Eempe 4.2. Lu =. ( Z b Lu = L c(αu α (,tdα = = Z b a Z b a a c(αlu α (,tdα c(α dα =. Det är enket att verifiera att ( u α (,t = 1 ( α2 ep, t >, < α < 4πkt 4kt uppfyer värmeedningsekvationen u t ku =. Atså uppfys denna ekvation även av funktionen u(,t = 1 Z ( α2 c(α ep ( dα. 4πkt 4kt 4.6. Rättstäda probem Ett randvärdes probem sägs vara rättstät (eng. we-posed om (a (b (c Eempe 4.21. det eisterar en ösning, ösningen är unik, och ösningen är stabi. Betrakta begynnesevärdesprobemet bestående av ekvationen tisammans med begynnesevärdena u tt + u =, t >, < <, (4.6.1 u(, =, u t(, =, < <. Den unika ösningen ges av den funktion som är konstant : u(,t, t, < <. n 1 T.e. om vi har ikformig konvergens för: sn ( = u j ( u, s n n( = u j( u, etc. för aa förekommande derivator. 1 1

4.6. RÄTTSTÄLLDA PROBLEM 19 Låt oss nu ändra ite grand på begynnesevärdena (4.7 ti (4.6.2 u(, =, u t(, = 1 4 sin1 4. Lösningen ti det nya begynnesevärdesprobemet ges av u(,t = 1 8 sin ( 1 4 sinh ( 1 4 t. För stora t gäer att sinh ( 1 4 t är ungefär 1 2 ep( 1 4 t. Den ia förändringen i begynnesevärdet har atså gett upphov ti en förändring i ösningen från en funktion som är konstant ti en ösning som ti beoppet väer eponentiet (från sinh-faktorn, samt oscierar eponentiet mycket (från sinus-faktorn. En verkigt dramatisk förändring! Detta betyder att ösningen inte är stabi, och atså gäer inte (c ovan. Probemet är atså icke rättstät (eng. i-posed. Eempe 4.22. Visa att randvärdesprobemet u t ku =, < <, < t < T, u(, = f (, < <, u(,t = g(t,u(,t = h(t, < t < T, där f C[,] och g,h C[,T ], har en unik ösning, u(,t, i rektangen R :, t T. Lösning: Vi kommer senare (i Eempe 5.9 konstruera en ösning ti probemet! Antag nu att det finns två skida ösningar ti probemet: u 1 (,t och u 2 (,t. Då måste funktionen w(,t = u 1 (,t u 2 (,t uppfya randvärdesprobemet: w t kw =, < <, < t < T, w(, =, < <, w(,t = w(,t =, < t < T. Bida nu energiintegraen Z E(t = w 2 (,td. Observera att E(t, E( =, och Z Z E (t = 2ww td = 2k ww d = [ 2kww ] Z 2k ( w 2 d = 2k Z ( w 2 d. Funktionen E är atså avtagande från E( =, och eftersom E måste E(t. Detta innebär att även w(,t, d.v.s. u 1 (,t = u 2 (,t för aa,t. Då vi från början antog att ösningarna u 1 och u 2 var skida har vi kommit fram ti en motsägese, och atså har probemet endast en ösning.

2 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER 4.7. Några anmärkningar om Fourierserier Betrakta en funktion f (, < <. Fourierkoefficienterna för f är definierade som a = 1 2 a n = 1 Z Z Z b n = 1 och Fourierserien för f är definierad som S( = a + f (d, ( nπ f (cos ( nπ f (sin n=1 a n cos d, n = 1,2,..., d, n = 1,2,..., ( nπ ( nπ + b n sin. För mer detajer om Fourierserier se avsnitt 6.2.2. Se även Fig. 4.7. Antag att f ( är oändigt många gånger deriverbar i intervaet < <, förutom i ett anta diskontinuitetspunkter. Då gäer: (a S( = S( + 2, för aa. (b S( = f ( i de punkter där f är kontinuerig, (c S( = 1 [ f (+ + f ( ] i diskontinuitetspunkter2 2 y f ( (a En diskontinuerig funktion y S( f ( (b Och dess Fourierserie I en graf av en diskontinuerig funktion brukar man indikera det värde funktionen tar i en punkt med en ifyd cirke, och det värde funktionen inte tar med en ofyd cirke 2 Här är f (+ = im y f (y, där vi håer y > då vi tar gränsvärdet, och på samma sätt definieras f (.

4.7. NÅGRA ANMÄRKNINGAR OM FOURIERSERIER 21 FIGUR 4.7.1. En fyrkantsvåg y k f ( = { k, < <, k, < π π k Eempe 4.23. Betrakta funktionen f ( från Fig. 4.7.1: { k, < <, f ( = k, <. Notera att ( f ( är en udda funktion, d.v.s. f ( = f (. Eftersom cos är jämn bir funktionen f (cos udda och vi vet att en integra av en udda funktion över ett jämnt interva atid nπ bir (den negativa arean tar ut den positiva arean, och atså bir a = a n = för aa n. Och vi har b n = 1 Z ( nπ f (sin d = 1 Z ( nπ Z ( nπ k sin d + k sin d = 2k Z ( nπ sin d D.v.s. = 2k [ ( nπ nπ cos = 2k (1 cosnπ nπ = 2k nπ (1 ( 1n. b 1 = 4k π, b 2 =, b 3 = 4k 3π, b 4 =, b 5 = 4k 5π,..., och Fourierserien för f är atså S( = 4k ( nπ π b n sin = 4k ( 1 (2m + 1π n=1 π m= 2m + 1 sin = 4k ( ( π sin + 1 ( 3π π 3 sin + 1 ( 5π 5 sin +. Se Fig. 4.7.2 för iustration av några av av de partiea (med bara ett visst anta termer Fourierserierna för S(. ]

22 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER FIGUR 4.7.2. Fourierserier y k S 1 ( π π k (a Första termen k y π k π S 1 ( 4k 3π sin3 4k 5π sin5 S 2 ( S 3 ( (b Ytterigare termer

4.8. SEPARATION AV VARIABLER 23 4.8. Separation av variaber Separation av variaber är en ofta använd metod för att ösa vissa typer av PDE:er och brukar även kaas Fouriers metod. Modeeempe: Lös probemet (1 (2 (3 u t ku =, < <, t >, u(, = f (, < <, u(,t = u(,t =, t >. Att separera variaberna i (1 innebär att vi söker en ösning u(,t viken kan faktoriseras i en de som bara beror på och en de som bara beror på t. För att se om detta är möjigt gör vi en ansats: u(,t = X(T (t, där X och T är de funktioner vi vi hitta. Om vi deriverar u får vi u t(,t = X(T (t och u (,t = X (T (t, och sätter vi in detta i (1 får vi ekvationen: X(T (t kx (T (t =, viken kan skrivas om som T (t 1 T (t k = X ( X(. Eftersom vänsteredet endast beror på t och högeredet endast beror på så måste båda sidorna vara ika med en konstant: T (t 1 T (t k = X ( X( = λ, för någon konstant λ (som vi bestämmer nedan. Istäet för den partiea differentiaekvationen (1 får vi atså två stycken ordinära differentiaekvationer: { T (t = λkt (t, X ( = λx(, med de amänna ösningarna T (t = Ce λkt,och X( = Asin ( ( λ + Bcos λ. Randvärdena (3 ger att antingen är T eer så måste X( = X( =. Då det första aternativet bara ger ösningen som är konstant får vi att X måste uppfya randvikoren X( = X( =, d.v.s. X( = B =, viket säger att B =, och dessutom är ( X( = Asin λ =. ( För att återigen undvika den triviaa ösningen W (d.v.s. med A = måste sin λ =, viket innebär att λ = nπ, n Z +, som är ekvivaent med att λ = n2 π 2 2 för något positivt heta n.

24 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER Vi har visat att om en ösning ti (1 går att faktorisera som X(T (t då kan den skrivas ( nπ ( K sin ep n2 π 2 kt 2, där n är ett positivt heta och K en konstant. Enigt superpositionsprincipen (avsnitt 4.5 ges den amänna ösningen ti ekvationen (1 och randvärdena (3 av ( nπ ( u(,t = b n sin ep n2 π 2 kt 2, n=1 där Fourierkoefficienterna, {b n } n=1, bestäms av begynnesevikoret (2: (* u(, = f ( = n=1 ( nπ b n sin. Låt nu för enkehetens sku = π och betrakta några eempe på begynnesevärden f ( ti ovanstående probem. Eempe 4.24. Låt f ( = 2sin+4sin3. Då gäer (* om b 1 = 2, b 2 =, b 3 = 4, b 4 = b 5 = =. Lösningen ti modeeempet är atså u(,t = 2sin(e t + 4sin(3e 9kt. Eempe 4.25. Låt f ( = 1 = 4 13 15 (sin + sin3 + sin5 +. Då gäer (* om b 1 = 4 π π, b 2 =, b 3 = 4 1 π 3, b 4 =, b 5 = 4 1 π 5, b 6 =, etc. Lösningen ti modeeempet är nu u(,t = 4 ( sin(e kt + 1 π 3 sin(3e 9kt + 1 5 sin(5e 25kt + = 4 π n=1 sin((2n 1e (2n 12 kt. Eempe 4.26. Om vi har en amän begynnesevärdesfunktion f (, π, ges ösningen ti modeeempet av där b n = 1 π u(,t = Z π π n=1 b n sin(nep ( n 2 kt, f u (sinnd = 2 π Z π f (sinnd. Här är f u ( en utökning av f ( ti en udda funktion i intervaet π < < π, dvs f u ( = f ( om > och f u ( = f ( om (se Fig. 4.8.1.

4.9. ÖVNINGSUPPGIFTER 25 FIGUR 4.8.1. Konstruktion av en udda utvidgning y f ( f u ( π π 4.9. Övningsuppgifter 4.1. [S] Avgör om föjande differentiaekvationer är injära/ickeinjära: a u t(,t + 2 u (,t =. 2 u b 2 t + u u = f (,t. c u u u t =. 3 u d 3 t + 2 u 2 t + u t = u. 4.2. * Bestäm de områden där föjande partiea differentiaekvationer är hyperboiska, eiptiska eer paraboiska: a u tt + u + 2u = f (,t, (,t R 2. b y 2 ( u + u yy =, R, y >. 2 ( u 2 c t 2 = u c2 r 2 + 1 u r r d sin ( u tt + 2u t, t >, r >, och c R en konstant. + cosu = tan, t R, π. 4.3. [S] Låt u(,t, t >, > beteckna temperaturen i en oändigt ång stav med värmeedningskonstant k, och viken upphettas genom att öka temperaturen i ändpunkten så att u(,t = t. Använd det faktum att u α (,t = (4πkt 2 1 e ( α2 4kt är en ösning ti u t ku = för varje α R tisammans med superpositionsprincipen för att bestämma u(,t. D.v.s. bestäm en ösning ti u t ku =, >,t >. u(,t = t, t >. 4.4. Avgör om föjande probem är rättstäda eer ej:

26 4. INTRODUKTION TILL PARTIELLA DIFFERENTIALEKVATIONER a u tt = u, u(,t = u(π,t = u(, = u(,π,,t [,π]. b u t ku =, u(,t = u(π,t =, u(, ( = sin, [,π], t >. c u t ku =, u(,t =, u(, = sin, [,π], t >. 2 ( d u t ku =, u(,t = u(π,t =, u(, = sin, [,π], t >. 2 4.5. [S] a Bestäm Fourierserien för den funktion f ( som i intervaet π < < π ges av f ( = 2. b använd a för att visa att π2 12 = ( 1 k k=1 k 2. 4.6. * Bestäm Fourierserien för f (t = sint. 4.7. [S] Betrakta en stav av ängd L = 1 med värmeedningskoefficient k = 1. Från början har staven den konstanta temperaturen 1. Vi kyer sedan hastigt ned stavens ändpunkter ti temperaturen, där vi sedan håer temperaturen konstant under eperimentets gång. a Formuera detta probem matematiskt. b Hitta ett uttryck för stavens temperatur i punkten och tiden t. (Ledtråd: för Fourierserieutveckingen av den konstanta funktionen 1 gör en udda periodisk utvidgning i intervaet. 4.8. * Lös föjande probem med hjäp av variabeseparation: u t = u, < < 3, t >, ( 4π u(, = sin(π 2sin 3, < < 3, u(,t = u(3,t =, t >. 4.9. [S] Lös föjande probem: u t = u, < < π, t >, u(, = sin 2, < < π, u (,t = u (π,t =, t >. 4.1. Lös föjande probem u tt = u, < < π, t >, u(, = sin, < < π, u t(, = 1, < < π, u(,t = u(π,t =, t >.