Equações diferenciais parciais

EDP lineares, soluções gerais e particulares, dados iniciais, transporte e separação de variáveis.

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Na equação ut=uxxu_t=u_{xx}, a incógnita é a temperatura u(x,t)u(x,t) de uma barra. A derivada utu_t mede a mudança no tempo; uxxu_{xx} mede a curvatura do perfil espacial. A igualdade impõe uma relação entre essas mudanças, sem escolher por si só uma temperatura inicial.

Uma equação diferencial parcial, ou EDP, relaciona uma função de várias variáveis com as suas derivadas parciais. Para resolver um problema concreto, juntamos à equação os dados iniciais e de fronteira.

Classificação em segunda ordem

Para uma equação de segunda ordem com coeficientes constantes da forma

Auxx+Buxy+Cuyy+(termos de ordem menor)=0,Au_{xx}+Bu_{xy}+Cu_{yy}+\text{(termos de ordem menor)}=0,

o discriminante B2−4ACB^2-4AC decide o tipo: hiperbólica se >0>0, parabólica se =0=0, elíptica se <0<0. Aqui BB é o coeficiente de uxyu_{xy} na forma escrita sem fator 22 à parte; se a equação aparecer como Auxx+2B′uxy+CuyyAu_{xx}+2B'u_{xy}+Cu_{yy}, usa B=2B′B=2B'. Por exemplo, 3uxx+5uxy+uyy=03u_{xx}+5u_{xy}+u_{yy}=0 tem 25−12=13>025-12=13>0 e é hiperbólica; uxx+uxy+uyy=0u_{xx}+u_{xy}+u_{yy}=0 tem 1−4<01-4<0 e é elíptica. A ficha 5.36 usa esta convenção. O tipo sugere o comportamento: propagação, difusão ou equilíbrio.

Ordem, linearidade e dados

A ordem é a maior ordem de derivação presente. ux+uy=0u_x+u_y=0 é de primeira ordem; ut=αuxxu_t=\alpha u_{xx} é de segunda ordem.

A EDP é linear quando uu e as suas derivadas aparecem à primeira potência, sem produtos entre elas, e os coeficientes dependem só das variáveis independentes. xux+uy=sin⁡xxu_x+u_y=\sin x é linear; uux=1uu_x=1 e (ux)2+uy=0(u_x)^2+u_y=0 não são. Linear não significa que a solução tenha de ser uma função linear.

Uma EDP linear é homogénea se o termo independente é zero. Combinações lineares de soluções de uma equação homogénea continuam a ser soluções. Numa equação não homogénea, a soma de duas soluções geralmente duplica o termo independente e deixa de ser solução. A solução geral pode escrever-se como uma solução particular mais a solução geral da equação homogénea associada.

Os dados iniciais fixam a função num instante, como u(x,0)=g(x)u(x,0)=g(x). Os dados de fronteira fixam valores ou derivadas na fronteira espacial. A EDP sozinha pode ter infinitas soluções; os dados restringem a escolha.

Integrar numa variável

Trabalhamos num domínio retangular, para que cada corte na variável de integração seja um intervalo. Para ux=2xyu_x=2xy, integra em xx, tratando yy como constante:

u(x,y)=x2y+A(y).u(x,y)=x^2y+A(y).

A constante de integração pode depender de yy, porque a derivada parcial em xx a elimina. Esta é a solução geral, com AA diferenciável quando necessário. Se u(0,y)=sin⁡yu(0,y)=\sin y, então A(y)=sin⁡yA(y)=\sin y, e obtemos a solução particular u=x2y+sin⁡yu=x^2y+\sin y.

Para uxy=0u_{xy}=0, primeiro ux=A(x)u_x=A(x) porque a derivada em yy é zero; integrar em xx dá u=B(x)+C(y)u=B(x)+C(y). Confirma derivando. Escrever só uma constante excluiria muitas soluções válidas.

Transporte e características

Na reta espacial x∈Rx\in\mathbb R, considera ut+cux=0u_t+c u_x=0, com velocidade constante cc e solução de classe C1C^1. Ao seguir uma linha x(t)=x0+ctx(t)=x_0+ct, a cadeia dá

ddtu(x0+ct,t)=cux+ut=0.\frac{d}{dt}u(x_0+ct,t)=c u_x+u_t=0.

Portanto, o valor permanece constante em cada linha característica. A solução geral é u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct), e o dado inicial u(x,0)=g(x)u(x,0)=g(x) escolhe F=gF=g.

Com c=2c=2 e g(x)=e−x2g(x)=e^{-x^2}, a solução é u(x,t)=e−(x−2t)2u(x,t)=e^{-(x-2t)^2}. O máximo desloca-se de x=0x=0 para x=2tx=2t sem mudar de altura. Confere ut+2ux=0u_t+2u_x=0 derivando a expressão. O sinal x−ctx-ct corresponde a deslocamento para a direita se c>0c>0.

Um perfil que se desloca sem mudar de forma. Entre t = 0 e t = 2, o perfil exp(−(x − 2t)²) desloca-se quatro unidades para a direita. O tracejado mantém o perfil inicial exp(−x²). O ponto que parte de x = 1 acompanha a curva até x = 5, sempre à altura exp(−1). Os eixos permanecem fixos.

O tracejado mantém o perfil inicial. Para manter o mesmo argumento de gg, temos de manter x−2tx-2t constante, por isso xx aumenta quando tt aumenta. Segue o ponto que parte de x0=1x_0=1: na característica x=1+2tx=1+2t,

u(1+2t,t)=e−((1+2t)−2t)2=e−1.u(1+2t,t)=e^{-((1+2t)-2t)^2}=e^{-1}.

A altura não muda ao acompanhar esse ponto. Num xx fixo, pelo contrário, o valor de uu pode mudar à medida que o perfil passa.

Separação de variáveis na equação do calor

No intervalo 0<x<π0<x<\pi, para t≥0t\ge0, toma ut=uxxu_t=u_{xx} com extremidades mantidas a zero. Procura uma solução da forma u=X(x)T(t)u=X(x)T(t), um ensaio para encontrar soluções especiais:

XT′=X′′T⟹T′T=X′′X=−λ,XT'=X''T\quad\Longrightarrow\quad \frac{T'}T=\frac{X''}X=-\lambda,

nos pontos onde podemos dividir. O lado esquerdo depende só de tt e o direito só de xx, por isso são constantes. Obtemos X′′+λX=0X''+\lambda X=0 e T′+λT=0T'+\lambda T=0.

Se λ=0\lambda=0, XX é afim e as duas fronteiras obrigam X=0X=0. Se λ<0\lambda<0, a solução exponencial também só satisfaz ambas as fronteiras quando é nula. Resta λ>0\lambda>0: a solução é Acos⁡(λx)+Bsin⁡(λx)A\cos(\sqrt\lambda x)+B\sin(\sqrt\lambda x).

A primeira fronteira dá A=0A=0; a segunda exige sin⁡(λπ)=0\sin(\sqrt\lambda\pi)=0 para B≠0B\ne0. Assim, as condições X(0)=X(π)=0X(0)=X(\pi)=0 admitem modos não nulos Xn=sin⁡(nx)X_n=\sin(nx), com λ=n2\lambda=n^2 e n=1,2,…n=1,2,\ldots. Então

un(x,t)=e−n2tsin⁡(nx).u_n(x,t)=e^{-n^2t}\sin(nx).

Se u(x,0)=sin⁡xu(x,0)=\sin x, o primeiro modo dá u=e−tsin⁡xu=e^{-t}\sin x. Substituir confirma a EDP, os dados iniciais e as duas condições de fronteira. A amplitude diminui com o tempo. Uma combinação finita de modos também é solução. Quando o dado inicial não é um modo, como x(π−x)x(\pi-x), é preciso somar infinitos modos com coeficientes de Fourier; esse passo fica na página do calor. O mesmo acontece nas ondas com dois dados iniciais e em Laplace no retângulo.

Onda e equilíbrio

Na equação da onda utt=c2uxxu_{tt}=c^2u_{xx}, o modo u=sin⁡(nx)cos⁡(cnt)u=\sin(nx)\cos(cnt) satisfaz fronteiras nulas em 00 e π\pi, deslocamento inicial sin⁡(nx)\sin(nx) e velocidade inicial zero. A amplitude oscila em vez de decair. Como há segunda derivada no tempo, precisas de dois dados iniciais. A resolução com deslocamento e velocidade gerais fica na página das ondas.

Uma temperatura em equilíbrio satisfaz uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0, a equação de Laplace. A função u=x2−y2u=x^2-y^2 satisfaz esta equação, porque as segundas derivadas são 2 e −2-2. Para determinar uma solução num domínio concreto, falta especificar condições de fronteira. A resolução no retângulo com Dirichlet, Neumann e Robin fica na página de Laplace.

Verificar uma solução

Para aceitar uma expressão candidata, verifica separadamente:

  1. A regularidade necessária para as derivadas usadas.
  2. A igualdade da EDP depois de substituir as derivadas.
  3. Todos os dados iniciais e de fronteira, no domínio pedido.

Uma expressão que resolve a equação mas falha uma condição de fronteira não resolve o problema completo. Uma família de soluções separadas não é, por si só, uma demonstração de que encontrámos todas as soluções.

Exercícios

A constante é uma função

Resolve ux=2xyu_x=2xy com u(0,y)=sin⁡yu(0,y)=\sin y.

Pista

A derivada parcial em x elimina qualquer função que dependa só de y.

Mais uma pista
A solução geral é x2y+A(y)x^2y+A(y).
Solução

O dado impõe A(y)=sin y. Portanto, u=x2y+sin⁡yu=x^2y+\sin y. Derivar em x e avaliar em x=0 confirma as duas condições.

Confere a tua resposta:

  • Integrei em x mantendo y fixo.
  • Conservei uma função arbitrária de y.
  • Impus o dado e verifiquei.

Erros frequentes

Uma constante numérica excluiria a função sin y exigida pelo dado.

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O perfil desloca-se

Em ut+2ux=0u_t+2u_x=0 com perfil inicial e−x2e^{-x ^ 2}, onde está o máximo em t=3? Responde com a coordenada x.

Pista
A solução é uma translação do perfil inicial.
Solução
O máximo ocorre quando x−2t=0. Em t=3 está em x=6.

Erros frequentes

O sinal em x−2t significa deslocamento para a direita, não para a esquerda.

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Separar antes de impor dados

Em ut=uxxu_t=u_{xx}, procura u=X(x)T(t)u=X(x)T(t) não nula e escreve as equações para XX e TT.

Pista

Divide XT′=X′′TXT'=X''T por XTXT nos pontos onde o produto não é zero.

Mais uma pista
Chama −λ-\lambda à constante comum.
Solução

Fica T′/T=X′′/X=−λT'/T=X''/X=-\lambda, logo T′+λT=0T'+\lambda T=0 e X′′+λX=0X''+\lambda X=0. As fronteiras escolhem depois os λ\lambda admissíveis; a separação sozinha não impõe dados.

Confere a tua resposta:

  • Escrevi o quociente igual a uma constante.
  • Separei as duas EDO.
  • Expliquei por que só dividi onde a solução não se anula.

Erros frequentes

Igualar uma função só de t a uma função só de x obriga ambas a ser constantes. Não dividas por uma solução identicamente nula.

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Classificar pelo discriminante

Classifica 3uxx+5uxy+uyy=03u_{xx}+5u_{xy}+u_{yy}=0 e uxx+uxy+uyy=0u_{xx}+u_{xy}+u_{yy}=0.

Pista
Usa B2−4ACB^2-4AC com BB o coeficiente de uxyu_{xy}.
Mais uma pista
25−12=1325-12=13; 1−4=−31-4=-3.
Solução

A primeira tem discriminante 13>013\gt0: hiperbólica. A segunda tem −3<0-3\lt0: elíptica. Com 2B′2B' à parte, lembra que B=2B′B=2B' antes de aplicares a fórmula.

Confere a tua resposta:

  • Identifiquei A, B e C na convenção da ficha.
  • Calculei o discriminante.
  • Classifiquei cada equação.

Erros frequentes

Se a equação escreve 2uxy2u_{xy}, o BB da fórmula é 22, não 11.

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Verificar o problema completo

Verifica que u=e−4tsin⁡(2x)u=e^{-4t}\sin(2x) resolve ut=uxxu_t=u_{xx} em 0<x<π0<x<\pi, com fronteiras nulas e dado inicial sin(2x).

Pista
Derivar duas vezes sin(2x) produz o fator −4.
Mais uma pista
A exponencial tem derivada −4e elevado a −4t.
Solução
ut=−4e−4tsin⁡(2x)=uxxu_t=-4e^{-4t}\sin(2x)=u_{xx}. Em x=0 e x=π a função é zero; em t=0 vale sin(2x). O segundo modo decai quatro vezes mais depressa no expoente que o primeiro.

Confere a tua resposta:

  • Verifiquei a EDP pelas derivadas.
  • Conferi as duas fronteiras.
  • Conferi o valor inicial.

Erros frequentes

Se verificares só a EDP, não garantes os dados. Se esqueceres o fator 2 da cadeia, mudas a segunda derivada.
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