Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
College aantekeningen

Summaries of all lecture notes in APM346, you will be good to go if you are able to understand everything shown in the notes

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
7
Geüpload op
12-12-2022
Geschreven in
2019/2020

Summaries of all lecture notes in APM346, you will be good to go if you are able to understand everything shown in the notes

Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

July 6, 2020 APM346 – Week 7 Justin Ko


1 Eigenvalue Problems
We want to study the wave and heat equation on the finite interval. Before we do that, we review
some self contained background material that will be used when we do separation of variables.
We begin introducing a class of Sturm–Liouville eigenvalue problems. Consider the second order
ODE on [a, b] subject to some boundary conditions

00
−X (x) = λX(x)
 a<x<b
0 0 (1)
a1 X(a) + b1 X(b) + c1 X (a) + d1 X (b) = 0
0 0

a2 X(a) + b2 X(b) + c2 X (a) + d2 X (b) = 0


where a1 , . . . , d2 ∈ R. A non-trivial solution X to (1) is called an eigenfunction, and the corresponding
value of λ is called an eigenvalue.
Remark 1. This terminology should remind you of a concept from linear algebra. Recall that the
eigenvalues λ and eigenvectors v 6= 0 of a matrix A ∈ Rn×n are solutions to

Av = λv.
2
d
Since we are in finite dimensions, there are at most n eigenvalues. We can think of L = − dx as a
linear operator on X. In this context, solutions to the ODE in (1) satisfy

LX = λX.

In this “infinite” dimensional case, there are infinitely many eigenvalues.

1.1 Common Eigenvalue Problems
We summarize the eigenfunctions and eigenvalues of several common eigenvalue problems.

1. Dirichlet Boundary Conditions:
(
−X 00 (x) = λX(x) 0<x<L
(2)
X(0) = X(L) = 0

Eigenvalues: λn = ( nπ 2
L ) for n ≥ 1
Eigenfunctions: Xn = sin( nπx
L ) for n ≥ 1

2. Neumann Boundary Conditions:
(
−X 00 (x) = λX(x) 0<x<L
(3)
X 0 (0) = X 0 (L) = 0

Eigenvalues: λn = ( nπ 2
L ) for n ≥ 0
Eigenfunctions: Xn = cos( nπx
L ) for n ≥ 1 and X0 =
1
2 for n = 0.
3. Periodic Boundary Conditions:
(
−X 00 (x) = λX(x) −L < x < L
(4)
X(−L) − X(L) = X 0 (−L) − X 0 (L) = 0

Eigenvalues: λn = ( nπ 2
L ) for n ≥ 0
Eigenfunctions: Xn = cos( nπx nπx
L ) and Yn = sin( L ) for n ≥ 1 and X0 =
1
2 for n = 0.


Page 1 of 7

, July 6, 2020 APM346 – Week 7 Justin Ko


4. Dirichlet–Neumann Mixed Boundary Conditions:
(
−X 00 (x) = λX(x) 0<x<L
(5)
X(0) = X 0 (L) = 0

Eigenvalues: λn = ( (2n+1)π
2L )2 for n ≥ 0
Eigenfunctions: Xn = sin( (2n+1)πx
2L ) for n ≥ 0.
5. Dirichlet–Neumann Mixed Boundary Conditions:
(
−X 00 (x) = λX(x) 0<x<L
(6)
X 0 (0) = X(L) = 0

Eigenvalues: λn = ( (2n+1)π
2L )2 for n ≥ 0
Eigenfunctions: Xn = cos( (2n+1)πx
2L ) for n ≥ 0.
Remark 2. Notice that if X is an eigenfunction of (1), then cX is also an eigenfunction for any
number c 6= 0. This means that the eigenfunctions in the table are unique up to a scaling factor.

1.2 Orthogonality of Eigenfunctions
Definition 1. Consider continuous functions f, g defined on [a, b]. The L2 -inner product of these
functions are given by
Z b
hf, gi = f (x)g(x) dx.
a
We say that the functions f and g are orthogonal if
hf, gi = 0.
Definition 2. The boundary conditions of (1) are symmetric if
 x=b
f 0 (x)g(x) − f (x)g 0 (x) = f 0 (b)g(b) − f (b)g 0 (b) − f 0 (a)g(a) + f (a)g 0 (a) = 0. (7)
x=a
for functions f and g that solve (1). All the standard eigenvalue problems we encounter in this course
will have symmetric boundary conditions.
Theorem 1 (Orthogonality of Eigenfunctions)
If the eigenvalue problem (1) has symmetric boundary conditions, then the eigenfunctions corre-
sponding to distinct eigenvalues are orthogonal.

Proof. Let X1 and X2 be distinct solutions to (1), that is for λ1 6= λ2 ,
−X100 = λ1 X1 and − X200 = λ2 X2 .
We can check orthogonality directly,
Z b Z b
(λ2 − λ1 )hX1 , X2 i = (λ2 − λ1 ) X1 (x)X2 (x) dx = X100 (x)X2 (x) − X1 (x)X200 (x) dx.
a a
Integrating by parts implies
Z b x=b
X100 (x)X2 (x) − X1 (x)X200 (x) dx = X10 (x)X2 (x) − X1 (x)X20 (x)

=0
a x=a

because X1 and X2 satisfy the symmetric boundary condition (7). Since λ1 − λ2 6= 0, hX1 , X2 i = 0 so
X1 and X2 are orthogonal.
Remark 3. We can have distinct eigenfunctions for repeated eigenvalue. They might not be orthog-
onal, but we can use the Gram–Schmidt process extract a orthogonal set.


Page 2 of 7

Geschreven voor

Instelling
Studie
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
12 december 2022
Aantal pagina's
7
Geschreven in
2019/2020
Type
College aantekeningen
Docent(en)
Justin ko
Bevat
Alle colleges

Onderwerpen

$8.49
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper
Seller avatar
9kfhgia89h1

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
9kfhgia89h1 Various
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
1
Lid sinds
3 jaar
Aantal volgers
1
Documenten
12
Laatst verkocht
3 jaar geleden

0.0

0 beoordelingen

5
0
4
0
3
0
2
0
1
0

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen