Mode Kosinus Neumann dengan Gaya

Batas sumber. Bagian ini mengikat wave_equ.tex baris 1717-1893 pada sumber beku.

Dalam contoh berikutnya, kita meninjau persamaan gelombang nonhomogen.

Contoh.

Selesaikan persamaan gelombang nonhomogen

2ut2c22ux2=h(x,t)2Lxx2,0<x<L dan t>0,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - c^2 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = h(x,t) \equiv 2Lx-x^2 \quad , \quad 0 < x < L \text{ dan } t>0 \ , dengan syarat batas ux(0,t)=ux(L,t)=0\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial x}(0,t) = \frac{\partial{u}}{\partial x}(L,t) = 0 untuk t>0t>0, serta syarat awal u(x,0)=x2(3L2x)\displaystyle u(x,0) = x^2(3L-2x) dan ut(x,0)=sin2(πx/L)\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) = \sin^2\left(\pi x/L\right) untuk 0<x<L0<x<L.

Solusi persamaan gelombang homogen dalam Contoh 7.4.5 menyarankan agar kita mencari solusi berbentuk

u(x,t)=T0(t)+n=1Tn(t)cos(nπxL).u(x,t) = T_0(t) + \sum_{n=1}^\infty T_n(t) \cos\left(\frac{n\pi\,x}{L}\right) \ .

Andaikan deret Fourier kosinus dari hh terhadap variabel xx adalah

h(x,t)=h0(t)+n=1hn(t)cos(nπxL).h(x,t) = h_0(t) + \sum_{n=1}^\infty h_n(t) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \ . Jika kita menyubstitusikan (7.4.18) dan (7.4.19) ke dalam (7.4.17), dengan mengandaikan bahwa turunan dan penjumlahan takhingga boleh dipertukarkan, diperoleh

T0(t)+n=1(Tn(t)+(cnπL)2Tn(t))cos(nπxL)=h0(t)+n=1hn(t)cos(nπxL)T_0''(t) + \sum_{n=1}^\infty \left( T_n''(t) + \left(\frac{c n\pi}{L}\right)^2 T_n(t) \right) \cos\left(\frac{n\pi\,x}{L}\right) = h_0(t) + \sum_{n=1}^\infty h_n(t) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) untuk 0<x<L0<x<L. Dengan demikian,

T0(t)=h0(t)danTn(t)+(cnπL)2Tn(t)=hn(t)T_0''(t) = h_0(t) \quad \text{dan} \quad T_n''(t) + \left(\frac{c n\pi}{L}\right)^2 T_n(t) = h_n(t) untuk t>0t>0 dan n>0n>0.

Pertama-tama, kita harus mencari deret Fourier kosinus dari h(x,t)=2Lxx2\displaystyle h(x,t) = 2Lx-x^2 untuk 0<x<L0<x<L. Kita mempunyai

a0=1L0L(2Lxx2)dx=1L(Lx2x33)|0L=2L23a_0 = \frac{1}{L}\int_0^L \left( 2Lx-x^2 \right) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{L} \left( Lx^2 - \frac{x^3}{3} \right)\bigg|_0^L = \frac{2L^2}{3} dan, dengan menggunakan integrasi parsial, diperoleh

an=2L0L(2Lxx2)cos(nπxL)dx=(2nπ(2Lxx2)sin(nπxL))|0L4nπ0L(Lx)sin(nπxL)dx=(4Ln2π2(Lx)cos(nπxL))|0L+4Ln2π20Lcos(nπxL)dx=4L2n2π2+4L2n3π3sin(nπxL)|0L=4L2n2π2.\begin{aligned} a_n &= \frac{2}{L} \int_0^L \left(2Lx-x^2\right) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\,\mathrm{d}{x} \\ &= \left( \frac{2}{n\pi} \left(2Lx-x^2\right) \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\right)\bigg|_0^L - \frac{4}{n\pi} \int_0^L \left(L-x\right) \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \left( \frac{4L}{n^2\pi^2} \left(L-x\right) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \right)\bigg|_0^L + \frac{4L}{n^2\pi^2} \int_0^L \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= -\frac{4L^2}{n^2\pi^2} + \frac{4L^2}{n^3\pi^3} \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\bigg|_0^L = -\frac{4L^2}{n^2\pi^2} \ . \end{aligned} Jadi,

h(x,t)=2L23n=14L2n2π2cos(nπxL).h(x,t) = \frac{2L^2}{3} - \sum_{n=1}^\infty \frac{4L^2}{n^2\pi^2} \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \ .

Untuk menentukan TnT_n bagi n0n\geq 0, kita harus menyelesaikan

T0(t)=2L23danTn(t)+(cnπL)2Tn(t)=4L2n2π2T_0''(t) = \frac{2L^2}{3} \quad \text{dan} \quad T_n''(t) + \left(\frac{c n\pi}{L}\right)^2 T_n(t) = -\frac{4L^2}{n^2\pi^2} untuk t>0t>0 dan n>0n>0. Kita memperoleh

T0(t)=L23t2+B0t+A0danTn(t)=Ancos(cnπtL)+Bnsin(cnπtL)4L4c2n4π4T_0(t) = \frac{L^2}{3}\,t^2 + B_0t + A_0 \quad \text{dan} \quad T_n(t) = A_n\cos\left(\frac{c n \pi t}{L}\right) + B_n \sin\left(\frac{c n \pi t}{L}\right) - \frac{4 L^4}{c^2n^4\pi^4} untuk t>0t>0 dan n>0n>0.

Solusinya adalah

u(x,t)=(L23t2+B0t+A0)+n=1(Ancos(cnπtL)+Bnsin(cnπtL)4L4c2n4π4)cos(nπxL)\begin{aligned} u(x,t) &= \left(\frac{L^2}{3}\,t^2 + B_0t + A_0\right) \\ &+ \sum_{n=1}^\infty \left( A_n\cos\left(\frac{c n \pi t}{L}\right) + B_n \sin\left(\frac{c n \pi t}{L}\right) - \frac{4 L^4}{c^2n^4\pi^4} \right)\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \end{aligned} untuk 0<x<L0<x<L dan t>0t>0.

Dari u(x,0)=x2(3L2x)\displaystyle u(x,0) = x^2(3L-2x), diperoleh

u(x,0)=A0+n=1(An4L4c2n4π4)cos(nπxL)=x2(3L2x).u(x,0) = A_0 + \sum_{n=1}^\infty \left( A_n - \frac{4 L^4}{c^2n^4\pi^4} \right)\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) = x^2(3L-2x) \ . Ini adalah deret Fourier kosinus dari x2(3L2x)\displaystyle x^2(3L-2x). Dengan demikian,

A0=1L0Lx2(3L2x)dx=1L(Lx312x4)|0L=L32A_0 = \frac{1}{L}\int_0^L x^2(3L-2x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{L}\left( Lx^3 - \frac{1}{2} x^4\right)\bigg|_0^L = \frac{L^3}{2} dan, dengan menggunakan integrasi parsial,

An4L4c2n4π4=2L0Lx2(3L2x)cos(nπxL)dx=(2nπx2(3L2x)sin(nπxL))|0L12nπ0L(Lxx2)sin(nπxL)dx=(12Ln2π2(Lxx2)cos(nπxL))|0L12Ln2π20L(L2x)cos(nπxL)dx=(12L2n3π3(L2x)sin(nπxL))|0L24L2n3π30Lsin(nπxL)dx=24L3n4π4cos(nπxL)|0L=24L3n4π4((1)n1).\begin{aligned} A_n - \frac{4 L^4}{c^2n^4\pi^4} &= \frac{2}{L}\int_0^L x^2(3L-2x) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \left(\frac{2}{n\pi} x^2(3L-2x) \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\right)\bigg|_0^L - \frac{12}{n\pi} \int_0^L \left(Lx-x^2\right) \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\,\mathrm{d}{x} \\ &= \left( \frac{12L}{n^2\pi^2} \left(Lx-x^2\right) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\right)\bigg|_0^L - \frac{12L}{n^2\pi^2} \int_0^L \left(L-2x\right) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= - \left( \frac{12L^2}{n^3\pi^3} \left(L-2x\right) \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \right)\bigg|_0^L - \frac{24L^2}{n^3\pi^3} \int_0^L \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \frac{24L^3}{n^4\pi^4} \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\bigg|_0^L = \frac{24L^3}{n^4\pi^4} \left( (-1)^n -1 \right) \ . \end{aligned} Oleh karena itu,

An=24L3n4π4((1)n1)+4L4c2n4π4,n>0.A_n = \frac{24L^3}{n^4\pi^4}\left((-1)^n-1\right) + \frac{4L^4}{c^2n^4\pi^4}, \qquad n>0.

Dari

ut(x,0)=sin2(πxL)=1212cos(2πxL),\frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) = \sin^2\left(\frac{\pi x}{L}\right) = \frac{1}{2} - \frac{1}{2}\cos\left(\frac{2 \pi x}{L}\right) \ , diperoleh

B0+n=1BncnπLcos(nπxL)=1212cos(2πxL).B_0 + \sum_{n=1}^\infty B_n\frac{cn\pi}{L}\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) = \frac{1}{2} - \frac{1}{2}\cos\left(\frac{2 \pi x}{L}\right) \ . Ini adalah deret Fourier kosinus dari 1212cos(2πxL)\displaystyle \frac{1}{2} - \frac{1}{2}\cos\left(\frac{2 \pi x}{L}\right). Berdasarkan ketunggalan representasi deret Fourier, kita mempunyai

B0=12,Bn={L4cπjikan=2,0selainnya.B_0=\frac{1}{2}, \qquad B_n = \begin{cases} \displaystyle-\frac{L}{4c\pi} & \quad \text{jika} \ n=2 \ ,\\[0.7em] 0 & \quad \text{selainnya} \ . \end{cases}

Solusi persamaan gelombang nonhomogen tersebut adalah

u(x,t)=L23t2+t2+L32+n=1[(24L3n4π4((1)n1)+4L4c2n4π4)cos(cnπtL)4L4c2n4π4]cos(nπxL)L4cπsin(2cπtL)cos(2πxL).\begin{aligned} u(x,t) &= \frac{L^2}{3}\,t^2 + \frac{t}{2} + \frac{L^3}{2} \\ &\quad + \sum_{n=1}^\infty \left[ \left(\frac{24L^3}{n^4\pi^4}\left((-1)^n-1\right) +\frac{4L^4}{c^2n^4\pi^4}\right) \cos\left(\frac{cn\pi t}{L}\right) -\frac{4L^4}{c^2n^4\pi^4} \right]\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \\ &\quad -\frac{L}{4c\pi}\sin\left(\frac{2c\pi t}{L}\right) \cos\left(\frac{2\pi x}{L}\right) \ . \end{aligned}

Dapat ditunjukkan bahwa deret yang merepresentasikan uu dan semua turunan parsialnya yang berorde total paling tinggi 22 konvergen mutlak dan seragam secara lokal untuk 0<x<L0<x<L dan t>0t>0.

Catatan.

Dengan pemisahan variabel, untuk setiap k>0k>0 kita memperoleh mode terpisah persamaan gelombang homogen berkecepatan cc, 2ut2c22ux2=0\displaystyle\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}}-c^2\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}}=0, yang berbentuk

u(x,t)=(Acos(ckt)+Bsin(ckt))(Ccos(kx)+Dsin(kx)).u(x,t) = (A \cos (ckt) + B \sin (ckt))(C \cos (kx) + D \sin(kx)) \ . Superposisi yang sesuai dari mode-mode tersebut memberikan solusi. Untuk c=1c=1, pernyataan ini mencakup persamaan (7.4.2).

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.

← Kembali ke Program Matematika