Wave equation

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Reageer
Gebruikersavatar
Berichten: 284

Wave equation

Wave equation
\(\frac{1}{c^2}u_{tt} = u_{xx}\)
where
\(u = u(x,t)\)
with
\(u(0,t) = 0\)
\(u(l,t) = P\)
\(u(x,0) = 0\)

\(u_t(x,0) = 0\)
Solution Step 1. Transform to homogeneous conditions

Split
\(u(x,t) = v(x) + w(x,t)\)
with
\(v(0) = 0\)
\(v(l) = P\)
\(v_x(x) = \)
constant

See that
\(\frac{1}{c^2}w_{tt} = w_{xx}\)
with homogeneous boundry conditions
\(w(0,t) = 0\)
\(w(l,t) = 0\)
\(w(x,0) = 0\)

\(w_t(x,0) = 0\)
Step 1 completed!

Solution Step 2. See the trivial solution

w(x,t) = 0 is a solution to the wave equation
\(\frac{1}{c^2}w_{tt} = w_{xx}\)
(wave is at rest...)

Step 2 accomplished!

Solution Step 3. Find the general solution of
\(w\)
[/b]

Seperate
\(w(x,t) = X(x)T(t)\)
and solve!
\(\frac{1}{c^2}w_{tt} = w_{xx} = \lambda\)
\(X(0) = 0\)
\(X(l) = 0\)
\(X'' - \lambda X = 0\)
\(T'' - c^2\lambda T = 0\)
Case 1:
\(\lambda = 0\)
\(X(x) = a_1x + a_2\)
\(T(t) = b_1t + b_2\)
\(X(0) = 0\)
geeft
\(a_2 = 0\)
\(X(l) = 0\)
geeft vervolgens
\(a_1 = 0\)
dus
\(X(x) = 0\)
en
\(w(x,t) = 0\)
, wat de triviale oplossing was die we al hadden.

Case 2:
\(\lambda > 0\)
\(X(x) = a_1e^{\sqrt{\lambda}x} + a_2e^{-\sqrt{\lambda}x}\)
\(T(t) = b_1e^{c\sqrt{\lambda}t} + b_2e^{-c\sqrt{\lambda}t}\)
\(X(0) = 0\)
geeft
\(a_1 = a_2\)
\(X(l) = 0\)
geeft
\(a_1 = 0\)
en
\(a_2 = 0\)
dus
\(X(x) = 0\)
en
\(w(x,t) = 0\)
, wat wederom de triviale oplossing was die we al hadden.

Case 3:
\(\lambda < 0\)
\(X(x) = a_1\sin{(\lambda}x)} + a_2\cos{(\lambda}x)}\)
\(T(t) = b_1\sin{(c\lambda t)} + b_2\cos{(c\lambda t)}\)
\(X(0) = 0\)
geeft
\(a_2 = 0\)
\(X(l) = 0\)
geeft
\(\lambda = \frac{\pi n}{\l}\)
dus
\(X_n(x) = a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})}\)
en
\(T(t) = b_1\sin{(\frac{c \pi nt}{\l})} + b_2\cos{(\frac{c \pi nt}{\l})}\)
Algemene oplossingen voor
\(X(x)\)
en
\(T(t)\)
\(X(x) = \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})}\)
\(T(t) = \sum_{m=1}^{\infty}\left(b_m\sin{(\frac{c \pi mt}{\l})} + c_m\cos{(\frac{c \pi mt}{\l})}\right)\)
Step 3 successful!

Solution Step 4. Terug naar
\(u(x,t)\)
[/b]
\(u(x,t) = v(x) + w(x,t) = \frac{Px}{l} + X(x)T(t) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_1\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \sum_{m=1}^{\infty}\left(b_m\sin{(\frac{c \pi mt}{\l})} + c_m\cos{(\frac{c \pi mt}{\l})}\right)\)


Mag je hier één som van maken?

\(u(x,t) = v(x) + w(x,t) = \frac{Px}{l} + X(x)T(t) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_1\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \left(b_n\sin{(\frac{c \pi mt}{\l})} + c_n\cos{(\frac{c \pi mt}{\l})}\right)\)
De
\(a_n\)
zou je dan weg kunnen laten, want die gaat dan op in
\(b_n\)
en
\(c_n\)
.
\(u_t(x,0) = 0\)
geeft ...
\(u(x,0) = 0\)
geeft ...

Hoe gaat dit verder? Wie kan helpen?

Step 4 Not completed[/color]
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Wave equation

phi hung schreef:<b>Solution Step 4. Terug naar
\(u(x,t)\)
geeft ...
\(u(x,0) = 0\)
geeft ...

Hoe gaat dit verder? Wie kan helpen?

Step 4 Not completed
Begin alvast eens met die eerste voorwaarde (met de afgeleide), daar kan je volgens mij de b's uithalen.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 284

Re: Wave equation

\(u_t(x,0) = 0\)
geeft ...

Ik zie dat differentiëren naar
\(t\)
en
\(t = 0\)
invullen in
\(u_t\)
, geeft dat
\(b_m = 0\)
.

Dan wordt
\(u(x,t) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \sum_{m=1}^{\infty}c_m\cos{(\frac{c \pi mt}{\l})}\)
[/color]
\(u(x,0) = 0\)
geeft ...

\(t=0\)
invullen in
\(u\)
, geeft
\(u(x,0) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_n \left( \sum_{m=1}^{\infty}c_m \right) \sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \)
\(k_n = a_n \sum_{m=1}^{\infty}c_m\)
\(u(x,0) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} k_n \sin{(\frac{\pi nx}{\l})} = 0\)
Het lijkt mij op een fourrier reeks. Maar als we de
\(k_n\)
's hebben bepaald, zijn er dan niet nog oneindig veel oplossingen mogelijk voor
\(a_n\)
en
\(c_m\)
?

Bijvoorbeeld als
\(k_3 = 27\)
(ik noem maar iets willekeurig), dan voldoet
\(a_3 = 9\)
,
\(c_1 = 1\)
,
\(c_2 = 5\)
,
\(c_3 = -3\)
,
\(c_j = 0\)
voor
\(j>3\)
, en ook vele andere oplossingen zullen voldoen, om er nog maar één te noemen:
\(a_3 = 27\)
,
\(c_1 = 1\)
,
\(c_j = 0\)
voor
\(j>1\)
. De opgave met randvoorwaarden lijkt niet compleet! Of zie ik iets verkeerd???

[/color]
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Wave equation

phi hung schreef:
\(u_t(x,0) = 0\)
geeft ...

Ik zie dat differentiëren naar
\(t\)
en
\(t = 0\)
invullen in
\(u_t\)
, geeft dat
\(b_m = 0\)
.

Dan wordt
\(u(x,t) = \frac{Px}{l} + \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \sum_{m=1}^{\infty}c_m\cos{(\frac{c \pi mt}{\l})}\)
[/color]
Dat klopt, maar waarom nog a's en c's? De a's hadden we eerder al laten wegvallen en die zijn hier dus ook niet meer nodig, je hebt dus enkel nog c's; al mag je die natuurlijk ook a's noemen :eusa_whistle: . Je hebt dus:
\(\frac{{Px}}{l} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_n}\sin \left( {\frac{{n\pi x}}{l}} \right)} = 0 \Leftrightarrow \sum\limits_{n = 1}^\infty {{a_n}\sin \left( {\frac{{n\pi x}}{l}} \right)} = - \frac{{Px}}{l}\)
Het linkerlid heeft nu inderdaad precies de vorm van een Fourierreeks voor een oneven functie (sinussen), de a's volgen dus als Fouriercoëfficiënten.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 284

Re: Wave equation

Ik begrijp nog niet waarom je de som mag verenigen. In het algemeen geldt niet
\((a_1 + a_2)(b_1 + b_2) = a_1b_1 + a_2b_2\)
Je kunt zeggen
\(C:= \sum_{m=1}^{\infty} c_m\)
.

Dus
\(k_n = a_nC\)
Stel, we kiezen
\(C = 5\)
.

Levert
\(c_1 = 5\)
en
\(c_j = 0\)
voor
\(j \neq 1\)
dan dezelfde golffunctie
\(u(x,t)\)
als
\(c_2 = 5\)
en
\(c_j = 0\)
voor
\(j \neq 2\)
?
\(c_1 = 5\)
:
\(u(x,t) = \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \cdot 5\cos{(\frac{c \pi t}{\l})}\)
\(c_2 = 5\)
:
\(u(x,t) = \sum_{n=1}^{\infty} a_n\sin{(\frac{\pi nx}{\l})} \cdot 5\cos{(\frac{c \pi 2t}{\l})}\)
Zijn dit niet twee verschillende wave functies die beiden voldoen aan de boundry conditions?
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Wave equation

Ik begrijp nog niet waarom je de som mag verenigen. In het algemeen geldt niet
\((a_1 + a_2)(b_1 + b_2) = a_1b_1 + a_2b_2\)
Klopt; maar volgens mij kan je het toch tot een oplossing van die voorgestelde vorm herleiden.

Je kan zeggen dat het plaatsafhankelijke probleem voor elke n een oplossing gaf van de vorm:
\({\sin \left( {\frac{{n\pi x}}{l}} \right)}\)
En het tijdsafhankelijke probleem voor elke n een oplossing van de vorm:
\({a_n}\cos \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right) + {b_n}\sin \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right)\)
Een oplossing van het volledige probleem is het product, dus voor elke n is een oplossing:
\({u_n}\left( {x,t} \right) = {X_n}\left( x \right){T_n}\left( t \right) = \sin \left( {\frac{{n\pi x}}{l}} \right)\left( {{a_n}\cos \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right) + {b_n}\sin \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right)} \right)\)
Omdat de DV lineair is, geldt vervolgens dat een lineaire combinatie nog steeds een oplossing is:
\(u\left( {x,t} \right) = \sum\limits_{n = 1}^\infty {\sin \left( {\frac{{n\pi x}}{l}} \right)\left( {{a_n}\cos \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right) + {b_n}\sin \left( {\frac{{n\pi ct}}{l}} \right)} \right)} \)
En dan heb je met de vorige redenering nog steeds alle b's gelijk aan 0 en de a's als Fouriercoëfficiënten.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 284

Re: Wave equation

Aha, je neemt eerst een oplossing van
\(X(x)\)
en een oplossing van
\(T(t)\)
, vervolgens neem je daar het product van en heb je een oplossing voor
\(w(x,t)\)
en daarna neem je alle lineaire combinaties.

Ik had voor
\(w(x,t)\)
dus het product van alle lineaire combinaties van X(x) en alle lineaire combinaties van T(t).

Maar dan ben ik er nog niet helemaal uit. Voor een oplossing van
\(w(x,t)\)
had je dan toch ook kunnen nemen
\(w_n(x,t) = X_n(x)\cdot T_{n+1}(t)\)
Kom je dan niet tot andere wave functies?
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Wave equation

Het zou inderdaad kunnen dat je op die manier niet alle oplossingen hebt; zie echter ook hier bijvoorbeeld.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 284

Re: Wave equation

phi hung schreef:Maar dan ben ik er nog niet helemaal uit. Voor een oplossing van
\(w(x,t)\)
had je dan toch ook kunnen nemen
\(w_n(x,t) = X_n(x)\cdot T_{n+1}(t)\)


Kom je dan niet tot andere wave functies?
Ik ben er al uit.

\(w_n(x,t) = X_n(x)\cdot T_{n+1}(t)\) voldoet niet aan \(\frac{1}{c^2}u_{tt}=u_{xx}\).

Elke n hoort bij een bepaalde lambda.
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Gebruikersavatar
Berichten: 284

Re: Wave equation

phi hung schreef:Wave equation
\(\frac{1}{c^2}u_{tt} = u_{xx}\)
where
\(u = u(x,t)\)
with
\(u(0,t) = 0\)
\(u(l,t) = P\)
\(u(x,0) = 0\)

\(u_t(x,0) = 0\)
Solution Step 1. Transform to homogeneous conditions

Split
\(u(x,t) = v(x) + w(x,t)\)
with
\(v(0) = 0\)
\(v(l) = P\)
\(v_x(x) = \)
constant

See that
\(\frac{1}{c^2}w_{tt} = w_{xx}\)
with homogeneous boundry conditions
\(w(0,t) = 0\)
\(w(l,t) = 0\)
\(w(x,0) = 0\)

\(w_t(x,0) = 0\)
Step 1 completed!
De derde boundary condition voor \(w(x,t)\) moet zijn:
\(u(x,0) = 0 \ \ \ \ \Rightarrow \ \ \ \ \frac{P}{L}x + w(x,0) = 0 \Rightarrow \ \ \ \ w(x,0) = -\frac{P}{L}x\)
Einstein meets Pythagoras E = m(a2+b2)

Reageer