= vakio = λ. V (x) V (0) = V (l) = 0.

Samankaltaiset tiedostot
u(0, t) = 0 kaikille t > 0: lämpötila pidetään vakiona pisteessä x = 0;

u 2 dx, u A f siten, että D(u) = inf D(U). Tarkemmin: Tarkoitus on osoittaa seuraavat minimointitehtävä ja Dirichlet n tehtävä u A f ja

Fourier-menetelmät osittaisdierentiaaliyhtälöissä

7. Laplace-operaattorin ominaisarvoista

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Lukuteorian kertausta ja syvennystä

11. Poissonin yhtälö Perusratkaisu. Laplacen yhtälöön liittyvää epähomogeenista osittaisdifferentiaaliyhtälöä

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

puolitasossa R 2 x e x2 /(4t). 4πt

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Insinöörimatematiikka D

Luento 2. Jaksolliset signaalit

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Mat Matematiikan peruskurssi L4, osa II, todistuksia ym

Mellin-muunnos ja sen sovelluksia

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Mat Matematiikan peruskurssi K2

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

Reuna-arvotehtävien ratkaisumenetelmät

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Harjoitus 1, tehtävä 1

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Kompleksianalyysi, viikko 4

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Kvanttifysiikan perusteet 2017

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Mat Matematiikan peruskurssi L4, osa II

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Jaksollisen signaalin spektri

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

Insinöörimatematiikka D

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

x j x k Tällöin L j (x k ) = 0, kun k j, ja L j (x j ) = 1. Alkuperäiselle interpolaatio-ongelmalle saadaan nyt ratkaisu

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Harjoitus 1. Tehtävä 1. Malliratkaisut. f(t) = e (t α) cos(ω 0 t + β) L[f(t)] = f(t)e st dt = e st t+α cos(ω 0 t + β)dt.

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Lämpöyhtälö ja sen ratkaisut

4.3.7 Epäoleellinen integraali

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Perusidea: Jaetaan väli [a, b] osaväleihin ja muodostetaan osavälejä vastaavat suorakulmiot/palkit, joiden korkeus funktion arvot kyseisellä välillä.

Integrointi ja sovellukset

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Kompleksianalyysi, viikko 6

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Pienimmän neliösumman menetelmä

Matematiikan tukikurssi

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

3.3 Funktion raja-arvo

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

3. Teoriaharjoitukset

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Numeeriset menetelmät

Transkriptio:

6. Aatoyhtäö I 6.1. Ratkaisu Fourier-sarjojen avua. Oetetaan, että värähteevän angan muodon hetkeä t = määrää funktio u ja nopeuden funktio u 1. Otetaan tehtäväksi määrätä seuraavan akuarvo- reuna-arvotehtävän ratkaisu u = ux, t: 6.1 6.2 = 2 u 2 γ2 aueessa Q =,,, 2 u, t = u, t = kaikie t >, ja 6.3 ux, = u x ja x, = u 1x kaikie x,. Muuttujien separoinnia ux, t = V xw t saadaan yhtäö 1 W t γ 2 W t = V x V x = vakio = λ. Reunaehtojen 6.2 nojaa funktioe V saadaan ehdot Paikkariippuvaa yhtäöä V = V =. V x = λv x on noasta eroavia, reunaehdot toteuttavia ratkaisuja vain, jos λ = λ k = k 2 π 2 / 2 ja k Z +. Ratkaisut ovat täöin V x = V k x = sinkπx/. Aikariippuvan yhtäön ratkaisuksi saadaan W k t = α k sin γkπt + β k cos γkπt Yhtäön ja reunaehtojen ineaarisuuden ja homogeenisuuden takia myös jokainen summa ux, t = sin kπx W k t, toteuttaa reunaehdot 6.2 ja ämmönjohtumisyhtäön 6.1, jos sarja suppenee riittävän nopeasti. Akuehtojen 6.3 toteutumiseksi tuisi oa ux, = sin kπx x, = sin kπx W k = W k = β k sin kπx α k γkπ = u x, ja sin kπx = u 1 x. Oetetaan auksi, että u 1 =. Täöin kertoimet α k =. Jatketaan u väie [, ] parittomaksi funktioksi, t.s. asetetaan u x = u x, kun x. Asetetaan funktioiden f ja g sisätuoksi nyt 7 Viimeksi muutettu 4.1.26. f g = fxgx 28

Täöin funktiojoukko {f k k N} ortogonaainen, kun f x = 1, f 2k x = cos kπx, Kertoimie β k saadaan nyt Koska β k = 1 6. AALTOYHTÄLÖ I 29 u x sin kπx voidaan ratkaisu esittää muodossa ux, t = β k sin kπx f 2k 1x = sin kπx, kun k Z +. dx = 2 u x sin kπx sina + b sina b = 2 cos a sin b = 1 2 cos γkπt kπx + γt β k sin sin = 1 2 u x + γt u x γt. kπx γt Tässä funktio u on uonnoista tukita koko reaiakseia määriteyksi, 2-jaksoiseksi funktioksi, koska väiä [, ] on u x = β k sin kπx. Ratkaisussa esiintyvät aikariippuvat funktiot t u k x, t = sin kπx cos γkπt ovat jaksoisia. Funktion t u k x, t jakson pituus on Luku on funktion t u k x, t taajuus ja T = 2π γkπ/ = 2 γk. ν = 1 T = k γ 2 λ = γt = 2 k vastaava aaonpituus. Huomaa, että jokaisen ratkaisun t u k x, t taajuus on perustaajuuden γ 2 monikerta. Funktiot u x + γt ja vastaavasti u x γt esittävät aatoja, jotka etenevät negatiivisen ja vastaavasti positiivisen x-aksein suuntaan nopeudea γ.

6. AALTOYHTÄLÖ I 3 Oetetaan seuraavaksi, että u =, mutta u 1. Kertoimet α k voitaisiin määrätä kuten edeä, mutta edeinen ratkaisu antaa vihiä siitä, että ratkaisu u voisi oa muotoa ux, t = ϕx + γt + ψx γt. Akuehdot ux, = u x =, x, = u 1x, toteutuvat, kun ϕx + ψx =, γϕ x γψ x = u 1 x kaikie x. Ensimmäisen ehdon nojaa on ψx = ϕx ja toisen nojaa 2γϕ x = u 1 x. Siis ϕx = 1 2γ missä C on vakio. Kun asetetaan U 1 x = x x u 1 t dt + C, u 1 t dt, on ux, t = 1 U 2γ 1x + γt U 1 x γt. Yeisessä tianteessa, missä u ja u 1, ratkaisu saadaan näiden kahden erikoistapauksen ratkaisujen summana, ei 6.4 ux, t = 1 2 u x + γt u x γt + 1 2γ U 1x + γt U 1 x γt. Tämä ratkaisun esitystapa tunnetaan d Aembertin kaavana. 6.5 6.2. Muuttujanvaihto. Tarkasteaan aatoyhtäöä 2 = γ2 2 u 2 tasossa R 2. Hepoin tapa ratkaista tämä yhtäö ienee käyttää muuttujanvaihtoa ξ = x + γt, τ = x γt ei x = ξ + τ 2, t = ξ τ 2γ. Kun Uξ, τ = ux, t, on Siis Yhtäö 6.6 U ξ = ξ + ξ = 1 2 + 1 2γ, 2 U τ ξ = 1 2 2 τ + 1 2 τ + 1 2γ = 1 4 2 1 4γ 2 + 1 4γ τ + 1 2γ 1 4γ 2 2 = γ2 2 u 2 2 U τ ξ =. 2 U τ ξ = 2 τ

on heppo ratkaista: Siis U ξ = ϕ ξ, Uξ, τ = 6. AALTOYHTÄLÖ I 31 ϕ ξ dξ + ψτ = ϕξ + ψτ. ux, t = ϕx + γt + ψx γt. Jos annettuna on funktiot u ja u 1 ja ratkaisu on määrättävä siten, että ux, = u x ja x, = u 1x kaikie x R, niin edeä oeen main mukaisesti ratkaisu saadaan kaavasta 6.4. Erityisesti, ratkaisu määräytyy yksikäsitteisesti akuehdoista u ja u 1. Lisäksi, jos u on kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva ja u 1 on jatkuvasti derivoituva, on funktio u kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva ja toteuttaa yhtäön 6.5. Tämän sieämpi ei derivoituvampi ratkaisun ei tarvitse oa. Huomaa ero ämmönjohtumisyhtäöön: ratkaisua ux, t on kaikkien kertaukujen jatkuvat osittaisderivaatat kummankin muuttujan suhteen aueessa t >, vaikka akuehto ei oisi erityisen sieä. Mieenkiintoista on, että vaikka yhtäöt 6.5 ja 6.6 ovat oeeisesti sama yhtäö, ei yhtäön 6.6 ratkaisussa Uξ, τ = ϕξ + ψτ esiintyvistä funktioista ϕ ja ψ tarvitse oettaa muuta kuin, että ϕ on derivoituva; funktiosta ψ ei tarvitse tehdä mitään oetuksia mutta derivoimisjärjestys on tärkeä: ensin ξ:n suhteen. 6.3. Epähomogeeninen yhtäö. Tarkasteaan epähomogeenista aatoyhtäöä = 2 u γ2 + f tasossa 2 R2, 2 ux, = u x ja x, = u 1x kaikie x R, missä f : R 2 R on annettu funktio. Oetetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että u = ja u 1 =. Ratkaisu yeisessä tapauksessa saadaan summana näin öydetystä ratkaisusta ja edeä tarkasteusta homogeenisen yhtäön ratkaisusta. Muuttujanvaihdoa ξ = x + γt, τ = x γt saadaan funktioe Uξ, τ = ux, t 2 U τ ξ = 1 4 1 2 4γ 2. 2 Siis 2 u 2 γ2 = fx, t 2 U 4γ2 = fx, t =: F ξ, τ. 2 τ ξ Funktioe U akuehtoja u = ja u 1 = vastaten on ehdot HT Uξ, ξ =, U ξ, ξ =. τ

Integroidaan yhtäö 6. AALTOYHTÄLÖ I 32 2 U 4γ 2 = F ξ, τ τ ξ puoittain ξ:n suhteen väin [τ, ξ] yi, jooin akuehtojen nojaa saadaan 4γ 2 U ξ, τ = τ ξ τ F s, τ ds. Kun integroidaan tämä yhtäö puoittain τ:n suhteen väin [ξ, τ] yi, saadaan akuehtojen nojaa 4γ 2 Uξ, τ = ξ ξ Tehdään saadussa integraaissa muuttujanvaihto τ τ F s, r ds dr. s = x + γt, r = x γt. Täöin F s, r = fx, t. Sijoitetaan vieä takaisin ξ = x + γt ja τ = x γt. Koska muuttujanvaihdon Jacobin determinantti on 2γ, saadaan piirrä kuva ux, t = Uξ, τ = 1 2γ t x+γt t x γt t fx, t dx dt. Verrataan tuosta homogeeniseen akuarvotehtävään 2 v = 2 v 2 γ2 tasossa R 2, 2 v vx, τ = ja x, τ = fx, τ kaikie x R, Tässä τ on parametri ja v = vx, t, τ akuarvotehtävän ratkaisu. D Aembertin kaavan nojaa tämän ratkaisu on vx, t, τ = 1 2γ x+γt τ x γt τ Epähomogeenisen yhtäön ratkaisue on siis ux, t = t vx, t, τ dτ. Tämä ominaisuus tunnetaan Duhamein periaatteena. fx, τ dx. 6.4. Energiaperiaate. Tarkasteaan aatoyhtäön akuarvo- reuna-arvotehtävää = 2 u 2 γ2 aueessa Q =,,, 2 u, t = u, t = kaikie t >, ja Asetetaan ux, = u x Et = 1 2 ja x, = u 1x 1 γ 2 2 2 + kaikie x,.

Täöin Koska 2 u 2 Tässä E t = 1 2 = 2 u γ2, saadaan 2 = E t = E t = 6. AALTOYHTÄLÖ I 33 2 1 γ 2 2 u 2 2 + + 2 2 + 2, joten 2 u dx = 2 x= x= Reunaehtojen u, t = u, t = kaikie t > nojaa on, t =, t = kaikie t >, joten E t =, ei Et = vakio = E = 1 2 1 γ 2 u2 1 + u 2 Erityisesti, aku- ja reuna-arvot määräävät ratkaisun yksikäsitteisesti koska kahden eri ratkaisun erotuksee oisi u = u 1 =, jooin E =. Lisäksi energian säiymisestä seuraa, että ratkaisu u = ux, t riippuu akuarvoista u ja u 1 jatkuvasti L 2 -normin suhteen jäeen sopivasti tukittuna: Et = 1 2 + 1 2 = 1 2γ 2 2 2 2 γ u 1 2 2 2 + 1 2 u 2 2. Jos ratkaisu esitetään Fourier n sarjoina ux, t = sin kπx α k sin γkπt + β k cos γkπt saadaan Parsevain kaavan avua Et = 1 1 2 γ 2 u2 1 + u 2 dx = π2 k 2 βk 2 + α 2 4 k. 6.5. Energiaperiaate ämmönjohtumisyhtäöe. Tarkasteaan ämmönjohtumisyhtäön akuarvo- reuna-arvotehtävää = 2 u γ2 aueessa Q =,,, 2 u, t = u, t = kaikie t >, ja ux, = u x kaikie x,. Asetetaan Täöin Et = 1 2 E t = 1 2 u 2 2u.

Koska = γ2 2 u 2, saadaan Tässä u 2 u = u 2 E t = γ 2 joten Reunaehtojen nojaa 6. AALTOYHTÄLÖ I 34 E t = γ 2 u 2 u 2 2, joten u 2 dx = γ 2 x= x= 2 E t = γ 2 dx, Et E = 1 2 u 2 u γ2 2 Akuarvo- reuna-arvotehtävän ratkaisun yksikäsitteisyys seuraa tästä. Samoin tästä epäyhtäöstä seuraa, että ratkaisu riippuu akuarvosta u jatkuvasti L 2 -normin suhteen. 6.6. Energiaperiaate II. Tarkasteaan n-uotteien aatoyhtäön akuarvo- reunaarvotehtävää n = u = 2 2 j ux, t = ux, = u x aueessa Q =,, kaikie x ja t >, sekä ja x, = u 1x kaikie x. Tässä R n on rajoitettu aue, jonka reuna on riittävän sieä tarkemmin myöhemmin. Asetetaan Täöin Et = 1 2 Koska 2 u 2 2 u 2 + dx = 1 2 E t = 1 2 = u, saadaan E t = 2 n + 2 2 u + n j j 2 + n j j 2 j

Tässä j E t = j = u + n 6. AALTOYHTÄLÖ I 35 2 u j j 2 j, joten j j 2 u 2 j Divergenssiauseen ei Gaussin auseen nojaa n E t = n j j ds = dx = n n u ds, j j missä n on reunan positiivisesti suunnistettu yksikkönormaai ja n u funktion u suuntaisderivaatta normaain suuntaan. Reunaehtojen ux, t = kaikie x ja t > nojaa on x, t = kaikie x ja t >, joten E t =, ei Et = vakio. Energian säiymisestä seuraa, että aku- ja reuna-arvot määräävät ratkaisun yksikäsitteisesti ja, että ratkaisu riippuu akuarvoista jatkuvasti L 2 -normin suhteen. Huomautus 6.1. Aueeta vaadittu ominaisuus, että reuna on riittävän sieä tarkoitti siis vain sitä, että divergenssiausetta voidaan sovetaa. Tähän riittää, että on rajoitettu ja sen reuna on paoittain sieä C 1 - hyperpinta; ks. esim. [14, II/2, Chapter 5, Appendix A4 & A5].