PDE + fourier :)

Her kan du stille spørsmål vedrørende problemer og oppgaver i matematikk på høyskolenivå. Alle som har kunnskapen er velkommen med et svar. Men, ikke forvent at admin i matematikk.net er spesielt aktive her.

Moderatorer: Vektormannen, espen180, Aleks855, Solar Plexsus, Gustav, Nebuchadnezzar, Janhaa

Svar
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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 :)
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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-)
Gustav
Tyrann
Tyrann
Innlegg: 4562
Registrert: 12/12-2008 12:44

Velkjent matte 4k stoff:) Altfor mye skriving til at jeg orket å løse den her på forumet dog;)
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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
meCarnival
Riemann
Riemann
Innlegg: 1686
Registrert: 07/09-2007 19:12
Sted: Trondheim

Matematikk 4 det samme som matematikk 4k eller? Skal ha det så bare lurte... :wink:
Høgskolen i Sør-Trøndelag, Logistikkingeniør
Ingeniørmatematikk IV
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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.
Gustav
Tyrann
Tyrann
Innlegg: 4562
Registrert: 12/12-2008 12:44

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]
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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.
drgz
Fermat
Fermat
Innlegg: 757
Registrert: 24/12-2008 23:22

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 :)
Gustav
Tyrann
Tyrann
Innlegg: 4562
Registrert: 12/12-2008 12:44

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.
Svar