Laplace no retângulo

Equação de Laplace com Dirichlet, Neumann e Robin por separação e séries.

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Dirichlet num só lado

Em 0<x<a0<x<a, 0<y<b0<y<b, com uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0, u=0u=0 em x=0x=0, x=ax=a e y=0y=0, e u(x,b)=f(x)u(x,b)=f(x). Define ωn=nπ/a\omega_n=n\pi/a:

u(x,y)=∑n≥1Bnsinh⁡(ωny)sinh⁡(ωnb)sin⁡(ωnx),Bn=2a∫0af(x)sin⁡(ωnx) dx.u(x,y)=\sum_{n\ge1}B_n \frac{\sinh(\omega_ny)}{\sinh(\omega_nb)}\sin(\omega_nx),\qquad B_n=\frac2a\int_0^af(x)\sin(\omega_nx)\,dx.
  • O seno anula os lados verticais; o seno hiperbólico anula a base. O denominador normaliza o fator para valer 1 no topo.
  • Para a=b=1a=b=1, f=1f=1: Bn=4/(nπ)B_n=4/(n\pi) nos ímpares, zero nos pares. Os cantos superiores têm dados incompatíveis; a solução não se prolonga continuamente a esses cantos.

Dados em dois lados

Com base gg e topo ff, conserva os lados verticais a zero e soma os dois problemas de um só lado. FnF_n é o coeficiente de senos de ff calculado acima; GnG_n calcula-se pela mesma fórmula, substituindo ff por gg:

Yn(y)=Gnsinh⁡(ωn(b−y))sinh⁡(ωnb)+Fnsinh⁡(ωny)sinh⁡(ωnb).Y_n(y)=G_n\frac{\sinh(\omega_n(b-y))}{\sinh(\omega_nb)} +F_n\frac{\sinh(\omega_ny)}{\sinh(\omega_nb)}.

O primeiro fator vale 1 na base e 0 no topo; o segundo faz o contrário.

Neumann, modo constante e Robin

BaseFator vertical normalizado no topo
u=0u=0sinh⁡(ωny)/sinh⁡(ωnb)\sinh(\omega_n y)/\sinh(\omega_n b)
uy=0u_y=0cosh⁡(ωny)/cosh⁡(ωnb)\cosh(\omega_n y)/\cosh(\omega_n b)

Os coeficientes de senos do mesmo dado superior não mudam.

Se os lados verticais forem isolados, usa cossenos e inclui n=0n=0: o modo constante interpola a média entre a base e o topo. Omiti-lo perde a média.

Em Robin, confirma o sinal com a normal exterior. Na base, ∂nu=−uy\partial_nu=-u_y, por isso ∂nu+u=0\partial_nu+u=0 equivale a uy=uu_y=u.

Robin com derivada exterior

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