Side 1 av 1

PDE + fourier :)

Lagt inn: 30/01-2009 23:40
av drgz
ble litt inspirert av plutarco sitt innlegg, så prøver med å lansere en liten oppfølger. oppgaven er en vi fikk fikk på øving i matematikk 4k da jeg hadde faget for noen år siden, men oppgaven burde fortsatt være mulig å løse ;)

løs: [tex]tu_{xx}(x,t)=u_{t}(x,t)[/tex]

med betingelser:

(1): [tex]\lim_{|x|\to\infty}u(x,t)=0[/tex] og [tex]\lim_{|x|\to\infty}u_{x}(x,t)=0[/tex]

(2): [tex]u(x,0)=f(x)[/tex]
der f(x) er en funksjon som har en fouriertransformert.

vis og at svaret kan skrives

[tex]u(x,t) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x-st)g(s)ds[/tex]
der g(s) skal bestemmes :)

Re: PDE + fourier :)

Lagt inn: 15/02-2009 18:32
av drgz
siden ingen har prøvd seg så slenger jeg ut løsning :)

setter: [tex]\hat{u}(\omega,t)=\mathcal{F}\left{u(x,t)\right}=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}u(x,t)e^{-i\omega x}\rm{d}x[/tex]

siden: [tex]\lim_{|x|\to\infty}u(x,t)=0[/tex] og [tex]\lim_{|x|\to\infty}u_{x}(x,t)=0[/tex]

har en at: [tex]\mathcal{F}\left{u_{xx}(x,t)\right}=-\omega^{2}\hat{u}(x,t)[/tex]

deretter har en: [tex]\mathcal{F}\left{u_{t}(x,t)\right}=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\partial d}{\partial t}\left(u(x,t)e^{-i\omega x}\right)\rm{d}x\Rightarrow \frac{\partial}{\partial t}\left[\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}u(x,t)e^{-i\omega x}\rm{d}x\right]=\frac{\partial}{\partial t}\hat{u}(\omega,t)[/tex]

dette gir: [tex]tu_{xx}(x,t)=u_{t}(x,t)\Rightarrow -t\omega^{2}\hat{u}(\omega,t)=\frac{\partial}{\partial t}\hat{u}(\omega,t)\Rightarrow \frac{d \hat{u}(\omega,t)}{\hat{u}(\omega,t)}=-t\omega^{2}dt\Rightarrow \hat{u}(\omega,t) = C(\omega)e^{-t^{2}\omega^{2}/2}[/tex]

fra dette kan en se at: [tex]\hat{u}(\omega,0) = C(\omega) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}u(x,0)e^{-i\omega x}\rm{d}x = \hat{f}(\omega)\Rightarrow C(\omega)=\hat{f}(\omega)\Rightarrow \hat{u}(\omega,t)=\hat{f}(\omega)e^{-t^{2}\omega^{2}/2[/tex]

bruker: [tex]\mathcal{F}\left{f\ast g\right}=\sqrt{2\pi}\hat{f}\cdot\hat{g}\Leftrightarrow \mathcal{F}^{-1}\left{\hat{f}\cdot\hat{g}\right}=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\hat{f}\ast\hat{g}[/tex]

slik at en kan finne en funksjon [tex]h(x)[/tex] som er slik at [tex]\hat{h}(\omega) = e^{-t^{2}\omega^{2}/2}[/tex]

har så:
[tex]\int_{-\infty}^{\infty}e^{i\omega x}e^{-\lambda x^{2}}\rm{d}x = \sqrt{\frac{\pi}{\lambda}}e^{-\omega^{2}/4\lambda} \Rightarrow \mathcal{F}\left{e^{-\lambda x^{2}}\right}=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-i\omega x}e^{-\lambda x^{2}}\rm{d}x=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda}}e^{-(-\omega)^{2}/4\lambda}=\frac{1}{\sqrt{2\lambda}}e^{-\omega^{2}/4\lambda}[/tex]

for t>0: [tex]\frac{1}{4\lambda}=\frac{t^2}{2}\Rightarrow \lambda=\frac{1}{2t^{2}}\Rightarrow e^{-t^{2}\omega^{2}/2}=e^{-\omega^{2}/4\lambda}=\sqrt{2\lambda}\cdot\frac{1}{\sqrt{2\lambda}}e^{-\omega^{2}/4\lambda}[/tex]

[tex]\hat{h}(\omega)=e^{-t^{2}\omega^{2}/2}\Rightarrow h(x)=\sqrt{2\lambda}e^{-\lambda x^{2}}=\frac{1}{t}e^{-x^{2}/2t^{2}}\Rightarrow u(x,t)=\mathcal{F}\left{\hat{f}\cdot\hat{h}\right}=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\hat{f}\ast\hat{h}=\frac{1}{t\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x-p)e^{-p^{2}/2t^{2}}\rm{d}p[/tex]

for t>0: [tex]p = ts\,, \rm{d}p=t\rm{d}s\Rightarrow u(x,t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x-st)e^{-s^{2}/2}\rm{d}s\Leftrightarrow u(x,t)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x-st)g(s)\rm{d}s[/tex]

som gir: [tex]\underline{\underline{g(s) = e^{-s^{2}/2}}}[/tex]

for t=0: [tex]u(x,0) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-s^{2}/2}\rm{d}s=f(x)\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-s^{2}/2}\rm{d}s=f(x)[/tex]


8-)

Lagt inn: 16/02-2009 00:59
av Gustav
Velkjent matte 4k stoff:) Altfor mye skriving til at jeg orket å løse den her på forumet dog;)

Lagt inn: 16/02-2009 08:20
av drgz
plutarco skrev:Velkjent matte 4k stoff:) Altfor mye skriving til at jeg orket å løse den her på forumet dog;)
forstår jeg godt, angret litt da jeg kom litt uti der og fant ut at jeg ikke var halvveis en gang :P

Lagt inn: 16/02-2009 09:58
av meCarnival
Matematikk 4 det samme som matematikk 4k eller? Skal ha det så bare lurte... :wink:

Lagt inn: 16/02-2009 15:36
av drgz
meCarnival skrev:Matematikk 4 det samme som matematikk 4k eller? Skal ha det så bare lurte... :wink:
det grunnleggende er nok i alle fall det samme. på ntnu finnes det minst fire forskjellige matematikk 4x varianter (d,k,m og n).

D: http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMA4135
K: http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMA4120
M: http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMA4122
N: http://www.ntnu.no/studier/emner?emnekode=TMA4125

felles for alle er vel fourier- og laplace transform, samt partielle differensialligninger, men så er det noe pensum som varierer ettersom hva slags linjer en går på her på ntnu. hvordan det er på hist aner jeg ikke dessverre.

Lagt inn: 16/02-2009 16:42
av Gustav
Jeg kan jo parere med denne lille utfordringen:

Finn Greens funksjonen til følgende randverdiproblem:

[tex]-(\,u\prime \prime(x)+u(x)\,)=f(x),\,\, x\in(0,1),\,\, u(0)=u(1)=0[/tex]

Dvs. den funksjonen G(x,y) slik at løsningen på problemet er

[tex]u(x)=\int_0^1\,\, G(x,y)f(y)\,dy[/tex]

Lagt inn: 16/02-2009 17:32
av drgz
plutarco skrev:Jeg kan jo parere med denne lille utfordringen:

Finn Greens funksjonen til følgende randverdiproblem:

[tex]-(\,u\prime \prime(x)+u(x)\,)=f(x),\,\, x\in(0,1),\,\, u(0)=u(1)=0[/tex]

Dvs. den funksjonen G(x,y) slik at løsningen på problemet er

[tex]u(x)=\int_0^1\,\, G(x,y)f(y)\,dy[/tex]
det der har jeg aldri hatt om før hehe :p

forstod heller ikke så mye av å lese på wolfram/wikipedia. hvis det står om det i kreyzig så kan jeg titte senere i kveld, men foreløpig må jeg nok si pass.

Lagt inn: 16/02-2009 18:09
av drgz
står ingenting om green funksjonen i læreboken vi brukte i m4k, så da er jeg nok helt blank på området. men du kan gjerne komme med et forslag til løsning, så kanskje jeg lærer noe nytt :)

Lagt inn: 16/02-2009 18:26
av Gustav
claudeShannon skrev:står ingenting om green funksjonen i læreboken vi brukte i m4k, så da er jeg nok helt blank på området. men du kan gjerne komme med et forslag til løsning, så kanskje jeg lærer noe nytt :)
Det er ikke matte 4k pensum , så bare slapp av ;)

Oppgaven er fra Tveito og Winthers bok i PDE brukt i innledningskurset om PDE ved UiO.