Laplace no retângulo

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

TLDR

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Uma placa retangular em equilíbrio satisfaz uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0. Fixar a temperatura em três lados a zero e aquecer o quarto obriga cada modo a anular-se nos lados frios; o dado do lado quente escolhe os coeficientes.

Um lado com dados

Em 0<x<a0<x<a, 0<y<b0<y<b, com uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0, impõe 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).

O ensaio u=X(x)Y(y)u=X(x)Y(y) dá X′′/X=−Y′′/Y=−λX''/X=-Y''/Y=-\lambda. Com X(0)=X(a)=0X(0)=X(a)=0, Xn=sin⁡(nπx/a)X_n=\sin(n\pi x/a). Em yy, Y′′−λY=0Y''-\lambda Y=0 com Y(0)=0Y(0)=0 escolhe o seno hiperbólico:

Yn=sinh⁡nπya.Y_n=\sinh\frac{n\pi y}{a}.

A solução é

u(x,y)=∑n=1∞Bnsinh⁡(nπy/a)sinh⁡(nπb/a)sin⁡nπxa,u(x,y)=\sum_{n=1}^{\infty}B_n\frac{\sinh(n\pi y/a)}{\sinh(n\pi b/a)}\sin\frac{n\pi x}{a},

Os coeficientes são a série de senos do dado do topo:

Bn=2/a∫0af(x)sin⁡(nπx/a) dx.B_n=2/a\int_0^a f(x)\sin(n\pi x/a)\,dx.

Cada modo anula-se nos três lados homogéneos e vale Bnsin⁡(nπx/a)B_n\sin(n\pi x/a) em y=by=b.

Com a=b=1a=b=1 e f=1f=1,

Bn=2(1−(−1)n)/(nπ),B_n=2(1-(-1)^n)/(n\pi),

ou seja, 4/(nπ)4/(n\pi) nos ímpares e 00 nos pares. Fica

u=4π∑m≥0sinh⁡((2m+1)πy)sin⁡((2m+1)πx)(2m+1)sinh⁡((2m+1)π).u=\frac{4}{\pi}\sum_{m\ge0}\frac{\sinh((2m+1)\pi y)\sin((2m+1)\pi x)}{(2m+1)\sinh((2m+1)\pi)}.

O cosseno hiperbólico não serviria aqui, porque vale 11 em y=0y=0.

O denominador sinh⁡(nπb/a)\sinh(n\pi b/a) normaliza o modo para ter fator vertical 1 no topo. No exemplo com f=1f=1, os dados nos cantos superiores são incompatíveis: o lado vertical pede 0 e o superior pede 1. Entendemos os dados nos lados abertos. A solução é harmónica no interior, mas não pode prolongar-se continuamente a esses cantos.

Dois lados com dados não nulos

Com lados verticais a zero, base u(x,0)=g(x)u(x,0)=g(x) e topo u(x,b)=f(x)u(x,b)=f(x), divide o problema em dois. Uma solução recebe o dado da base e vale zero no topo; a outra recebe o dado do topo e vale zero na base. A soma resolve o problema original porque a EDP é linear e homogénea.

Escreve as séries de senos dos dois dados, com ωn=nπ/a\omega_n=n\pi/a: Gn=2a∫0ag(x)sin⁡(ωnx) dxG_n=\tfrac2a\int_0^a g(x)\sin(\omega_nx)\,dx para a base e Fn=2a∫0af(x)sin⁡(ωnx) dxF_n=\tfrac2a\int_0^a f(x)\sin(\omega_nx)\,dx para o topo.

Para cada modo, o fator que vale 1 na base e 0 no topo é sinh⁡(ωn(b−y))/sinh⁡(ωnb)\sinh(\omega_n(b-y))/\sinh(\omega_nb). O que vale 0 na base e 1 no topo é sinh⁡(ωny)/sinh⁡(ωnb)\sinh(\omega_ny)/\sinh(\omega_nb). Soma as duas contribuições:

u(x,y)=∑n≥1Yn(y)sin⁡(ωnx),u(x,y)=\sum_{n\ge1}Y_n(y)\sin(\omega_nx), 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)}.

No quadrado unitário com base a 100 e topo a 200, Gn=400/(nπ)G_n=400/(n\pi) e Fn=800/(nπ)F_n=800/(n\pi) para nn ímpar, sendo ambos zero para nn par. Cada termo recupera o seu coeficiente na respetiva fronteira e não altera a fronteira oposta. Os cantos voltam a ter dados incompatíveis com os lados verticais a zero, por isso interpretamos os dados nos lados abertos.

Substituir apenas o denominador da solução com três lados nulos não resolve dois dados independentes: são necessárias as duas famílias de contribuições.

Neumann e o modo constante

Mantém os lados x=0x=0 e x=ax=a a zero, mas troca a base por uy(x,0)=0u_y(x,0)=0. Escrevendo ωn=nπ/a\omega_n=n\pi/a, a equação vertical é Y′′−ωn2Y=0Y''-\omega_n^2Y=0, logo

Y=Ccosh⁡(ωny)+Dsinh⁡(ωny).Y=C\cosh(\omega_n y)+D\sinh(\omega_n y).

A condição Y′(0)=0Y'(0)=0 dá D=0D=0. Para o mesmo dado superior ff, a solução passa a

u(x,y)=∑n≥1Bncosh⁡(ωny)cosh⁡(ωnb)sin⁡(ωnx).u(x,y)=\sum_{n\ge1}B_n\frac{\cosh(\omega_n y)}{\cosh(\omega_n b)}\sin(\omega_n x).

Com os mesmos lados verticais a zero e o mesmo dado superior, compara as duas escolhas:

Condição na baseFator vertical normalizadoNa base
u(x,0)=0u(x,0)=0sinh⁡(ωny)/sinh⁡(ωnb)\sinh(\omega_n y)/\sinh(\omega_n b)Valor zero
uy(x,0)=0u_y(x,0)=0cosh⁡(ωny)/cosh⁡(ωnb)\cosh(\omega_n y)/\cosh(\omega_n b)Derivada zero

Em ambos os casos, o fator vale 1 no topo. Mudou a função hiperbólica, não os coeficientes de senos do mesmo dado superior.

Se os lados verticais forem isolados, ux(0,y)=ux(a,y)=0u_x(0,y)=u_x(a,y)=0, os modos espaciais passam a cossenos, incluindo o modo constante. Para u(x,0)=xu(x,0)=x e u(x,b)=0u(x,b)=0, a série de cossenos do dado é

x=a2+∑n≥1ancos⁡nπxa,an=2a((−1)n−1)n2π2.x=\frac a2+\sum_{n\ge1}a_n\cos\frac{n\pi x}{a},\qquad a_n=\frac{2a\bigl((-1)^n-1\bigr)}{n^2\pi^2}.

O modo n=0n=0 satisfaz Y′′=0Y''=0, por isso interpola linearmente a média entre a base e o topo:

u(x,y)=a2(1−yb)+∑n≥1ansinh⁡(ωn(b−y))sinh⁡(ωnb)cos⁡(ωnx).u(x,y)=\frac a2\left(1-\frac yb\right)+ \sum_{n\ge1}a_n\frac{\sinh(\omega_n(b-y))}{\sinh(\omega_n b)}\cos(\omega_n x).

Omitir o primeiro termo perderia a média do dado inferior. Cada modo não constante anula-se no topo e recupera o seu coeficiente na base.

Robin e o sinal da derivada

Considera a=b=1a=b=1, lados verticais a zero, uy(x,0)=u(x,0)u_y(x,0)=u(x,0) e u(x,1)=f(x)u(x,1)=f(x). Os modos em xx continuam a ser sin⁡(nπx)\sin(n\pi x). Para ω=nπ\omega=n\pi, a condição da base dá

Y′(0)=Y(0)⟹ωD=C.Y'(0)=Y(0)\quad\Longrightarrow\quad \omega D=C.

Escolhe C=1C=1 e D=1/ωD=1/\omega. Normalizando no topo, obtemos

u(x,y)=∑n≥1Bncosh⁡(nπy)+sinh⁡(nπy)/(nπ)cosh⁡(nπ)+sinh⁡(nπ)/(nπ)sin⁡(nπx),u(x,y)=\sum_{n\ge1}B_n \frac{\cosh(n\pi y)+\sinh(n\pi y)/(n\pi)} {\cosh(n\pi)+\sinh(n\pi)/(n\pi)}\sin(n\pi x),

onde Bn=2∫01f(x)sin⁡(nπx) dxB_n=2\int_0^1f(x)\sin(n\pi x)\,dx. Na base, o fator vertical e a sua derivada são ambos o recíproco do denominador; no topo, o fator vale 1.

Uma condição de Robin relaciona valor e derivada normal. Na base, a normal exterior aponta para baixo, portanto ∂nu=−uy\partial_nu=-u_y. A condição escrita uy=uu_y=u equivale aqui a ∂nu+u=0\partial_nu+u=0. Confundir uyu_y com a derivada exterior troca o sinal e escolhe outro problema.

Exercícios

Laplace com um lado não nulo

Resolve uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 em 0<x,y<10\lt x,y\lt1, com u=0u=0 em x=0x=0, x=1x=1 e y=0y=0, e u(x,1)=1u(x,1)=1 para 0<x<10<x<1. Explica o que acontece nos cantos superiores.

Pista

Usa

u=∑Bnsinh⁡(nπy)sin⁡(nπx)/sinh⁡(nπ).u=\sum B_n\sinh(n\pi y)\sin(n\pi x)/\sinh(n\pi).
Solução

Cada modo anula-se nos três lados homogéneos e vale Bnsin⁡(nπx)B_n\sin(n\pi x) em y=1y=1. A série do dado constante dá Bn=2∫01sin⁡(nπx) dxB_n=2\int_0^1\sin(n\pi x)\,dx. Fica u=4/π∑m≥0sinh⁡((2m+1)πy)sin⁡((2m+1)πx)/((2m+1)sinh⁡((2m+1)π))u=4/\pi\sum_{m\ge0}\sinh((2m+1)\pi y)\sin((2m+1)\pi x)/((2m+1)\sinh((2m+1)\pi)).

Nos cantos superiores, os dados 0 e 1 são incompatíveis. A série resolve o problema no interior e recupera os dados nos lados abertos, mas não pode ter prolongamento contínuo nesses cantos.

Confere a tua resposta:

  • Separei e escolhi senos e seno hiperbólico.
  • Anulei os três lados homogéneos.
  • Expandi o dado do quarto lado.

Erros frequentes

O seno hiperbólico cresce a partir de zero em y=0y=0; o cosseno hiperbólico não anularia esse lado.

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Robin com derivada exterior para baixo

No quadrado 0<x,y<10<x,y<1, resolve uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 com u(0,y)=u(1,y)=0u(0,y)=u(1,y)=0, u(x,1)=sin⁡(πx)u(x,1)=\sin(\pi x) e ∂nu+u=0\partial_nu+u=0 na base y=0y=0, onde nn é a normal exterior.

Pista
Na base, ∂nu=−uy\partial_nu=-u_y. Usa um único modo em xx.
Solução

Na base, uy=uu_y=u. Escreve u=sin⁡(πx)Y(y)u=\sin(\pi x)Y(y); a EDP dá Y′′=π2YY''=\pi^2Y. Para Y=Ccosh⁡(πy)+Dsinh⁡(πy)Y=C\cosh(\pi y)+D\sinh(\pi y), a base impõe πD=C\pi D=C. O topo impõe Y(1)=1Y(1)=1, logo

u(x,y)=sin⁡(πx)cosh⁡(πy)+sinh⁡(πy)/πcosh⁡(π)+sinh⁡(π)/π.u(x,y)=\sin(\pi x)\frac{\cosh(\pi y)+\sinh(\pi y)/\pi}{\cosh(\pi)+\sinh(\pi)/\pi}.

Os senos anulam os lados verticais. O fator vertical vale 1 no topo e a sua derivada coincide com o seu valor na base. As segundas derivadas em xx e yy cancelam-se.

Confere a tua resposta:

  • Traduzi a derivada exterior com o sinal correto.
  • Determinei a combinação hiperbólica.
  • Verifiquei os quatro lados e a equação.
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Sobrepor dois dados de fronteira

No quadrado 0<x,y<10<x,y<1, resolve uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0 com u(0,y)=u(1,y)=0u(0,y)=u(1,y)=0, u(x,0)=100u(x,0)=100 e u(x,1)=200u(x,1)=200, nos lados abertos. A solução com três lados a zero pode ser apenas multiplicada por uma constante para satisfazer estes dados?

Pista

Soma uma solução com base a 100 e topo a zero a outra com base a zero e topo a 200.

Solução

A série de senos de uma constante cc em (0,1)(0,1) tem coeficientes

bn=2c∫01sin⁡(nπx) dx=2c(1−(−1)n)nπ.b_n=2c\int_0^1\sin(n\pi x)\,dx =\frac{2c(1-(-1)^n)}{n\pi}.

Os coeficientes são zero nos pares. Nos ímpares, são Gn=400/(nπ)G_n=400/(n\pi) para a base e Fn=800/(nπ)F_n=800/(n\pi) para o topo. Define

Yn(y)=400sinh⁡(nπ(1−y))+800sinh⁡(nπy)nπsinh⁡(nπ).Y_n(y)=\frac{400\sinh(n\pi(1-y))+800\sinh(n\pi y)}{n\pi\sinh(n\pi)}.

A solução é

u(x,y)=∑n≥1n ıˊmparYn(y)sin⁡(nπx).u(x,y)=\sum_{\substack{n\ge1\\n\text{ ímpar}}}Y_n(y)\sin(n\pi x).

Os modos anulam os lados verticais. Em y=0y=0, o primeiro seno hiperbólico recupera 400/(nπ)400/(n\pi) e o segundo anula-se; em y=1y=1, acontece o contrário, recuperando 800/(nπ)800/(n\pi). Cada YnY_n satisfaz Yn′′=(nπ)2YnY_n''=(n\pi)^2Y_n, enquanto a segunda derivada do seno é −(nπ)2sin⁡(nπx)-(n\pi)^2\sin(n\pi x). As parcelas cancelam-se na EDP; a série pode ser derivada no interior.

Há incompatibilidade nos quatro cantos entre o lado vertical a zero e os dados 100 ou 200. Não há prolongamento contínuo a esses cantos. Multiplicar uma solução com base a zero conserva esse zero, por isso nunca imporia os 100 pedidos. São necessárias as duas contribuições.

Confere a tua resposta:

  • Separei os problemas da base e do topo.
  • Calculei os dois conjuntos de coeficientes de senos.
  • Escolhi fatores que se anulam na fronteira oposta.
  • Conferi a EDP, os quatro lados abertos e os cantos.
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