Persamaan Gelombang Nonhomogen

Batas sumber. Bagian ini mengikat wave_equ.tex baris 390-600 pada sumber beku.

Persamaan Gelombang Nonhomogen

Perhatikan persamaan gelombang nonhomogen

2ut2c22ux2=F(x,t),t>0danx,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - c^2 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = F(x,t) \quad , \quad t >0 \ \text{dan} \ x \in \mathbb{R}\ , dengan syarat awal

u(x,0)=f(x)danut(x,0)=g(x),x.u(x,0)= f(x) \quad \text{dan} \quad \frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) = g(x) \quad , \quad x \in \mathbb{R}\ . Mulai sekarang, kita mengasumsikan bahwa FF, ff, dan gg cukup mulus.

Untuk mencari solusi persoalan ini, kita menggunakan rumus integral Green

K(QxPt)dxdt=KPdx+Qdt,\iint_K \left( \frac{\partial{Q}}{\partial x} - \frac{\partial{P}}{\partial t} \right) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{t} = \int_{\partial K} P \,\mathrm{d}{x} + Q \,\mathrm{d}{t} \ , di mana PP dan QQ adalah fungsi yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu himpunan terbuka yang memuat K2\displaystyle K \subset \mathbb{R}^2, dan K\partial K merupakan batas berorientasi positif. Daerah K=Kx0,t0K = K_{x_0,t_0} yang kita tinjau digambarkan pada Gambar 7.5.

Daerah determinasi segitiga karakteristik K_(x_0,t_0) untuk persamaan gelombang nonhomogen.

Dari (7.2.1), kita memperoleh

Kx0,t0F(x,t)dxdt=Kx0,t0(c22ux22ut2)dxdt=Γutdx+c2uxdt,-\iint_{K_{x_0,t_0}} F(x,t) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{t} = \iint_{K_{x_0,t_0}} \left( c^2 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} - \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} \right) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{t} = \int_{\Gamma} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} \ , di mana kita telah menggunakan rumus integral Green (7.2.3) dengan P=ut\displaystyle P = \frac{\partial{u}}{\partial t} dan Q=c2ux\displaystyle Q = c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x}, serta Γ=γ1+γ2+γ3\Gamma = \gamma_1 + \gamma_2 + \gamma_3 merupakan batas berorientasi positif dari Kx0,t0K_{x_0,t_0} seperti yang digambarkan pada Gambar 7.5.

Pada γ1\gamma_1, kita menggunakan representasi parametrik (x,t)=(x,0)(x,t) = (x,0) untuk x0ct0xx0+ct0x_0-ct_0 \leq x \leq x_0+ct_0 sehingga diperoleh

γ1utdx+c2uxdt=x0ct0x0+ct0g(x)dx\int_{\gamma_1} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} = \int_{x_0-ct_0}^{x_0+ct_0} g(x) \,\mathrm{d}{x} karena ut(x,0)=g(x)\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) = g(x) untuk xx\in \mathbb{R}. Pada γ2\gamma_2, kita menggunakan representasi parametrik (x,t)=(ct+x0+ct0,t)(x,t) = (-ct+x_0+ct_0,t) untuk 0tt00 \leq t \leq t_0 sehingga diperoleh

γ2utdx+c2uxdt=c0t0(utcux)dt=c0t0du(ct+x0+ct0,t)dtdt=c(u(x0,t0)u(x0+ct0,0))=c(u(x0,t0)f(x0+ct0))\begin{aligned} \int_{\gamma_2} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} & = -c \int_0^{t_0} \left( \frac{\partial{u}}{\partial t} - c \frac{\partial{u}}{\partial x} \right) \,\mathrm{d}{t} = -c \int_0^{t_0} \frac{\mathrm{d}u(-ct+x_0+ct_0,t)}{\mathrm{d}{t}} \,\mathrm{d}{t} \\ & = -c \left( u(x_0,t_0) - u(x_0+ct_0,0) \right) = -c \left( u(x_0,t_0) - f(x_0+ct_0) \right) \end{aligned} karena u(x,0)=f(x)\displaystyle u(x,0) = f(x) untuk xx \in \mathbb{R}. Pada γ3\gamma_3, kita menggunakan representasi parametrik (x,t)=(c(t0t)+x0ct0,t0t)(x,t) = (c(t_0-t)+x_0-ct_0,t_0-t) untuk 0tt00 \leq t \leq t_0 sehingga diperoleh

γ3utdx+c2uxdt=c0t0(ut+cux)dt=c0t0du(c(t0t)+x0ct0,t0t)dtdt=c(u(x0ct0,0)u(x0,t0))=c(f(x0ct0)u(x0,t0))\begin{aligned} \int_{\gamma_3} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} & = -c \int_0^{t_0} \left( \frac{\partial{u}}{\partial t} + c \frac{\partial{u}}{\partial x} \right) \,\mathrm{d}{t} = c \int_0^{t_0} \frac{\mathrm{d}u(c(t_0-t)+x_0-ct_0,t_0-t)}{\mathrm{d}{t}} \,\mathrm{d}{t} \\ & = c \left( u(x_0-ct_0,0) - u(x_0,t_0) \right) = c \left( f(x_0-ct_0) -u(x_0,t_0) \right) \end{aligned} karena u(x,0)=f(x)\displaystyle u(x,0) = f(x) untuk xx \in \mathbb{R}.

Dengan demikian,

Kx0,t0F(x,t)dxdt=γ1utdx+c2uxdt+γ2utdx+c2uxdt+γ3utdx+c2uxdt=x0ct0x0+ct0g(x)dx+c(f(x0ct0)+f(x0+ct0))2cu(x0,t0).\begin{aligned} -\iint_{K_{x_0,t_0}} F(x,t) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{t} & = \int_{\gamma_1} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} + \int_{\gamma_2} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} + \int_{\gamma_3} \frac{\partial{u}}{\partial t} \,\mathrm{d}{x} + c^2 \frac{\partial{u}}{\partial x} \,\mathrm{d}{t} \\ &= \int_{x_0-ct_0}^{x_0+ct_0} g(x) \,\mathrm{d}{x} + c \left( f(x_0-ct_0) + f(x_0+ct_0) \right) -2c u(x_0,t_0) \ . \end{aligned} Jika kita menyelesaikannya untuk u(x0,t0)u(x_0,t_0), maka kita memperoleh

u(x0,t0)=12(f(x0ct0)+f(x0+ct0))+12cx0ct0x0+ct0g(x)dx+12cKx0,t0F(x,t)dxdtu(x_0,t_0) = \frac{1}{2} \left(f(x_0-ct_0) + f(x_0+ct_0)\right) + \frac{1}{2c} \int_{x_0-ct_0}^{x_0+ct_0} g(x)\,\mathrm{d}{x} + \frac{1}{2c} \iint_{K_{x_0,t_0}} F(x,t) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{t}

Hasil ini menyarankan solusi u=u1+u2u = u_1 + u_2 untuk (7.2.1) dan (7.2.2), di mana

u1(x,t)=12(f(xct)+f(x+ct))+12cxctx+ctg(s)dsu_1(x,t) = \frac{1}{2} \left(f(x-ct) + f(x+ct)\right) + \frac{1}{2c} \int_{x-ct}^{x+ct} g(s)\,\mathrm{d}{s} merupakan solusi persamaan gelombang homogen (7.1.1) dengan (7.1.2), sedangkan

u2(x,t)=12cKx,tF(z,s)dzds=12c0txc(ts)x+c(ts)F(z,s)dzds.u_2(x,t) = \frac{1}{2c} \iint_{K_{x,t}} F(z,s) \,\mathrm{d}{z}\,\mathrm{d}{s} = \frac{1}{2c} \int_0^t \int_{x-c(t-s)}^{x+c(t-s)} F(z,s)\,\mathrm{d}{z}\,\mathrm{d}{s} \ .

Untuk membuktikan bahwa uu benar-benar merupakan solusi persamaan gelombang nonhomogen kita, kita perlu membuktikan bahwa u2u_2 memenuhi (7.2.1) dengan syarat awal u2(x,0)=0\displaystyle u_2(x,0)= 0 dan u2t(x,0)=0\displaystyle\frac{\partial{u_2}}{\partial t}(x,0) = 0 untuk xx \in \mathbb{R}. Untuk membuktikannya, kita perlu menggunakan Teorema Dasar Kalkulus beberapa kali. Jelas bahwa u2(x,0)=0u_2(x,0) =0. Kita juga memiliki

u2t(x,t)=12cxxF(z,t)dz+120t(F(x+c(ts),s)+F(xc(ts),s))ds=120t(F(x+c(ts),s)+F(xc(ts),s))ds.\begin{aligned} \frac{\partial{u_2}}{\partial t}(x,t) &= \frac{1}{2c} \int_{x}^{x} F(z,t)\,\mathrm{d}{z} + \frac{1}{2} \int_0^t \big( F(x+c(t-s),s) + F(x-c(t-s),s) \big) \,\mathrm{d}{s} \\ &= \frac{1}{2} \int_0^t \big( F(x+c(t-s),s) + F(x-c(t-s),s) \big) \,\mathrm{d}{s} \ . \end{aligned} Jadi, u2t(x,0)=0\displaystyle\frac{\partial{u_2}}{\partial t}(x,0) = 0 sebagaimana diinginkan. Lebih lanjut,

2u2t2(x,t)=F(x,t)+c20t(Fx(x+c(ts),s)Fx(xc(ts),s))ds.\frac{\displaystyle \partial^{2}{u_2}}{\displaystyle \partial t^{2}}(x,t) = F(x,t) + \frac{c}{2} \int_0^t \left( \frac{\partial{F}}{\partial x}(x+c(t-s),s) - \frac{\partial{F}}{\partial x}(x-c(t-s),s) \right) \,\mathrm{d}{s} \ . Dengan cara yang sama,

u2x(x,t)=12c0t(F(x+c(ts),s)F(xc(ts),s))ds\frac{\partial{u_2}}{\partial x}(x,t) = \frac{1}{2c} \int_0^t \left( F(x+c(t-s),s) - F(x-c(t-s),s) \right) \,\mathrm{d}{s} dan

2u2x2(x,t)=12c0t(Fx(x+c(ts),s)Fx(xc(ts),s))ds.\frac{\displaystyle \partial^{2}{u_2}}{\displaystyle \partial x^{2}}(x,t) = \frac{1}{2c} \int_0^t \left( \frac{\partial{F}}{\partial x}(x+c(t-s),s) - \frac{\partial{F}}{\partial x}(x-c(t-s),s) \right) \,\mathrm{d}{s} \ . (7.2.1) diperoleh dari (7.2.4) dan (7.2.5).

Catatan.

Pada Bagian 8.6 (rujukan ke bab mendatang), kita akan memperkenalkan metode lain, yaitu prinsip Duhamel, untuk menyelesaikan persamaan gelombang nonhomogen.

Contoh.

Selesaikan persamaan gelombang nonhomogen

2ut242ux2=ex+sin(t),xdant>0,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - 4 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = e^x + \sin(t) \quad , \quad x\in \mathbb{R}\ \text{dan} \ t>0 \ , dengan syarat awal u(x,0)=0\displaystyle u(x,0) = 0 dan ut(x,0)=11+x2\displaystyle\frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) = \frac{1}{1+x^2} untuk xx \in \mathbb{R}.

Solusinya diberikan oleh

u(x,t)=12(f(xct)+f(x+ct))+12cxctx+ctg(s)ds+12c0txc(ts)x+c(ts)F(z,s)dzds,u(x,t) = \frac{1}{2} \left(f(x-ct) + f(x+ct)\right) + \frac{1}{2c} \int_{x-ct}^{x+ct} g(s)\,\mathrm{d}{s} + \frac{1}{2c} \int_0^t \int_{x-c(t-s)}^{x+c(t-s)} F(z,s)\,\mathrm{d}{z}\,\mathrm{d}{s} \ , dengan c=2c=2, f(x)=0f(x)=0 untuk semua xx \in \mathbb{R}, g(x)=1/(1+x2)\displaystyle g(x) = 1/(1+x^2) untuk semua xx\in \mathbb{R}, dan F(x,t)=ex+sin(t)\displaystyle F(x,t) = e^x + \sin(t). Kita memperoleh

u(x,t)=14x2tx+2t11+s2ds+140tx2(ts)x+2(ts)(ez+sin(s))dzds=14arctan(s)|x2tx+2t+140t(ex+2(ts)ex2(ts)+4(ts)sin(s))ds=14(arctan(x+2t)arctan(x2t))+18(ex+2t+ex2t)ex4+tsin(t).\begin{aligned} u(x,t) &= \frac{1}{4} \int_{x-2t}^{x+2t} \frac{1}{1+s^2} \,\mathrm{d}{s} + \frac{1}{4} \int_0^t \int_{x-2(t-s)}^{x+2(t-s)} (e^z + \sin(s)) \,\mathrm{d}{z}\,\mathrm{d}{s} \\ &= \frac{1}{4} \arctan(s) \bigg|_{x-2t}^{x+2t} + \frac{1}{4} \int_0^t \left(e^{x+2(t-s)} - e^{x-2(t-s)} + 4(t-s)\sin(s) \right) \,\mathrm{d}{s} \\ &= \frac{1}{4} \left( \arctan(x+2t) - \arctan(x-2t) \right) + \frac{1}{8} \left( e^{x+2t} + e^{x-2t} \right) - \frac{e^x}{4} + t - \sin(t) \ . \end{aligned}

Catatan.

Untuk contoh sebelumnya, terdapat pendekatan yang lebih langsung untuk menyelesaikan persamaan gelombang nonhomogen.

Mudah dilihat bahwa u1(x,t)=sin(t)u_1(x,t)=-\sin(t) merupakan solusi dari

2ut242ux2=sin(t),x dan t>0,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - 4 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = \sin(t) \quad , \quad x\in \mathbb{R}\text{ dan } t>0 \ , dan u2(x,t)=ex/4\displaystyle u_2(x,t)= - e^x/4 merupakan solusi dari

2ut242ux2=ex,xdant>0.\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - 4 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = e^x \quad , \quad x\in \mathbb{R}\ \text{dan} \ t>0 \ . Oleh karena itu, solusi masalah nonhomogen pada contoh sebelumnya adalah u=u1+u2+u3u = u_1 + u_2 + u_3, dengan u3u_3 merupakan solusi persamaan gelombang homogen

2ut242ux2=0,xdant>0,\frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial t^{2}} - 4 \frac{\displaystyle \partial^{2}{u}}{\displaystyle \partial x^{2}} = 0 \quad , \quad x\in \mathbb{R}\ \text{dan} \ t>0 \ , dengan syarat awal

u(x,0)=0u1(x,0)u2(x,0)=ex4danut(x,0)=11+x2u1t(x,0)u2t(x,0)=11+x2+1.\begin{aligned} u(x,0) &= 0 - u_1(x,0) - u_2(x,0) = \frac{e^x}{4} \\ &\text{dan}\\ \frac{\partial{u}}{\partial t}(x,0) &= \frac{1}{1+x^2} - \frac{\partial{u_1}}{\partial t}(x,0) - \frac{\partial{u_2}}{\partial t}(x,0) = \frac{1}{1+x^2} + 1 \ . \end{aligned} Kita memperoleh

u3(x,t)=12(ex2t4+ex+2t4)+14x2tx+2t(11+s2+1)ds=ex2t8+ex+2t8+14(arctan(s)+s)|x2tx+2t=ex2t8+ex+2t8+14(arctan(x+2t)arctan(x2t))+t.\begin{aligned} u_3(x,t) &= \frac{1}{2}\left( \frac{e^{x-2t}}{4} + \frac{e^{x+2t}}{4} \right) + \frac{1}{4} \int_{x-2t}^{x+2t} \left( \frac{1}{1+s^2} + 1 \right)\,\mathrm{d}{s} \\ &= \frac{e^{x-2t}}{8} + \frac{e^{x+2t}}{8} + \frac{1}{4} \left(\arctan(s) + s\right)\bigg|_{x-2t}^{x+2t} \\ &= \frac{e^{x-2t}}{8} + \frac{e^{x+2t}}{8} + \frac{1}{4} \left(\arctan(x+2t) - \arctan(x-2t)\right) + t \ . \end{aligned}

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