Calor e séries de Fourier

Equação do calor com Dirichlet e Neumann, séries de senos e cossenos e dados por troços.

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A barra 0<x<π0<x<\pi começa com temperatura f(x)=x(π−x)f(x)=x(\pi-x) e tem extremidades mantidas a zero. Este perfil não é um seno. Precisamos de o decompor em modos que satisfaçam as fronteiras e acompanhar como cada modo arrefece.

Dirichlet e série de senos

Em 0<x<L0<x<L, ut=kuxxu_t=k u_{xx}, com k>0k>0, u(0,t)=u(L,t)=0u(0,t)=u(L,t)=0 e u(x,0)=f(x)u(x,0)=f(x), procura u=X(x)T(t)u=X(x)T(t). A separação dá T′/kT=X′′/X=−λT'/kT=X''/X=-\lambda. Com X(0)=X(L)=0X(0)=X(L)=0, os valores próprios são λn=(nπ/L)2\lambda_n=(n\pi/L)^2 e Xn=sin⁡(nπx/L)X_n=\sin(n\pi x/L), n=1,2,…n=1,2,\ldots. Cada modo é

un=e−k(nπ/L)2tsin⁡nπxL.u_n=e^{-k(n\pi/L)^2t}\sin\frac{n\pi x}{L}.

Por linearidade, soma modos:

u(x,t)=∑n=1∞Bne−k(nπ/L)2tsin⁡nπxL.u(x,t)=\sum_{n=1}^{\infty}B_n e^{-k(n\pi/L)^2t}\sin\frac{n\pi x}{L}.

Em t=0t=0, os coeficientes são a série de senos de ff:

Bn=2L∫0Lf(x)sin⁡nπxL dx.B_n=\frac{2}{L}\int_0^L f(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx.

Multiplica a série inicial por sin⁡(mπx/L)\sin(m\pi x/L) e integra. A ortogonalidade elimina todos os termos com n≠mn\ne m:

∫0Lsin⁡nπxLsin⁡mπxL dx={0,n≠m,L/2,n=m.\int_0^L\sin\frac{n\pi x}{L}\sin\frac{m\pi x}{L}\,dx =\begin{cases}0,&n\ne m,\\L/2,&n=m.\end{cases}

Resta BmL/2B_mL/2, o que explica o fator 2/L2/L. Para dados de classe C1C^1 por troços, a série recupera o valor nos pontos interiores de continuidade e a média dos limites laterais nos saltos. Para t>0t>0, o decaimento exponencial permite derivar a série no interior e verificar a EDP. Um dado incompatível com a fronteira não produz uma solução contínua no canto t=0t=0 dessa fronteira.

Dado não modal

Com L=πL=\pi, k=1k=1 e f(x)=x(π−x)f(x)=x(\pi-x), o dado é uma parábola, não um seno. Os coeficientes são

Bn=2π∫0πx(π−x)sin⁡(nx) dx.B_n=\frac{2}{\pi}\int_0^{\pi}x(\pi-x)\sin(nx)\,dx.

Seja In=∫0πx(π−x)sin⁡(nx) dxI_n=\int_0^\pi x(\pi-x)\sin(nx)\,dx. O termo de fronteira da primeira integração por partes é zero, porque a parábola se anula nas extremidades:

In=1n∫0π(π−2x)cos⁡(nx) dx=2n2∫0πsin⁡(nx) dx=2(1−(−1)n)n3.I_n=\frac1n\int_0^\pi(\pi-2x)\cos(nx)\,dx =\frac2{n^2}\int_0^\pi\sin(nx)\,dx =\frac{2(1-(-1)^n)}{n^3}.

Na segunda passagem, o termo com sin⁡(nx)\sin(nx) também se anula nas extremidades. Assim, Bn=2In/πB_n=2I_n/\pi vale 8/(πn3)8/(\pi n^3) para nn ímpar e 00 para nn par. Em particular,

B1=8/π≈2,546,B3=8/(27π)≈0,094.B_1=8/\pi\approx2{,}546,\qquad B_3=8/(27\pi)\approx0{,}094.

A solução é

u(x,t)=8π∑m≥0e−(2m+1)2t(2m+1)3sin⁡((2m+1)x).u(x,t)=\frac{8}{\pi}\sum_{m\ge0}\frac{e^{-(2m+1)^2t}}{(2m+1)^3}\sin((2m+1)x).

Cada modo satisfaz a EDP e as fronteiras; em t=0t=0 a série reproduz a parábola. Um só modo erraria o dado inicial: o primeiro modo excede a parábola no centro, e o modo n=3n=3, negativo aí, corrige parte da diferença.

A taxa de decaimento do modo nn é n2n^2: o modo 3 decai 9 vezes mais depressa que o fundamental. Por isso, os detalhes finos do dado inicial desaparecem primeiro e o perfil fica suave depressa, mesmo quando o dado tem um salto.

O gráfico compara o dado com o primeiro modo, nas mesmas escalas. Depois de alguns instantes, o primeiro modo já aproxima bem o perfil, porque os termos seguintes decaíram quase por completo.

A parábola e o primeiro modo de FourierEntre zero e pi, o dado x vezes pi menos x e o primeiro modo oito sobre pi vezes seno de x têm extremos nulos. No centro, o modo vale cerca de 2,546 e excede o dado, cerca de 2,467.Temperatura01230π/2π
Dado: x(π − x). Primeiro modo: (8/π) sin(x).No centro: π²/4 ≈ 2,467 e 8/π ≈ 2,546.

Neumann e o modo constante

Com extremidades isoladas, ux(0,t)=ux(L,t)=0u_x(0,t)=u_x(L,t)=0, os modos são cossenos, incluindo n=0n=0:

u(x,t)=a02+∑n=1∞ane−k(nπ/L)2tcos⁡nπxL,u(x,t)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}a_n e^{-k(n\pi/L)^2t}\cos\frac{n\pi x}{L}, an=2L∫0Lf(x)cos⁡nπxL dx.a_n=\frac{2}{L}\int_0^L f(x)\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx.

Para L=2L=2 e f(x)=xf(x)=x em 0<x<10<x<1, f=0f=0 em 1<x<21<x<2, a média é 1/41/4 e an=∫01xcos⁡(nπx/2) dxa_n=\int_0^1x\cos(n\pi x/2)\,dx.

Escrevendo ωn=nπ/2\omega_n=n\pi/2, a primitiva por partes dá

an=sin⁡ωnωn+cos⁡ωn−1ωn2,n≥1.a_n=\frac{\sin\omega_n}{\omega_n}+\frac{\cos\omega_n-1}{\omega_n^2},\qquad n\ge1.

Por exemplo, a1=2/π−4/π2a_1=2/\pi-4/\pi^2 e a2=−2/π2a_2=-2/\pi^2. No salto x=1x=1, a série inicial converge para 1/21/2. Para t>0t>0, o perfil fica suave e tende à média 1/41/4 quando t→∞t\to\infty.

A conservação da média confirma o modo constante:

ddt∫0Lu(x,t) dx=k(ux(L,t)−ux(0,t))=0.\frac d{dt}\int_0^L u(x,t)\,dx =k\bigl(u_x(L,t)-u_x(0,t)\bigr)=0.

Os cossenos impõem derivada nula nas extremidades, enquanto os senos imporiam valor nulo. São problemas físicos diferentes.

Exercícios

Calor com dado não modal

Resolve ut=uxxu_t=u_{xx} em 0<x<π0\lt x\lt\pi, com u(0,t)=u(π,t)=0u(0,t)=u(\pi,t)=0 e u(x,0)=x(π−x)u(x,0)=x(\pi-x).

Pista

Usa u=∑Bne−n2tsin⁡(nx)u=\sum B_n e^{-n^2t}\sin(nx).

Solução

A ortogonalidade dá

Bn=2/π∫0πx(π−x)sin⁡(nx) dx.B_n=2/\pi\int_0^\pi x(\pi-x)\sin(nx)\,dx.

Por partes, os termos de fronteira anulam-se e

In=1n∫0π(π−2x)cos⁡(nx) dx=2n2∫0πsin⁡(nx) dx=2(1−(−1)n)n3.I_n=\frac1n\int_0^\pi(\pi-2x)\cos(nx)\,dx =\frac2{n^2}\int_0^\pi\sin(nx)\,dx =\frac{2(1-(-1)^n)}{n^3}.

Assim, Bn=8/(πn3)B_n=8/(\pi n^3) nos ímpares e zero nos pares. Fica

u=8/π∑m≥0e−(2m+1)2tsin⁡((2m+1)x)/(2m+1)3.u=8/\pi\sum_{m\ge0}e^{-(2m+1)^2t}\sin((2m+1)x)/(2m+1)^3.

Em t=0t=0 recupera o dado; cada modo decai com e−n2te^{-n^2t}.

Confere a tua resposta:

  • Escrevi o dado como série de senos.
  • Calculei os coeficientes por ortogonalidade.
  • Verifiquei EDP, fronteiras e t=0.

Erros frequentes

Um só modo não reproduz esta parábola. Sem a série, o dado inicial falha.

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Uma barra isolada conserva a média

Resolve ut=uxxu_t=u_{xx} em 0<x<20<x<2, para t>0t>0, com ux(0,t)=ux(2,t)=0u_x(0,t)=u_x(2,t)=0. O dado inicial é f(x)=xf(x)=x em 0<x<10<x<1 e f(x)=0f(x)=0 em 1<x<21<x<2. Escreve a série, calcula a temperatura limite e indica o valor da série inicial no salto.

Pista
Calcula a média antes dos coeficientes não constantes.
Solução

A média é 12∫01x dx=1/4\frac12\int_0^1x\,dx=1/4. Os modos isolados são cossenos:

u=14+∑n≥1ane−(nπ/2)2tcos⁡(nπx/2).u=\frac14+\sum_{n\ge1}a_ne^{-(n\pi/2)^2t}\cos(n\pi x/2).

Para ωn=nπ/2\omega_n=n\pi/2, integrar por partes dá an=sin⁡(ωn)/ωn+(cos⁡(ωn)−1)/ωn2a_n=\sin(\omega_n)/\omega_n+(\cos(\omega_n)-1)/\omega_n^2. Todos os termos não constantes decaem e a temperatura tende a 1/41/4. A série em t=0t=0, no salto x=1x=1, vale (1+0)/2=1/2(1+0)/2=1/2. A conservação segue de ddt∫02u dx=ux(2,t)−ux(0,t)=0\frac d{dt}\int_0^2u\,dx=u_x(2,t)-u_x(0,t)=0.

Confere a tua resposta:

  • Escolhi cossenos e incluí o modo constante.
  • Calculei a média do dado por troços.
  • Justifiquei o limite quando o tempo cresce.
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