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
Samenvatting

Summary 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
12
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

May 21, 2020 APM346 – Week 3 Justin Ko


1 The Wave Equation on R
The one dimensional wave equation models a vibrating string.
Definition 1. For parameters c ∈ R+ , the homogeneous wave equation on R × R+ is

utt − c2 uxx = 0. (1)

The corresponding IVP for the inhomogeneous wave equation is

2
utt − c uxx = f (x, t)
 x ∈ R, t > 0,
u|t=0 = g(x) x ∈ R, (2)

ut |t=0 = h(x) x ∈ R.


The solution to this equation is derived using the method of characteristics.
Theorem 1 (Solution to the Wave Equation)

(a) The general solution to (1) is

u(x, t) = φ(x − ct) + ψ(x + ct), (3)

where φ, ψ are arbitrary functions.

(b) The particular solution to (2) is given by d’Alembert’s Formula,
x+ct Z tZ x+c(t−s)
g(x + ct) + g(x − ct)
Z
1 1
u(x, t) = + h(s) ds + f (y, s) dyds. (4)
2 2c x−ct 2c 0 x−c(t−s)




1.1 Derivation of the General Solution
We give two derivations of the general solution (3).

1.1.1 Method 1: Factoring the Operator
We reduce the second order PDE to iterated first order PDEs and apply the methods from Week 2.
We begin by factoring the linear operator L[u] = (∂t2 − c2 ∂x2 )u,

L[u] = (∂t2 − c2 ∂x2 )u = (∂t + c∂x )(∂t − c∂x )u.

Notice that if u is a solution to (1), then L[u] = 0. If we define v = (∂t − c∂x )u = ut − cux , then

L[u] = 0 ⇐⇒ (∂t + c∂x )(∂t − c∂x )u = (∂t + c∂x )v = vt + cvx = 0.

This gives us the following system of first order equations
(
ut − cux = v
. (5)
vt + cvx = 0

Solving the Second Equation: Using the general solution of the transport equation (see Week 2),

vt + cvx = 0 =⇒ v(x, t) = ϕ0 (x − ct)


Page 1 of 12

, May 21, 2020 APM346 – Week 3 Justin Ko


for some differentiable function ϕ0 (this form was chosen to simplify notation).

Solving the First Equation: Since v = ut − cux to recover u, we need to solve
ut − cux = ϕ0 (x − ct).
This is a first order linear equation, so it suffices to solve the system
dt dx du
= = 0 .
1 −c ϕ (x − ct)
The equation involving the first and second terms gives us the characteristics
dt dx
= =⇒ x = −ct + C =⇒ C = x + ct.
1 −c
Solving the equation involving the first third term implies
dt du du 1 1
= 0 = 0 =⇒ u(x, t) = − ϕ(C − 2ct) + ψ(C) = − ϕ(x − ct) + ψ(x + ct).
1 ϕ (x − ct) ϕ (C − 2ct) 2c 2c
1
If we define φ = − 2c ϕ, then we get the general solution
u(x, t) = φ(x − ct) + ψ(x + ct).

1.1.2 Method 2: Change of Variables
We do a change of variables to simplify the form of the PDE. We begin by factoring the linear operator
L[u] = (∂t2 − c2 ∂x2 )u,
L[u] = (∂t2 − c2 ∂x2 )u = (∂t + c∂x )(∂t − c∂x )u.
This factorization seems to suggest two characteristic curves
dt dx dt dx
= =⇒ C = x − ct and = =⇒ D = x + ct.
1 c 1 −c
We will use these characteristics curves to define a change of variables that will greatly simplify the
PDE. Consider the change of variables
ξ(x, t) = x − ct and η(x, t) = x + ct. (6)
By the multivariable chain rule,
∂u ∂ξ ∂u ∂η
∂t u(ξ, η) = · + · = −cuξ + cuη = (−c∂ξ + c∂η )u(ξ, η) =⇒ ∂t = (−c∂ξ + c∂η )
∂ξ ∂t ∂η ∂t
and
∂u ∂ξ ∂u ∂η
∂x u(ξ, η) = · + · = uξ + uη = (∂ξ + ∂η )u(ξ, η) =⇒ ∂x = (∂ξ + ∂η ).
∂ξ ∂x ∂η ∂x
In particular, these computations imply that the original operators are equal to
(∂t + c∂x ) = ((−c∂ξ + c∂η ) + c(∂ξ + ∂η )) = 2c∂η
and
(∂t − c∂x ) = ((−c∂ξ + c∂η ) − c(∂ξ + ∂η )) = −2c∂ξ .
Therefore, under the change of variables (6),
L[u] = (∂t2 − c2 ∂x2 )u = (∂t + c∂x )(∂t − c∂x )u = (2c∂η )(−2c∂ξ )u = −4c2 uξη .
If u satisfies (1), then L[u] = 0. Since c 6= 0, directly integrating this PDE (see Week 1) implies
0 = L[u] = −4c2 uξη =⇒ u(ξ, η) = φ(ξ) + ψ(η) =⇒ u(x, t) = φ(x − ct) + ψ(x + ct),
after writing it back in the original variables using (6).
Remark 1. From the proofs, we see that the general solution (3) holds for t < 0 as well.


Page 2 of 12

Geschreven voor

Instelling
Studie
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
12 december 2022
Aantal pagina's
12
Geschreven in
2019/2020
Type
SAMENVATTING

Onderwerpen

€7,50
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

Ook beschikbaar in voordeelbundel

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