Calor e séries de Fourier

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

TLDR

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Dirichlet ou Neumann

Em 0<x<L0<x<L, t>0t>0, com ut=kuxxu_t=ku_{xx}, k>0k>0 e dado inicial u(x,0)=f(x)u(x,0)=f(x):

  • Extremidades a zero, u(0,t)=u(L,t)=0u(0,t)=u(L,t)=0: usa senos, sem modo constante.
  • Extremidades isoladas, ux(0,t)=ux(L,t)=0u_x(0,t)=u_x(L,t)=0: usa cossenos, incluindo o modo constante a0/2a_0/2, que é a média inicial e não decai.
u(x,t)=∑n≥1Bne−k(nπ/L)2tsin⁡nπxL,Bn=2L∫0Lf(x)sin⁡nπxL dx.u(x,t)=\sum_{n\ge1}B_ne^{-k(n\pi/L)^2t}\sin\frac{n\pi x}{L},\qquad B_n=\frac2L\int_0^Lf(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx. u(x,t)=a02+∑n≥1ane−k(nπ/L)2tcos⁡nπxL,a02=1L∫0Lf(x) dx.u(x,t)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n\ge1}a_ne^{-k(n\pi/L)^2t}\cos\frac{n\pi x}{L},\qquad \frac{a_0}{2}=\frac1L\int_0^Lf(x)\,dx.

Para n≥1n\ge1, os coeficientes de Neumann são

an=2L∫0Lf(x)cos⁡nπxL dx.a_n=\frac2L\int_0^Lf(x)\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx.
  • A taxa do modo nn é k(nπ/L)2k(n\pi/L)^2. O modo 3 decai 9 vezes mais depressa que o fundamental: os detalhes finos desaparecem primeiro.
  • Para t>0t>0, o decaimento permite derivar a série no interior. Dados incompatíveis com a fronteira impedem continuidade no canto t=0t=0 dessa fronteira.
  • Nos saltos do dado inicial, a série vale a média dos limites laterais.

Exemplo Dirichlet

Para L=πL=\pi, k=1k=1 e f=x(π−x)f=x(\pi-x):

Bn={8/(πn3),n ıˊmpar,0,n par.B_n=\begin{cases}8/(\pi n^3),&n\text{ ímpar},\\0,&n\text{ par}. \end{cases}

O primeiro modo, 8sin⁡x/π8\sin x/\pi, excede a parábola no centro; o modo n=3n=3, negativo aí, corrige parte do excesso. Depois de alguns instantes, o primeiro modo já aproxima bem o perfil.

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

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