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Una PDE cuasilineal de segundo orden en dos variables independientes x e y con función incógnita u(x,y) tiene la forma general:

a(x,y,u,u_x,u_y) u_{xx} + 2b(x,y,u,u_x,u_y) u_{xy}

+ c(x,y,u,u_x,u_y)u_{yy} + d(x,y,u,u_x,u_y) = 0,

donde a,b,c,d son funciones contínuas en un subconjunto abierto \mathcal{V} de \mathcal{U} \times \mathbb{R}^3 de las variables (x,y,u,u_x,u_y) donde \mathcal{U} es un abierto de \mathbb{R}^2.

Definimos el discriminante como

D(v^0) := a(v^0)c(v^0) - b^2(v^0),

con v^0 = (x^0,y^0,u^0,u_x^0,u_y^0) \in \mathcal{V}. Diremos que la ecuación anterior es:

  1. Elíptica en el punto v^0 si D(v^0) > 0,
  2. Parabólica en el punto v^0 si D(v^0) = 0,
  3. Hiperbólica en el punto v^0 si D(v^0) < 0.

Por tanto, el carácter elíptico, parabólico o hiperbólico depende no solo del punto (x^0,y^0) \in \mathcal{U} sino también del valor de una solución y sus derivadas parciales de primer orden en dicho punto. Además, en el caso de que la parte principal, los coeficientes que multiplican a las derivadas de segundo orden, sea de coeficientes constantes, el carácter se mantiene en todos los puntos donde esté definida la función d.

De esta manera, la ecuación de Laplace u_{tt} + u_{xx} = 0 es elíptica en todos los puntos; la ecuación del calor u_t - u_{xx} =0 es parabólica; y la ecuación de ondas u_{tt} - u_{xx} = 0 es hiperbólica.

En el caso de tener n variables independientes x_1, x_2, \ldots, x_n entonces la ecuación general tiene la forma:

a^{ij}(x_1,\ldots, x_n, u, u_{x_1},\ldots, u_{x_n}) u_{x_i, x_j} + \ldots =0,

donde a^{ij} es la parte principal y el resto son terminos de menor orden. En este caso, el carácter de la ecuación depende de la signatura de los valores propios de la matriz de coeficientes:

  1. Elíptica si los valores propios son todos positivos o todos negativos,
  2. Parabólica cuando todos los valores propios son positivos o negativos excepto uno que es zero,
  3. Hiperbólica si todos los valores propios son positivos excepto uno que es negativo o todos son negativos excepto uno que es positivo.

Finalmente, toda ecuación se puede reducir a una forma canónica, que corresponde a uno de los tres tipos clásicos: Laplace, calor u ondas.

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Para aproximar la primera y segunda derivada de una función f(x) mediante tres puntos estamos habituados a las fórmulas:

f'(x) \approx \frac{f_{i+1}-f_{i-1}}{2h} = \frac{-1}{2h} f_{i-1} + \frac{1}{2h} f_{i+1},

f''(x) \approx \frac{f_{i-1} - 2f_i + f_{i+1}}{h^2} = \frac{1}{h^2} f_{i-1} + \frac{-2}{h^2} f_i + \frac{1}{h^2} f_{i+1}.

En estas expresiones estamos asumiendo que los puntos están equiespaciados una distancia h. ¿Cómo quedan las formulas en el caso de que la distancia entre los dos primeros puntos lx sea diferente a la distancia entre los dos últimos rx? Existen varias maneras de calcularlo, por ejemplo mediante interpolación de Lagrange como ya hicimos en este post, y quedan:

f'(x) \approx \frac{-rx}{lx(lx+rx)} f_{i-1} + \frac{rx - lx}{lx rx} f_i + \frac{lx}{(lx+rx)rx} f_{i+1},

f''(x) \approx \frac{2}{lx(lx+rx)} f_{i-1} + \frac{-2}{lx rx} f_i + \frac{2}{(lx+rx)rx} f_{i+1}.

noviembre 2017
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