Equação de Calor, Laplace e Ondas
Para se deduzir várias das expressões nesta página, é necessário perceber o método de soluções separáveis .
Equação do Calor
Já tínhamos visto a Equação do Calor anteriormente .
Nesta página apenas vão estar as expressões mais comuns para a equação do calor, que quando memorizadas permitem simplificar os cálculos.
A Equação do Calor tem a seguinte expressão:
∂ u ∂ t = k ∂ 2 u ∂ x 2 \frac{\partial u}{\partial t} = k \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} ∂ t ∂ u = k ∂ x 2 ∂ 2 u
A resolução desta equação vai depender das condições fronteira utilizadas.
Abaixo temos alguns exemplos de condições fronteira.
Condições Fronteira de Dirichlet (Homogéneo)
Trata-se de um problema muito comum, que é descrito pelo seguinte sistema:
{ ∂ u ∂ t = k ∂ 2 u ∂ x 2 t > 0 , x ∈ ] 0 , L [ u ( t , 0 ) = u ( t , L ) = 0 t > 0 u ( 0 , x ) = f ( x ) x ∈ ] 0 , L [ \begin{cases}
\dfrac{\partial u}{\partial t} = k \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} & t > 0, x \in \left]0, L \right[\\
u(t,0 ) = u(t,L) = 0 & t>0\\
u(0,x) = f(x) & x \in \left]0, L\right[
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ∂ t ∂ u = k ∂ x 2 ∂ 2 u u ( t , 0 ) = u ( t , L ) = 0 u ( 0 , x ) = f ( x ) t > 0 , x ∈ ] 0 , L [ t > 0 x ∈ ] 0 , L [
Após aplicar o método de separação de variáveis ,
obtemos a seguinte solução para este problema:
u ( t , x ) = ∑ n = 1 ∞ c n e − n 2 π 2 k t L 2 sin ( n π x L ) , c n ∈ R u(t,x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n e^{-\dfrac{n^2 \pi^2 k t}{L^2}} \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \quad, \quad c_n \in \R u ( t , x ) = n = 1 ∑ ∞ c n e − L 2 n 2 π 2 k t sin ( L nπ x ) , c n ∈ R
Para determinar sucessão c n c_n c n , usamos a condição inicial, pelo que
u ( 0 , x ) = ∑ n = 1 + ∞ c n sin ( n π x L ) = f ( x ) u(0,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} c_n \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) = f(x) u ( 0 , x ) = n = 1 ∑ + ∞ c n sin ( L nπ x ) = f ( x )
Como podemos ver, a expressão é semelhante à da série de senos .
Se f ( x ) f(x) f ( x ) já estiver em forma de série de senos, é trivial descobrir os valores de c n c_n c n .
Caso contrário, é necessário determinar a sua série de senos, cuja sucessão b n b_n b n é dada por
c n = b n = 2 L ∫ 0 L f ( x ) sin ( n π x L ) d x c_n = b_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} f(x) \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \d x c n = b n = L 2 ∫ 0 L f ( x ) sin ( L nπ x ) d x
Exemplo
Assumindo L = π L = \pi L = π e as condições fronteira de Dirichlet Homogéneas, em que
f ( x ) = sin ( 2 x ) − 3 sin ( 5 x ) f(x) = \sin(2x) - 3\sin(5x) f ( x ) = sin ( 2 x ) − 3 sin ( 5 x ) resolva a equação de calor com condições fronteiras de Dirichlet homogéneas.
Então,
u ( 0 , x ) = ∑ n = 1 + ∞ c n sin ( n x ) = sin ( 2 x ) − 3 sin ( 5 x ) u(0,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} c_n \sin (nx) = \sin(2x) - 3\sin(5x) u ( 0 , x ) = n = 1 ∑ + ∞ c n sin ( n x ) = sin ( 2 x ) − 3 sin ( 5 x ) Como f ( x ) f(x) f ( x ) já se encontra na forma de série de senos, a descoberta de c n c_n c n é trivial:
c 2 = 1 c 5 = − 3 c n = 0 , ∀ n ∈ N \ { 2 , 5 } \begin{darray}{l}
c_2 = 1\\
c_5 = -3\\
c_n = 0 &, \forall n \in \N \backslash \{2,5\}
\end{darray} c 2 = 1 c 5 = − 3 c n = 0 , ∀ n ∈ N \ { 2 , 5 } Então, a solução final da equação do calor é:
u ( t , x ) = e − 4 k t sin ( 2 x ) − 3 e − 25 k t sin ( 5 x ) u(t,x) = e^{-4kt} \sin(2x) - 3 e^{-25 kt} \sin(5x) u ( t , x ) = e − 4 k t sin ( 2 x ) − 3 e − 25 k t sin ( 5 x )
Exemplo (f ( x ) f(x) f ( x ) não está na forma de Série de Senos) Considerando L = π L=\pi L = π e a condição inicial
f ( x ) = π 2 − ∣ x − π 2 ∣ = { x se 0 ≤ x ≤ π 2 π − x se π 2 < x ≤ π f(x) = \frac{\pi}{2} - \left|x - \frac{\pi}{2}\right| = \begin{cases}
x & \text{se } 0 \leq x \leq \frac{\pi}{2} \\
\pi - x & \text{se } \frac{\pi}{2} < x \leq \pi
\end{cases} f ( x ) = 2 π − x − 2 π = { x π − x se 0 ≤ x ≤ 2 π se 2 π < x ≤ π resolva a equação de calor com condições fronteiras de Dirichlet homogéneas.
Então,
u ( 0 , x ) = ∑ n = 1 ∞ c n sin ( n x ) = π 2 − ∣ π 2 − x ∣ u(0,x) = \sum_{n=1}^{\infty}c_n\sin(nx) = \frac{\pi}{2} - \left|\frac{\pi}{2} - x\right| u ( 0 , x ) = n = 1 ∑ ∞ c n sin ( n x ) = 2 π − 2 π − x Como f ( x ) f(x) f ( x ) não se encontra na forma de série de senos, temos de a determinar.
S sin f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ b n sin ( n x ) S_{\sin}f(x) = \sum_{n=1}^{\infty}b_n\sin(nx) S s i n f ( x ) = n = 1 ∑ ∞ b n sin ( n x ) tal que
b n = 2 π ∫ 0 π f ( x ) sin ( n x ) d x = 2 π [ ∫ 0 π 2 x sin ( n x ) d x + ∫ π 2 π ( π − x ) sin ( n x ) d x ] = 4 π n 2 sin n π 2 \begin{aligned}
b_n &= \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}f(x)\sin(nx)\d x\\
&= \frac{2}{\pi}\left[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}x\sin(nx)\d x + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}(\pi - x)\sin(nx)\d x\right]\\
&= \frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}
\end{aligned} b n = π 2 ∫ 0 π f ( x ) sin ( n x ) d x = π 2 [ ∫ 0 2 π x sin ( n x ) d x + ∫ 2 π π ( π − x ) sin ( n x ) d x ] = π n 2 4 sin 2 nπ Determinamos assim a série de senos de f ( x ) f(x) f ( x ) :
f ( x ) = π 2 − ∣ x − π 2 ∣ = ∑ n = 1 ∞ 4 π n 2 sin n π 2 sin ( n x ) f(x) = \frac{\pi}{2} - \left|x - \frac{\pi}{2}\right| = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}\sin(nx) f ( x ) = 2 π − x − 2 π = n = 1 ∑ ∞ π n 2 4 sin 2 nπ sin ( n x ) Então, como podemos observar que c n = b n c_n = b_n c n = b n , temos que
c n = 4 π n 2 sin n π 2 c_n = \frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2} c n = π n 2 4 sin 2 nπ Assim, a solução da equação de calor é
u ( t , x ) = ∑ n = 1 ∞ 4 π n 2 sin n π 2 e − n 2 K t sin ( n x ) u(t, x) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}e^{-n^2Kt}\sin(nx) u ( t , x ) = n = 1 ∑ ∞ π n 2 4 sin 2 nπ e − n 2 K t sin ( n x )
Condições Fronteira de Neumann
Consideremos o seguinte problema:
{ ∂ u ∂ t = k ∂ 2 u ∂ x 2 t > 0 , x ∈ ] 0 , π [ ∂ u ∂ x ( t , 0 ) = ∂ u ∂ x ( t , L ) = 0 t > 0 u ( 0 , x ) = f ( x ) x ∈ ] 0 , π [ \begin{cases}
\dfrac{\partial u}{\partial t} = k \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} & t > 0, x \in \left]0, \pi \right[\\
\frac{\partial u}{\partial x}(t,0 ) = \frac{\partial u}{\partial x}(t,L) = 0 & t>0\\
u(0,x) = f(x) & x \in \left]0, \pi\right[
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ∂ t ∂ u = k ∂ x 2 ∂ 2 u ∂ x ∂ u ( t , 0 ) = ∂ x ∂ u ( t , L ) = 0 u ( 0 , x ) = f ( x ) t > 0 , x ∈ ] 0 , π [ t > 0 x ∈ ] 0 , π [
Fisicamente, este problema representa a propagação de calor numa barra de comprimento L L L em que não há
troca de calor com o exterior pelas suas extremidades (daí as derivadas serem nulas).
Também pelo método de separação de variáveis
é possível chegar a uma solução, apresentada abaixo:
u ( t , x ) = c 0 + ∑ n = 1 ∞ c n e − n 2 π 2 k t L 2 cos ( n π x L ) , c n ∈ R u(t,x) = c_0 + \sum_{n=1}^{\infty} c_n e^{- \dfrac{n^2 \pi^2 kt}{L^2}} \cos \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \quad, \quad c_n \in \R u ( t , x ) = c 0 + n = 1 ∑ ∞ c n e − L 2 n 2 π 2 k t cos ( L nπ x ) , c n ∈ R
Semelhantemente às as condições de Dirichlet, podemos determinar a sucessão c n c_n c n através da expressão
u ( 0 , x ) = c 0 + ∑ n = 1 ∞ c n cos ( n π x L ) = f ( x ) u(0,x) = c_0 + \sum_{n=1}^{\infty} c_n \cos \left(\frac{n\pi x}{L}\right) = f(x) u ( 0 , x ) = c 0 + n = 1 ∑ ∞ c n cos ( L nπ x ) = f ( x )
que é semelhante a uma série de cossenos .
Novamente, se f ( x ) f(x) f ( x ) já estiver na forma de série de cossenos, é trivial descobrir os valores de c n c_n c n .
Caso contrário, é necessário determinar a série de cossenos da função, que é dada por:
c 0 = a 0 2 = 1 L ∫ 0 L f ( x ) d x c n = a n = 2 L ∫ 0 L f ( x ) cos ( n π x L ) d x \begin{aligned}
c_0 &= \frac{a_0}{2} = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} f(x) \d x\\
c_n &= a_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} f(x) \cos \left(\frac{n\pi x}{L} \right) \d x
\end{aligned} c 0 c n = 2 a 0 = L 1 ∫ 0 L f ( x ) d x = a n = L 2 ∫ 0 L f ( x ) cos ( L nπ x ) d x
Equação de Laplace
A Equação de Laplace homogénea tem a seguinte forma:
∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = 0 ∂ x 2 ∂ 2 u + ∂ y 2 ∂ 2 u = 0
Tal como fizemos para as Equações do Calor, podemos determinar uma solução através do método de soluções separáveis .
Pegando num problema mais completo (que provavelmente não é relevante decorar),
{ ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 = 0 u ( x , 0 ) = f 1 ( x ) ( 1 ) u ( 0 , y ) = f 2 ( y ) ( 2 ) u ( x , b ) = f 3 ( x ) ( 3 ) u ( a , y ) = f 4 ( y ) ( 4 ) \begin{cases}
\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = 0\\
u(x,0) = f_1(x)& (1)\\
u(0,y) = f_2(y)& (2)\\
u(x,b) = f_3(x)& (3)\\
u(a,y) = f_4(y)& (4)
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ∂ x 2 ∂ 2 u + ∂ y 2 ∂ 2 u = 0 u ( x , 0 ) = f 1 ( x ) u ( 0 , y ) = f 2 ( y ) u ( x , b ) = f 3 ( x ) u ( a , y ) = f 4 ( y ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 )
Vamos dividir isto em 4 problemas:
Problema 1:
∂ 2 u 1 ∂ x 2 + ∂ 2 u 1 ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^2 u_1}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_1}{\partial y^2} = 0 ∂ x 2 ∂ 2 u 1 + ∂ y 2 ∂ 2 u 1 = 0
u 1 ( x , 0 ) = f 1 ( x ) u 1 ( 0 , y ) = 0 u 1 ( x , b ) = 0 u 1 ( a , y ) = 0 \begin{darray}{l}
u_1(x,0) = f_1(x)\\ % I
u_1(0,y) = 0\\ % II
u_1(x,b) = 0\\ % III
u_1(a,y) = 0 % IV
\end{darray} u 1 ( x , 0 ) = f 1 ( x ) u 1 ( 0 , y ) = 0 u 1 ( x , b ) = 0 u 1 ( a , y ) = 0
Problema 2:
∂ 2 u 2 ∂ x 2 + ∂ 2 u 2 ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^2 u_2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_2}{\partial y^2} = 0 ∂ x 2 ∂ 2 u 2 + ∂ y 2 ∂ 2 u 2 = 0
u 2 ( x , 0 ) = 0 u 2 ( 0 , y ) = f 2 ( x ) u 2 ( x , b ) = 0 u 2 ( a , y ) = 0 \begin{darray}{l}
u_2(x,0) = 0\\ % I
u_2(0,y) = f_2(x)\\ % II
u_2(x,b) = 0\\ % III
u_2(a,y) = 0 % IV
\end{darray} u 2 ( x , 0 ) = 0 u 2 ( 0 , y ) = f 2 ( x ) u 2 ( x , b ) = 0 u 2 ( a , y ) = 0
Problema 3:
∂ 2 u 3 ∂ x 2 + ∂ 2 u 3 ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^2 u_3}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_3}{\partial y^2} = 0 ∂ x 2 ∂ 2 u 3 + ∂ y 2 ∂ 2 u 3 = 0
u 3 ( x , 0 ) = 0 u 3 ( 0 , y ) = 0 u 3 ( x , b ) = f 3 ( x ) u 3 ( a , y ) = 0 \begin{darray}{l}
u_3(x,0) = 0\\ % I
u_3(0,y) = 0\\ % II
u_3(x,b) = f_3(x)\\ % III
u_3(a,y) = 0 % IV
\end{darray} u 3 ( x , 0 ) = 0 u 3 ( 0 , y ) = 0 u 3 ( x , b ) = f 3 ( x ) u 3 ( a , y ) = 0
Problema 4:
∂ 2 u 4 ∂ x 2 + ∂ 2 u 4 ∂ y 2 = 0 \frac{\partial^2 u_4}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_4}{\partial y^2} = 0 ∂ x 2 ∂ 2 u 4 + ∂ y 2 ∂ 2 u 4 = 0
u 4 ( x , 0 ) = 0 u 4 ( 0 , y ) = 0 u 4 ( x , b ) = 0 u 4 ( a , y ) = f 4 ( x ) \begin{darray}{l}
u_4(x,0) = 0\\ % I
u_4(0,y) = 0\\ % II
u_4(x,b) = 0\\ % III
u_4(a,y) = f_4(x) % IV
\end{darray} u 4 ( x , 0 ) = 0 u 4 ( 0 , y ) = 0 u 4 ( x , b ) = 0 u 4 ( a , y ) = f 4 ( x )
Nota do Autor
Abaixo mostram-se imediatamente as soluções dos problemas.
Não é necessário decorar estas soluções, visto que conseguem facilmente ser obtidas através do método de separação de variáveis,
como ilustrado no exemplo abaixo.
Estas soluções apenas se encontram aqui para referência.
Resolvendo agora cada um dos problemas, omitindo os cálculos (mais abaixo irá estar um exemplo passo a passo):
u 1 = ∑ n = 1 + ∞ c 1 , n sin ( n π a x ) sh ( n π a ( b − y ) ) u_1 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{1,n} \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \sh \left(\frac{n\pi}{a}(b-y)\right) u 1 = n = 1 ∑ + ∞ c 1 , n sin ( a nπ x ) sh ( a nπ ( b − y ) )
u 2 = ∑ n = 1 + ∞ c 2 , n sh ( n π b ( a − x ) ) sin ( n π b y ) u_2 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{2,n} \sh \left(\frac{n\pi}{b}(a-x)\right) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) u 2 = n = 1 ∑ + ∞ c 2 , n sh ( b nπ ( a − x ) ) sin ( b nπ y )
u 3 = ∑ n = 1 + ∞ c 3 , n sin ( n π a x ) sh ( n π a y ) u_3 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{3,n} \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \sh \left(\frac{n\pi}{a}y\right) u 3 = n = 1 ∑ + ∞ c 3 , n sin ( a nπ x ) sh ( a nπ y )
u 4 = ∑ n = 1 + ∞ c 4 , n sh ( n π b x ) sin ( n π b y ) u_4 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{4,n} \sh \left(\frac{n\pi}{b}x\right) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) u 4 = n = 1 ∑ + ∞ c 4 , n sh ( b nπ x ) sin ( b nπ y )
E cada uma das sucessões:
c 1 , n = 2 a sh ( n π a b ) ∫ 0 a f 1 ( x ) sin ( n π a x ) d x c_{1,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{a}b\right)} \int_{0}^{a} f_1(x) \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \d x c 1 , n = a sh ( a nπ b ) 2 ∫ 0 a f 1 ( x ) sin ( a nπ x ) d x
c 2 , n = 2 a sh ( n π b a ) ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( n π b y ) d x c_{2,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{b}a\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) \d x c 2 , n = a sh ( b nπ a ) 2 ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( b nπ y ) d x
c 3 , n = 2 a sh ( n π a b ) ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( n π a x ) d x c_{3,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{a}b\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \d x c 3 , n = a sh ( a nπ b ) 2 ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( a nπ x ) d x
c 4 , n = 2 a sh ( n π b a ) ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( n π b y ) d x c_{4,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{b}a\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) \d x c 4 , n = a sh ( b nπ a ) 2 ∫ 0 a f 2 ( x ) sin ( b nπ y ) d x
Finalmente,
u = u 1 + u 2 + u 3 + u 4 u = u_1 + u_2 + u_3 + u_4 u = u 1 + u 2 + u 3 + u 4
Exemplo
Recorrendo ao método de separação de variáveis determine uma solução para o seguinte problema de valor na fronteira:
{ ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 = u u ( x , 0 ) = u ( x , 1 ) = u ( 0 , y ) = 0 u ( 1 , y ) = y \begin{cases}
\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = u\\
u(x,0) = u(x,1) = u(0,y) = 0\\
u(1,y) = y
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ ∂ x 2 ∂ 2 u + ∂ y 2 ∂ 2 u = u u ( x , 0 ) = u ( x , 1 ) = u ( 0 , y ) = 0 u ( 1 , y ) = y para 0 ≤ x ≤ 1 0 \leq x \leq 1 0 ≤ x ≤ 1 e 0 ≤ y ≤ 1 0 \leq y \leq 1 0 ≤ y ≤ 1 .
Como sempre, começamos por aplicar o método de soluções separáveis :
u ( x , y ) = X ( x ) Y ( y ) u(x,y) = X(x)Y(y) u ( x , y ) = X ( x ) Y ( y ) Já vimos anteriormente na equação de calor que é possível trabalharmos as condições fronteira para obter:
u ( x , 0 ) = 0 ⟹ X ( x ) Y ( 0 ) = 0 ⟹ X ( x ) = 0 ∨ Y ( 0 ) = 0 ⟹ Y ( 0 ) = 0 u ( x , 1 ) = 0 ⟹ X ( x ) Y ( 1 ) = 0 ⟹ X ( x ) = 0 ∨ Y ( 1 ) = 0 ⟹ Y ( 1 ) = 0 u ( 0 , y ) = 0 ⟹ X ( 0 ) Y ( y ) = 0 ⟹ X ( 0 ) = 0 ∨ Y ( y ) = 0 ⟹ X ( 0 ) = 0 \begin{aligned}
u(x,0) = 0 & \implies X(x)Y(0) = 0 \implies X(x) = 0 \lor Y(0) = 0 \implies Y(0) = 0\\
u(x,1) = 0 & \implies X(x)Y(1) = 0 \implies X(x) = 0 \lor Y(1) = 0 \implies Y(1) = 0\\
u(0,y) = 0 & \implies X(0)Y(y) = 0 \implies X(0) = 0 \lor Y(y) = 0 \implies X(0) = 0
\end{aligned} u ( x , 0 ) = 0 u ( x , 1 ) = 0 u ( 0 , y ) = 0 ⟹ X ( x ) Y ( 0 ) = 0 ⟹ X ( x ) = 0 ∨ Y ( 0 ) = 0 ⟹ Y ( 0 ) = 0 ⟹ X ( x ) Y ( 1 ) = 0 ⟹ X ( x ) = 0 ∨ Y ( 1 ) = 0 ⟹ Y ( 1 ) = 0 ⟹ X ( 0 ) Y ( y ) = 0 ⟹ X ( 0 ) = 0 ∨ Y ( y ) = 0 ⟹ X ( 0 ) = 0 Substituindo na expressão inicial e efetuando os cálculos segundo o método,
X ′ ′ ( x ) Y ( y ) + X ( x ) Y ′ ′ ( y ) = X ( x ) Y ( y ) ⇔ X ′ ′ ( x ) Y ( y ) = X ( x ) Y ( y ) − X ( x ) Y ′ ′ ( y ) ⇔ X ′ ′ ( x ) Y ( y ) X ( x ) = Y ( y ) − Y ′ ′ ( y ) ⇔ X ′ ′ ( x ) X ( x ) = 1 − Y ′ ′ ( y ) Y ( y ) ⇔ Y ′ ′ ( y ) Y ( y ) = 1 − X ′ ′ ( x ) X ( x ) = λ \begin{darray}{rl}
&X''(x) Y(y) + X(x) Y''(y) = X(x) Y(y)\\\\
\Leftrightarrow & X''(x) Y(y) = X(x) Y(y) - X(x) Y''(y)\\\\
\Leftrightarrow & \frac{X''(x) Y(y)}{X(x)} = Y(y) - Y''(y)\\\\
\Leftrightarrow & \frac{X''(x)}{X(x)} = 1 - \frac{Y''(y)}{Y(y)}\\\\
\Leftrightarrow & \frac{Y''(y)}{Y(y)} = 1 - \frac{X''(x)}{X(x)} = \lambda
\end{darray} ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ X ′′ ( x ) Y ( y ) + X ( x ) Y ′′ ( y ) = X ( x ) Y ( y ) X ′′ ( x ) Y ( y ) = X ( x ) Y ( y ) − X ( x ) Y ′′ ( y ) X ( x ) X ′′ ( x ) Y ( y ) = Y ( y ) − Y ′′ ( y ) X ( x ) X ′′ ( x ) = 1 − Y ( y ) Y ′′ ( y ) Y ( y ) Y ′′ ( y ) = 1 − X ( x ) X ′′ ( x ) = λ Pegando em Y ( y ) Y(y) Y ( y ) , já conhecemos esta equação, com condições fronteira de Dirichlet, pelo que podemos evitar certos cálculos.
Y ′ ′ ( y ) − λ Y ( y ) = 0 Y''(y) - \lambda Y(y) = 0 Y ′′ ( y ) − λY ( y ) = 0 Como vimos na Equação do Calor, a única solução não nula ocorre quando λ < 0 \lambda < 0 λ < 0 , em que
Y ( y ) = c 1 sin ( n π y ) λ = − n 2 π 2 \begin{darray}{cc}
Y(y) = c_1 \sin(n \pi y) & \lambda = - n^2 \pi^2
\end{darray} Y ( y ) = c 1 sin ( nπ y ) λ = − n 2 π 2 De seguida, pegamos em X ( x ) X(x) X ( x ) , que já temos de efetuar alguns cálculos:
− X ′ ′ ( x ) X ( x ) = λ − 1 ⟹ X ′ ′ ( x ) + ( λ − 1 ) X ( x ) = 0 ⟹ X ′ ′ ( x ) + ( − n 2 π 2 − 1 ) X ( x ) = 0 ⟹ X ′ ′ ( x ) − ( n 2 π 2 + 1 ) X ( x ) = 0 \begin{aligned}
- \frac{X''(x)}{X(x)} = \lambda - 1 &\implies X''(x) + (\lambda - 1) X(x) = 0\\
&\implies X''(x) + (- n^2 \pi^2 - 1) X(x) = 0\\
&\implies X''(x) - (n^2 \pi^2 + 1) X(x) = 0
\end{aligned} − X ( x ) X ′′ ( x ) = λ − 1 ⟹ X ′′ ( x ) + ( λ − 1 ) X ( x ) = 0 ⟹ X ′′ ( x ) + ( − n 2 π 2 − 1 ) X ( x ) = 0 ⟹ X ′′ ( x ) − ( n 2 π 2 + 1 ) X ( x ) = 0 Logo, resolvendo a equação de ordem superior ,
X ( x ) = c 2 e 1 + n 2 π 2 x + c 3 e − 1 + n 2 π 2 x X(x) = c_2 e^{\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} + c_3 e^{-\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} X ( x ) = c 2 e 1 + n 2 π 2 x + c 3 e − 1 + n 2 π 2 x Pela condição fronteira u ( 0 , y ) = 0 u(0,y) = 0 u ( 0 , y ) = 0 , obtemos o seguinte: X ( 0 ) = 0 X(0) = 0 X ( 0 ) = 0 , pelo que
X ( 0 ) = 0 ⟹ c 2 e 0 + c 3 e 0 = 0 ⟹ c 2 + c 3 = 0 ⟹ c 3 = − c 2 \begin{aligned}
X(0) = 0 &\implies c_2 e^{0} + c_3 e^{0} = 0\\
&\implies c_2 + c_3 = 0\\
&\implies c_3 = - c_2
\end{aligned} X ( 0 ) = 0 ⟹ c 2 e 0 + c 3 e 0 = 0 ⟹ c 2 + c 3 = 0 ⟹ c 3 = − c 2 Substituindo em X ( x ) X(x) X ( x ) , obtemos
X ( x ) = c 2 ( e 1 + n 2 π 2 x − e − 1 + n 2 π 2 x ) X(x) = c_2 \left(e^{\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} - e^{-\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} \right) X ( x ) = c 2 ( e 1 + n 2 π 2 x − e − 1 + n 2 π 2 x ) Relembrando que sinh ( a x ) = e a x − e − a x 2 \sinh(ax) = \frac{e^{ax} - e^{-ax}}{2} sinh ( a x ) = 2 e a x − e − a x , obtemos que
X ( x ) = c 3 sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) X(x) = c_3 \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x) X ( x ) = c 3 sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) Assim, finalmente, obtemos a expressão geral para a função u ( x , y ) u(x,y) u ( x , y ) .
u ( x , y ) = X ( x ) Y ( y ) = c 4 sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( n π y ) u(x,y)=X(x)Y(y) = c_4 \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y) u ( x , y ) = X ( x ) Y ( y ) = c 4 sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( nπ y ) E, como existem infinitas soluções,
u ( x , y ) = ∑ n = 1 + ∞ d n sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( n π y ) u(x,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y) u ( x , y ) = n = 1 ∑ + ∞ d n sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( nπ y ) Finalmente, vamos determinar d n d_n d n , de acordo com a condição inicial u ( 1 , y ) u(1,y) u ( 1 , y ) :
u ( 1 , y ) = ∑ n = 1 + ∞ d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) sin ( n π y ) = y u(1,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})\sin(n \pi y) = y u ( 1 , y ) = n = 1 ∑ + ∞ d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) sin ( nπ y ) = y Novamente, isto relembra-nos uma série de senos , mas com uma pequena diferença:
d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) = b n = 2 1 ∫ 0 1 y sin ( n π y ) d y = 2 ( − 1 ) n + 1 n π d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}) = b_n = \frac{2}{1} \int_{0}^{1} y \sin(n\pi y) \d y = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi} d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) = b n = 1 2 ∫ 0 1 y sin ( nπ y ) d y = nπ 2 ( − 1 ) n + 1 d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) = 2 ( − 1 ) n + 1 n π ⟹ d n = 2 ( − 1 ) n + 1 n π sinh ( 1 + n 2 π 2 ) d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}) = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi} \implies d_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})} d n sinh ( 1 + n 2 π 2 ) = nπ 2 ( − 1 ) n + 1 ⟹ d n = nπ sinh ( 1 + n 2 π 2 ) 2 ( − 1 ) n + 1 Assim, a solução do problema é:
u ( x , y ) = ∑ n = 1 + ∞ 2 ( − 1 ) n + 1 n π sinh ( 1 + n 2 π 2 ) sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( n π y ) u(x,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})} \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y) u ( x , y ) = n = 1 ∑ + ∞ nπ sinh ( 1 + n 2 π 2 ) 2 ( − 1 ) n + 1 sinh ( 1 + n 2 π 2 x ) sin ( nπ y )
Equação das Ondas
A equação das ondas tem a forma de
∂ 2 u ∂ t 2 = c 2 ∂ 2 u ∂ x 2 \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} ∂ t 2 ∂ 2 u = c 2 ∂ x 2 ∂ 2 u
Outra notação possível para este problema (e para outros vistos anteriormente) é a seguinte:
u t t = c 2 u x x u_{tt} = c^2 u_{xx} u tt = c 2 u xx
Mais genericamente, o problema pode ser definido por
{ u x x = c 2 u t t u ( t , 0 ) = 0 u ( t , L ) = 0 u ( 0 , x ) = u 0 ( x ) ∂ u ∂ t ( 0 , x ) = v 0 ( x ) \begin{cases}
u_{xx} = c^2 u_{tt}\\
u(t,0) = 0\\
u(t,L) = 0\\
u(0,x) = u_0 (x)\\
\frac{\partial u}{\partial t} (0, x) = v_0(x)
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ u xx = c 2 u tt u ( t , 0 ) = 0 u ( t , L ) = 0 u ( 0 , x ) = u 0 ( x ) ∂ t ∂ u ( 0 , x ) = v 0 ( x )
Pelo método de separação de variáveis conseguimos chegar à seguinte solução geral:
u ( t , x ) = ∑ n = 1 + ∞ ( A n cos ( c π n L t ) + B n sin ( c π n L t ) ) sin ( π n L x ) u(t,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left(A_n \cos\left(\frac{c\pi n}{L}t\right) + B_n \sin\left(\frac{c\pi n}{L}t\right)\right) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) u ( t , x ) = n = 1 ∑ + ∞ ( A n cos ( L c πn t ) + B n sin ( L c πn t ) ) sin ( L πn x )
A n = 2 L ∫ 0 L u 0 ( x ) sin ( π n L x ) d x A_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} u_0(x) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) \d x A n = L 2 ∫ 0 L u 0 ( x ) sin ( L πn x ) d x
B n = 2 c π n ∫ 0 L v 0 ( x ) sin ( π n L x ) d x B_n = \frac{2}{c\pi n} \int_{0}^{L} v_0(x) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) \d x B n = c πn 2 ∫ 0 L v 0 ( x ) sin ( L πn x ) d x
Obviamente, se B n = 0 B_n = 0 B n = 0
u ( t , x ) = ∑ n = 1 + ∞ A n cos ( c π n L t ) sin ( π n L x ) u(t,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} A_n \cos\left(\frac{c\pi n}{L}t\right) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) u ( t , x ) = n = 1 ∑ + ∞ A n cos ( L c πn t ) sin ( L πn x )
No entanto, como podemos reparar, esta expressão é muito confusa e complicada.
Por esta razão, existe outra fórmula, que nos permite expressar a equação das ondas de uma forma mais simples.
Fórmula de D'Alembert
Esta forma vem-nos simplificar a equação das ondas. Novamente, tendo o problema
{ u x x = c 2 u t t u ( 0 , x ) = f ( x ) ∂ u ∂ t ( 0 , x ) = g ( x ) \begin{cases}
u_{xx} = c^2 u_{tt}\\
u(0,x) = f(x)\\
\frac{\partial u}{\partial t} (0, x) = g(x)
\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ u xx = c 2 u tt u ( 0 , x ) = f ( x ) ∂ t ∂ u ( 0 , x ) = g ( x )
é possível descrever a sua solução segundo duas funções p p p e q q q :
u ( x , t ) = p ( x + c t ) + q ( x − c t ) u(x,t) = p(x+ct) + q(x-ct) u ( x , t ) = p ( x + c t ) + q ( x − c t )
A Fórmula de D'Alembert diz-nos que a solução da equação será
u ( x , t ) = f ( x − c t ) + f ( x + c t ) 2 + 1 2 c ∫ x − c t x + c t g ( s ) d s u(x,t) = \frac{f(x-ct) + f(x+ct)}{2} + \frac{1}{2c} \int_{x-ct}^{x+ct} g(s) \d s u ( x , t ) = 2 f ( x − c t ) + f ( x + c t ) + 2 c 1 ∫ x − c t x + c t g ( s ) d s
Demonstração da Fórmula de D'Alembert VIDEO
Exemplo
Resolva o seguinte problema
∂ 2 u ∂ t 2 = c 2 ∂ 2 u ∂ x 2 u ( x , 0 ) = cos ( x ) − 1 ∂ u ∂ t ( x , 0 ) = 0 , 0 ≤ x ≤ 2 π u ( 0 , t ) = 0 u ( 2 π , t ) = 0 \begin{darray}{ll}
\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}\\
u(x,0) = \cos(x) - 1 & \frac{\partial u}{\partial t} (x,0) = 0, 0 \leq x \leq 2\pi\\
u(0,t) = 0 & u(2\pi,t) = 0
\end{darray} ∂ t 2 ∂ 2 u = c 2 ∂ x 2 ∂ 2 u u ( x , 0 ) = cos ( x ) − 1 u ( 0 , t ) = 0 ∂ t ∂ u ( x , 0 ) = 0 , 0 ≤ x ≤ 2 π u ( 2 π , t ) = 0 Vamos aplicar a Fórmula de D'Alembert para resolver este problema:
f ( x ) = cos ( x ) − 1 g ( x ) = 0 \begin{darray}{cc}
f(x) = \cos(x) - 1 & g(x) = 0
\end{darray} f ( x ) = cos ( x ) − 1 g ( x ) = 0 Pelo que
u ( x , t ) = cos ( x + c t ) − 1 + cos ( x − c t ) − 1 2 = cos ( x + c t ) + cos ( x − c t ) − 2 2 \begin{aligned}
u(x,t) &= \frac{\cos(x+ct) - 1 + \cos(x-ct) - 1}{2}\\
&= \frac{\cos(x+ct) + \cos(x-ct) - 2}{2}
\end{aligned} u ( x , t ) = 2 cos ( x + c t ) − 1 + cos ( x − c t ) − 1 = 2 cos ( x + c t ) + cos ( x − c t ) − 2 Aplicando agora a condição fronteira,
u ( 0 , t ) = 0 ⇔ cos ( c t ) + cos ( c t ) − 2 2 = 0 ⇔ cos ( c t ) + cos ( c t ) = 2 ⇔ 2 cos ( c t ) = 2 ⇔ cos ( c t ) = 1 ⇔ c t = 2 π n n ∈ Z \begin{aligned}
u(0,t) = 0 & \Leftrightarrow \frac{\cos(ct) + \cos(ct) - 2}{2} = 0\\
& \Leftrightarrow \cos(ct) + \cos(ct) = 2\\
& \Leftrightarrow 2 \cos(ct) = 2\\
& \Leftrightarrow \cos(ct) = 1\\
& \Leftrightarrow ct = 2\pi n & n \in \Z
\end{aligned} u ( 0 , t ) = 0 ⇔ 2 cos ( c t ) + cos ( c t ) − 2 = 0 ⇔ cos ( c t ) + cos ( c t ) = 2 ⇔ 2 cos ( c t ) = 2 ⇔ cos ( c t ) = 1 ⇔ c t = 2 πn n ∈ Z Substituindo na solução obtida, ficamos com
u ( x , t ) = cos ( x + c t ) + cos ( x − c t ) − 2 2 = cos ( x + 2 π n ) + cos ( x − 2 π n ) − 2 2 = cos ( x ) + cos ( x ) − 2 2 = 2 cos ( x ) − 2 2 = cos ( x ) − 1 \begin{aligned}
u(x,t) &= \frac{\cos(x+ct) + \cos(x-ct) - 2}{2}\\
&= \frac{\cos(x+2 \pi n) + \cos(x-2 \pi n) - 2}{2}\\
&= \frac{\cos(x) + \cos(x) - 2}{2}\\
&= \frac{2\cos(x) - 2}{2}\\
&= \cos(x) - 1
\end{aligned} u ( x , t ) = 2 cos ( x + c t ) + cos ( x − c t ) − 2 = 2 cos ( x + 2 πn ) + cos ( x − 2 πn ) − 2 = 2 cos ( x ) + cos ( x ) − 2 = 2 2 cos ( x ) − 2 = cos ( x ) − 1 A solução do problema é u ( x , t ) = cos ( x ) − 1 u(x,t) = \cos(x) - 1 u ( x , t ) = cos ( x ) − 1