• Rezultati Niso Bili Najdeni

Laboratorijske vaje Matematika 4

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Laboratorijske vaje Matematika 4"

Copied!
11
0
0

Celotno besedilo

(1)

Laboratorijske vaje Matematika 4

Laboratorijske vaje Matematika 4

5. Vaja parcialne diferencialne enaˇcbe

B. Jurˇciˇc Zlobec1

1Univerza v Ljubljani, Fakulteta za Elektrotehniko 1000 Ljubljana, Trˇzaˇska 25, Slovenija

Matematika 4 FE, Ljubljana, 10. maj 2013

(2)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Parcialne diferencialne enaˇcbe

Loˇ cene spremenljivke

Poiˇsˇci omejene reˇsitve, ki imajo loˇcene spremenljivke

2U(x,t)

∂x2 = 1 c2

2U(x,t)

∂t2 U[x_,t_] = X[x] T[t];

{D[U[x, t], {x, 2}], 1/c^2*D[U[x, t], {t, 2}]}

%/U[x, t]// Flatten Map[# == -omega^2 &, %]

MapThread[DSolve[#1,#2,#3]&,{%,{X[x],T[t]},{x,t}}]

sol=%//Flatten

{X[x] -> C[1] Cos[omega x] + C[2] Sin[omega x], T[t] -> C[1] Cos[c omega t] + C[2] Sin[c omega t]}

(3)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Parcialne diferencialne enaˇcbe

Lastna nihanja

Poiˇsˇci lastna nihanja strune pri danih robnih pogojih.

2U(x,t)

∂x2 = ∂2U(x,t)

∂t2 , u(0,t) = 0, u(π,t) = 0, ut(x,0) = 0;

Vzamemo reˇsitevsoliz prejˇsnje strani in upoˇstevamo robne pogoje.

Clear[U, x, t, n]

U[x_, t_, n_] := Sin[n x] Cos[n t];

Plot[U[x, 0, 3], {x, 0, Pi}, Axes -> False, PlotRange -> {-1, 1}]

Manipulate[

Plot[U[x, t, n], {x, 0, Pi}, Axes -> False,

PlotRange -> {-1, 1}], {t, 0, 4 Pi}, {n, 1, 4, 1}]

(4)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Parcialne diferencialne enaˇcbe

Slika

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.0 -0.5 0.5 1.0

(5)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Sploˇsna nihanja vpete strune

Reˇsi diferencialno enaˇcbo.

2U(x,t)

∂x2 = 1 c2

2U(x,t)

∂t2 ,

u(0,t) = 0, u(L,t) = 0, u(x,0) =f(x), ut(x,0) = 0;

Clear[f,g,x,u,t]; M=8; L=1; c=1;

f[x_]=6 x^3 (1 - x); g[x_]=0;

lam=Table[n Pi/L , {n, 1, M}];

A = 2/L Integrate[f[x] Sin[lam x], {x, 0, L}];

B = 1/(lam c) 2/L Integrate[g[x] Sin[lam x], {x, 0, L}];

u[x_,t_]=(A Cos[lam c t]+B Sin[lam c t]).Sin[lam x];

Plot[u[x, 0], {x, 0, L}]

Animate[Plot[u[x, t],{x, 0, L},PlotStyle->Thick, PlotRange->{{0,L},{-1,1}}],{t,0,(2L)/c,(2L)/(100c)}]

(6)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Reˇsi Laplaceovo diferencialo enaˇ cbo na kolobarju.

∆u =urr +1 rur + 1

r2uφφ,

∆u(r, φ) = 0, u(a, φ) =f(φ), u(b, φ) =g(φ), a<b, u[r, φ] =R(r)Φ(φ),→ R00

R + 1 r

R0 R + 1

r2 Φ0

Φ = 0 Φ0

Φ =−ω2, r2R00+rR0−ω2R= 0

Φn(φ) =A0ncos(nφ)+Bn0 sin(nφ), Rn(r) =Cn0rn+Dn0r−n, n∈N Φ0(φ) =A00, R0(r) =C0+D0log(r);

un(r, φ) = (Anrn+Bnr−n) cos(nφ) + (Cnrn+Dnr−n) sin(nφ), u0(r, φ) =A0+B0log(r)

(7)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

u(r, φ) =

X

n=0

un(r, φ) u(a, φ) =f(φ), u(b, φ) =g(x) f(φ) =A00+

X

n=1

A0ncos(nφ) +Bn0sin(nφ)

g(φ) =A000 +

X

n=1

A00ncos(nφ) +Bn00sin(nφ)

(8)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Razvoj v fourierevo vrsto

A00=A0+B0log(a) = 1 2π

Z π

−π

f(φ)dφ

A000 =A0+B0log(b) = 1 2π

Z π

−π

g(φ)dφ

A0n=Anan+Bna−n= 1 π

Z π

−π

cos(nφ)f(φ)dφ

Bn0 =Cnan+Dna−n= 1 π

Z π

−π

sin(nφ)f(φ)dφ

A00n =Anbn+Bnb−n= 1 π

Z π

−π

cos(nφ)g(φ)dφ

Bn00 =Cnbn+Dnb−n= 1 π

Z π

−π

sin(nφ)g(φ)dφ

(9)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Sistema enaˇ cb

Reˇsimo sistem enaˇcb

A00=A0+B0log(a), A000 =A0+B0log(b) A0n=Anan+Bna−n, A00n=Anbn+Bnb−n Bn0 =Cnan+Dna−n, Bn00=Cnbn+Dnb−n

(10)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Primer

a= 1, b= 2,f(φ) = sin[φ] ing(φ) = sin(2φ) Funkciji sta lihi zato A0n= 0 in A00n= 0 za vse n.

X

n=1

Bn0 sin(nφ) = sin(φ),

X

n=1

Bn00sin(nφ) = sin(2φ) Obe vrsti sta konˇcni v prvi jeB10 = 1 Bn0 = 0 zan6= 1, v drugi je B200= 1 in Bn00= 0 zan 6= 2

(11)

Laboratorijske vaje Matematika 4 Robni problemi

Reˇsitev

a=1;b=2;

s1=Solve[{C1 a+D1/a==1,C1 b+D1/b==0},{C1,D1}];

s2=Solve[{C2 a^2+D2/a^2==0,C2 b^2+D2/b^2==1},{C2,D2}];

U[r_,phi_] =((C1 r + D1 r^(-1)) Sin[phi]/.s1) + ((C2 r^2 + D2 r^(-2)) Sin[2phi]/.s2);

ParametricPlot3D[{r Cos[phi],r Sin[phi],U[r,phi]}, {r,a,b},{phi,-Pi,Pi}]

DensityPlot[U[Sqrt[x^2+y^2],ArcTan[x,y]],{x,-2,2}, {y,-2,2},

ColorFunction->Function[{u},RGBColor[u/2,u,1-u]], RegionFunction->Function[{x, y},1<Sqrt[x^2+y^2]<2]]

Reference

POVEZANI DOKUMENTI

V fiziki so sicer bolj prisotne parcialne diferencialne enaˇ cbe drugega reda, kar pomeni, da poleg parcialnih odvodov funkcije v enaˇ cbi nastopajo tudi parcialni odvodi drugega

1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za Elektrotehniko 1000 Ljubljana, Trˇ zaˇ ska 25, Slovenija. Matematika FE, Ljubljana,

Kolikˇsna je verjetnost, da bosta reˇsitvi enaˇ cbe

Laboratorijske vaje Numeriˇ cne metode1. Jurˇ ciˇ

Laboratorijske vaje Numeriˇ cne metode3. Vaja negibna

Borut Jurˇ ciˇ c Zlobec Laboratorijske vaje

Laboratorijske vaje Numeriˇ cne metode5. Jurˇ ciˇ

Matematika Vaje 4: Kompleksna