2.1 Zagadnienie Cauchy ego dla równania jednorodnego. = f(x, t) dla x R, t > 0, (2.1)

Podobne dokumenty
ψ przedstawia zależność

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

C d u. Po podstawieniu prądu z pierwszego równania do równania drugiego i uporządkowaniu składników lewej strony uzyskuje się:

DYNAMIKA KONSTRUKCJI

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Spis treści Wstęp Pojęcia podstawowe Struna nieograniczona Metoda Fouriera dla równań hiperbolicznych Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Całka podwójna po prostokącie

3.1 Zagadnienie brzegowo-początkowe dla struny ograniczonej. = f(x, t) dla x [0; l], l > 0, t > 0 (3.1)

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Zasada pędu i popędu, krętu i pokrętu, energii i pracy oraz d Alemberta bryły w ruchu postępowym, obrotowym i płaskim

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r. ma złożony rozkład Poissona. W tabeli poniżej podano rozkład prawdopodobieństwa ( )

Metoda rozdzielania zmiennych

Całka nieoznaczona Andrzej Musielak Str 1. Całka nieoznaczona

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

Pobieranie próby. Rozkład χ 2

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

ĆWICZENIE 7 WYZNACZANIE LOGARYTMICZNEGO DEKREMENTU TŁUMIENIA ORAZ WSPÓŁCZYNNIKA OPORU OŚRODKA. Wprowadzenie

Wykład FIZYKA I. 2. Kinematyka punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Silniki cieplne i rekurencje

WYBRANE DZIAŁY ANALIZY MATEMATYCZNEJ. Wykład VII Przekształcenie Fouriera.

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Wykład 4 Metoda Klasyczna część III

Ruch płaski. Bryła w ruchu płaskim. (płaszczyzna kierująca) Punkty bryły o jednakowych prędkościach i przyspieszeniach. Prof.

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

WYKŁAD FIZYKAIIIB 2000 Drgania tłumione

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

SPIS TREŚCI 1. IV. Równanie falowe. 1 Jednowymiarowe równanie falowe Równanie struny i wzór d Alemberta Struna półnieskończona...

Różniczkowalna zależność rozwiązania od warunków początkowych i parametrów

Wojewódzki Konkurs Matematyczny dla uczniów gimnazjów. Etap szkolny 5 listopada 2013 Czas 90 minut

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Logarytmy. Funkcje logarytmiczna i wykładnicza. Równania i nierówności wykładnicze i logarytmiczne.

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 13

Badanie funktorów logicznych TTL - ćwiczenie 1

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Gr.A, Zad.1. Gr.A, Zad.2 U CC R C1 R C2. U wy T 1 T 2. U we T 3 T 4 U EE

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Wykłady... b i a i. i=1. m(d k ) inf

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Obliczanie długości łuku krzywych. Autorzy: Witold Majdak

2. Równanie falowe Równanie struny i wzór d Alemberta. t2 x 2. L 2 = t + c

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r. Zadanie 1. Rozważamy proces nadwyżki ubezpieczyciela z czasem dyskretnym postaci: n

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

Dynamiczne formy pełzania i relaksacji (odprężenia) górotworu

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Sformułowanie Schrödingera mechaniki kwantowej. Fizyka II, lato

Kinematyka: opis ruchu

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Krzywe na płaszczyźnie.

EGZAMIN Z ANALIZY II R

Kubatury Gaussa (całka podwójna po trójkącie)

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Egzamin z Analizy Matematycznej I dla Informatyków, 28 I 2017 Część I

OCENIANIE ARKUSZA POZIOM ROZSZERZONY

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

( ) ( ) ( τ) ( t) = 0

Układy równań i równania wyższych rzędów

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Fizyka dla Informatyki Stosowanej

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

OCENIANIE ARKUSZA POZIOM ROZSZERZONY

Równania różniczkowe wyższych rzędów

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Wykład 5 Elementy teorii układów liniowych stacjonarnych odpowiedź na dowolne wymuszenie

gęstością prawdopodobieństwa

Modelowanie ryzyka kredytowego MODELOWANIE ZA POMOCA HAZARDU

Tra r n a s n fo f rm r a m c a ja a na n p a rę r ż ę eń e pomi m ę i d ę zy y uk u ł k a ł d a am a i m i obr b ó r cony n m y i m

Szeregi Fouriera. Powyższe współczynniki można wyznaczyć analitycznie z następujących zależności:

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

W siła działająca na bryłę zredukowana do środka masy ( = 0

Przemieszczeniem ciała nazywamy zmianę jego położenia

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Transkrypt:

Wykład 2 Sruna nieograniczona 2.1 Zagadnienie Cauchy ego dla równania jednorodnego Równanie gań sruny jednowymiarowej zapisać można w posaci 1 2 u c 2 2 u = f(x, ) dla x R, >, (2.1) 2 x2 gdzie u(x, ) oznacza wychylenie sruny z położenia równowagi w punkcie x, w chwili czasu. Funkcja f(x, ) przedsawia gęsość siły zewnęrznej, działającej na srunę. Posać a jes równoważna posaci (1.2). Dla powyższego równania rozważać będziemy zagadnienie począkowe w przypadku jednorodnym (gania swobodne) i niejednorodnym (gania wymuszone). Załóżmy, że mamy do czynienia z ganiami swobodnymi, zn. f. Rozważamy nasępujące zagadnienie. Wyznaczyć funkcję u spełniającą równanie (2.1) i warunki począkowe Zakładamy, że ϕ jes klasy C 2, zaś ψ jes klasy C 1. u (x, ) = ϕ (x), u (x, ) = ψ (x) dla x R. (2.2) Zagadnienie (2.1)-(2.2) rozwiążemy sosując meodę d Alembera. Sosując w równaniu (2.1) zamianę zmiennych ξ =, η = sprowadzamy je do posaci kanonicznej u ξη = (porównaj (1.9)). Ogólne rozwiązanie ego równania wyraża się wzorem u = F (ξ) + G (η), gdzie F i G są dowolnymi funkcjami klasy C 2. Wracając do zmiennych x i orzymujemy u (x, ) = F (x + c) + G (x c). (2.3) Funkcje F i G należy dobrać w en sposób, aby spelnione były warunki począkowe (2.2). Warunki (2.2) prowadzą do układu równań funkcyjnych { F (x) + G (x) = ϕ (x) cf (x) cg (x) = ψ (x), 14

WYKŁAD 2. STRUNA NIEOGRANICZONA 15 z kórych ławo wyznaczamy wzory na funkcje szukane x x F (x) = 1 2 ϕ(x) + 1 ψ(s)ds i G (x) = 1 2 ϕ(x) 1 ψ(s)ds. (2.4) Podsawiając wzory (2.4) do (2.3) orzymujemy zw. wzór d Alembera dla sruny swobodnej u(x, ) = 1 2 (ϕ(x c) + ϕ(x + c)) + 1 ψ(s)ds. (2.5) Z powyższych wzorów wynika, że zaburzenie kszału sruny spowodowane przez przyjęe warunki począkowe rozchodzi się ze skończoną prędkością wzdłuż osi Ox. Funkcja G(x c) wysępująca we wzorze (2.3) przedsawia falę rozchodzącą się z prędkością c w dodanim kierunku osi Ox, zaś funkcja F (x + c) - falę rozchodzącą się z prędkością c w ujemnym kierunku osi Ox. Rozwiązanie u(x, ) jes sumą ych dwóch fal. P r z y k ł a d 1 Rozwiązać zagadnienie (2.1)-(2.2) przyjmując c = 1, oraz ϕ(x) = 3 1 + x 2, ψ(x) = { (1 x 2 ) 2 dla x 1 dla x > 1. Poniższy rysunek przedsawia kszał sruny w chwili począkowej wraz z rozkładem na funkcje F (linia kropkowana) oraz G (linia kreskowana). P r z y k ł a d 2 Rozwiązać zagadnienie (2.1)-(2.2) przyjmując c = 1, ψ oraz { 3 sin 3 x ϕ(x) = dla x π dla x / [, π]. Nasępny rysunek przedsawia kszał sruny w chwili począkowej wraz z rozkładem na funkcje F i G. W ym przypadku funkcje e są idenyczne.

WYKŁAD 2. STRUNA NIEOGRANICZONA 16 Rozdzielenie zaburzenia nasępuje w chwili = π 2. 2.2 Zagadnienie Cauchy ego dla równania niejednorodnego Rozważmy eraz zagadnienie niejednorodne dla równania (2.1) z jednorodnymi warunkami począkowymi (2.2), zn ϕ, ψ. Rozważmy funkcję u (x, ) określoną wzorem u (x, ) = 1 x+c( r) f(s, r)ds. (2.6) Poprzez bezpośrednie różniczkowanie ławo sprawdzić, że funkcja u spełnia równanie (2.1) oraz, że u (x, ) =. Ponieważ u (x, ) = v (x, ; r), gdzie v (x, ; r) = 1 x+c( r) f(s, r)ds, więc również u (x, ) =. Wynika sąd, że rozwiązanie zagadnienia począkowego (2.1)-(2.2) można zapisać jako sumę rozwiązania danego wzorem d Alembera (2.5) i funkcji u określonej wzorem (2.6). W en sposób orzymujemy wzór d Alembera dla równania niejednorodnego u(x, ) = 1 2 (ϕ(x c) + ϕ(x + c)) + 1 ψ(s)ds + 1 x+c( r) f(s, r)ds (2.7) 2.3 Sabilność rozwiązania Niech u 1 i u 2 będą rozwiązaniami zagadnienia (2.1)-(2.2) odpowiednio dla par funkcji danych (ϕ 1, ψ 1 ) i (ϕ 2, ψ 2 ). Załóżmy, że dla wszyskich x R zachodzą nierówności ϕ 1 (x) ϕ 2 (x) < δ i ψ 1 (x) ψ 2 (x) < δ. (2.8)

WYKŁAD 2. STRUNA NIEOGRANICZONA 17 Na mocy wzoru d Alembera (2.7) można napisać, że u i (x, ) = 1 2 (ϕ i(x c) + ϕ i (x + c)) + 1 ψ i (s)ds + 1 x+c( r) f(s, r)ds dla i = 1, 2. Jeśli rozważać będziemy ewolucję kszału sruny w przedziale czasowym [, T ], o korzysając z (2.8) różnicę pomiędzy rozwiązaniami u 1 i u 2 możemy oszacować nasępująco u 1 (x, ) u 2 (x, ) < 1 2 ϕ 1 (x + c) ϕ 2 (x + c) + 1 2 ϕ 2 (x c) ϕ 2 (x c) + + 1 ψ 1 (s) ψ 2 (s) ds < 1 2 δ + 1 2 δ + 1 T δ = δ (1 + T ). (2.9) Osania nierówność oznacza, że powyższe zagadnienie jes sabilne. O ile bowiem warunki począkowe zadania nie różnią się o więcej niż o δ, o również rozwiązania w dowolnym zadanym lecz usalonym przedziale czasowym nie różnią się o więcej niż o liczbę δ (1 + T ). Oznacza o ciagłą zależność rozwiązania od warunków począkowych, ponieważ lim δ + δ (1 + T ) =. W akim razie zagadnienie Cauchy ego dla równania sruny jes poprawnie posawione. 2.4 Sruna jednosronnie ograniczona Rozważmy zagadnienie polegające na znalezieniu rozwiązania równania gań półograniczonej sruny swobodnej z warunkami począkowymi 1 2 u c 2 2 u = dla x>, >, (2.1) 2 x2 u (x, ) = ϕ (x), u (x, ) = ψ (x) dla x >. (2.11) 2.4.1 Sruna z zamocowanym końcem W ym przypadku poszukujemy funkcji u spełniającej dodakowy warunek u (, ). O funkcjach danych ϕ i ψ założymy, że spełniają one zw. warunki zgodności ϕ ( +) =, ψ ( +) =. (2.12) Dodakowo zakładamy, że ϕ, ϕ, ψ są ciągłe na półprosej [, + ). W celu rozwiązania powyższego zagadnienia, funkcje ϕ i ψ przedłużamy do funkcji nieparzysych określonych na całej osi rzeczywisej. Warunki (2.12) gwaranują ciągłość orzymanych przedłużeń. Nasępnie, dla ak określonych przedłużeń, sosujemy wzór d Alembera dla sruny swobodnej (2.5) u(x, ) = 1 2 (ϕ(x c) + ϕ(x + c)) + 1 ψ(s)ds. (2.13)

WYKŁAD 2. STRUNA NIEOGRANICZONA 18 Podsawiając x = orzymujemy u(, ) = 1 2 (ϕ( c) + ϕ(c)) + 1 c c ψ(s)ds = 1 ( ϕ(c) + ϕ(c)) = 2 na mocy nieparzysości funkcji danych ϕ i ψ. Oznacza o, że u jes rozwiązaniem zagadnienia gań sruny z zamocowanym końcem. 2.4.2 Sruna ze swobodnym poziomym końcem Rozważamy zagadnienie polegające na wyznaczeniu rozwiązania u, spełniającego dodakowo warunek u x (, ) = (koniec sruny może poruszać się swobodnie w pionie, np. w prowadnicy dla x = ). O funkcjach danych ϕ i ψ założymy, że spełniają one zw. warunki zgodności ϕ ( +) =, ψ ( +) =. (2.14) Zakładamy również, że ϕ, ϕ, ψ są ciągłe na półprosej [, + ). W celu rozwiązania powyższego zagadnienia, funkcje ϕ i ψ przedłużamy do funkcji parzysych określonych na całej osi rzeczywisej (wówczas pochodna ϕ jes nieparzysa). Sosując podobnie jak poprzednio, wzór d Alembera (2.5) przedsawiamy rozwiązanie u w posaci (2.13). Wynika sąd, że oraz u x (x, ) = 1 2 (ϕ (x c) + ϕ (x + c)) + 1 (ψ (x + c) ψ (x c)) u x (, ) = 1 2 (ϕ ( c) + ϕ (c)) + 1 (ψ (c) ψ ( c)) = na mocy nieparzysości funkcji ϕ i parzysości funkcji ψ. Oznacza o, że u jes rozwiązaniem rozważanego zagadnienia. 2.5 Wzór Kirchhoffa Rozważmy funkcję u = u (x, y, z, ) spełniającą równanie falowe w przypadku rzech zmiennych przesrzennych, zn. równanie u 1 c 2 u = f (x, y, z, ). (2.15) Niech punk M (x, y, z ) należy do obszaru V ograniczonego powierzchnią S. Wówczas można udowodnić, że warość szukanej funkcji u (M, ) daje się zapisać za pomocą nasępującego wzoru Kirchhoffa u (M, ) = 1 4π gdzie: S { 1 r MM [ u n - r MM jes odległością punków M i M, - n oznacza pochodną normalną zewnęrzną, ] [u] u ( ) 1 + 1 [u ] r } MM ds M + 1 n r MM cr MM n 4π V - symbol [F ] oznacza, że warość funkcji w nawiasach brana jes dla warości = r MM c. [f] r MM dv M,