المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر المرجع الالكتروني للمعلوماتية

نماذج «رواد» إدارة الجودة الشاملة – نموذج فيكتوري
2023-05-31
حشرة سوسة الاجاص Plum curculio
13-2-2020
اللَّه والإنسان
7-10-2014
خـصائـص البوابـة الإلكـترونـية
10-8-2022
الضرر المؤكد
16-1-2019
مفاتيح أخرى للسعادة
12-9-2019

Wave Equation-1-Dimensional  
  
1450   02:00 مساءً   date: 25-7-2018
Author : Zwillinger, D.
Book or Source : CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press
Page and Part : ...


Read More
Date: 13-7-2018 1023
Date: 12-7-2018 1309
Date: 13-7-2018 1126

Wave Equation-1-Dimensional

 

The one-dimensional wave equation is given by

 (partial^2psi)/(partialx^2)=1/(v^2)(partial^2psi)/(partialt^2).

(1)

In order to specify a wave, the equation is subject to boundary conditions

psi(0,t) = 0

(2)

psi(L,t) = 0,

(3)

and initial conditions

psi(x,0) = f(x)

(4)

(partialpsi)/(partialt)(x,0) = g(x).

(5)

The one-dimensional wave equation can be solved exactly by d'Alembert's solution, using a Fourier transform method, or via separation of variables.

d'Alembert devised his solution in 1746, and Euler subsequently expanded the method in 1748. Let

xi = x-vt

(6)

eta = x+vt.

(7)

By the chain rule,

(partial^2psi)/(partialx^2) = (partial^2psi)/(partialxi^2)+2(partial^2psi)/(partialxipartialeta)+(partial^2psi)/(partialeta^2)

(8)

1/(v^2)(partial^2psi)/(partialt^2) = (partial^2psi)/(partialxi^2)-2(partial^2psi)/(partialxipartialeta)+(partial^2psi)/(partialeta^2).

(9)

The wave equation then becomes

 (partial^2psi)/(partialxipartialeta)=0.

(10)

Any solution of this equation is of the form

 psi(xi,eta)=f(eta)+g(xi)=f(x+vt)+g(x-vt),

(11)

where f and g are any functions. They represent two waveforms traveling in opposite directions, f in the negative xdirection and g in the positive x direction.

The one-dimensional wave equation can also be solved by applying a Fourier transform to each side,

 int_(-infty)^infty(partial^2psi(x,t))/(partialx^2)e^(-2piikx)dx=1/(v^2)int_(-infty)^infty(partial^2psi(x,t))/(partialt^2)e^(-2piikx)dk,

(12)

which is given, with the help of the Fourier transform derivative identity, by

 (2piik)^2Psi(k,t)=1/(v^2)(partial^2Psi(k,t))/(partialt^2),

(13)

where

Psi(k,t) = F_x[psi(x,t)](k)

(14)

= int_(-infty)^inftypsi(x,t)e^(-2piikx)dx.

(15)

This has solution

 Psi(k,t)=A(k)e^(2piikvt)+B(k)e^(-2piikvt).

(16)

Taking the inverse Fourier transform gives

psi(x,t) = int_(-infty)^inftyPsi(k,t)e^(2piikx)dk

(17)

= int_(-infty)^infty[A(k)e^(2piikvt)+B(k)e^(-2piikvt)]e^(-2piikx)dk

(18)

= int_(-infty)^inftyA(k)e^(-2piik(x-vt))dk+int_(-infty)^inftyB(k)e^(-2piik(x+vt))dk

(19)

= f_1(x-vt)+f_2(x+vt),

(20)

where

f_1(u) = F_k[A(k)](u)=int_(-infty)^inftyA(k)e^(-2piiku)dk

(21)

f_2(u) = F_k[B(k)](u)=int_(-infty)^inftyB(k)e^(-2piiku)dk.

(22)

This solution is still subject to all other initial and boundary conditions.

The one-dimensional wave equation can be solved by separation of variables using a trial solution

 psi(x,t)=X(x)T(t).

(23)

This gives

 T(d^2X)/(dx^2)=1/(v^2)X(d^2T)/(dt^2)

(24)

 1/X(d^2X)/(dx^2)=1/(v^2)1/T(d^2T)/(dt^2)=-k^2.

(25)

So the solution for X is

 X(x)=Ccos(kx)+Dsin(kx).

(26)

Rewriting (25) gives

 1/T(d^2T)/(dt^2)=-v^2k^2=-omega^2,

(27)

so the solution for T is

 T(t)=Ecos(omegat)+Fsin(omegat),

(28)

where v=omega/k. Applying the boundary conditions psi(0,t)=psi(L,t)=0 to (◇) gives

 C=0    kL=mpi,

(29)

where m is an integer. Plugging (◇), (◇) and (29) back in for psi in (◇) gives, for a particular value of m,

psi_m(x,t) = [E_msin(omega_mt)+F_mcos(omega_mt)]D_msin((mpix)/L)

(30)

= [A_mcos(omega_mt)+B_msin(omega_mt)]sin((mpix)/L).

(31)

The initial condition psi^.(x,0)=0 then gives B_m=0, so (31) becomes

 psi_m(x,t)=A_mcos(omega_mt)sin((mpix)/L).

(32)

The general solution is a sum over all possible values of m, so

 psi(x,t)=sum_(m=1)^inftyA_mcos(omega_mt)sin((mpix)/L).

(33)

Using orthogonality of sines again,

 int_0^Lsin((lpix)/L)sin((mpix)/L)dx=1/2Ldelta_(lm),

(34)

where delta_(lm) is the Kronecker delta defined by

 delta_(mn)={1   m=n; 0   m!=n,

(35)

gives

int_0^Lpsi(x,0)sin((mpix)/L)dx = sum_(l=1)^(infty)A_lsin((lpix)/L)sin((mpix)/L)dx

(36)

= sum_(l=1)^(infty)A_l1/2Ldelta_(lm)

(37)

= 1/2LA_m,

(38)

so we have

 A_m=2/Lint_0^Lpsi(x,0)sin((mpix)/L)dx.

(39)

The computation of A_ms for specific initial distortions is derived in the Fourier sine series section. We already have found that B_m=0, so the equation of motion for the string (◇), with

 omega_m=vk_m=(vmpi)/L,

(40)

is

 psi(x,t)=sum_(m=1)^inftyA_mcos((vmpit)/L)sin((mpix)/L),

(41)

where the A_m coefficients are given by (◇).

A damped one-dimensional wave

 (partial^2psi)/(partialx^2)=1/(v^2)(partial^2psi)/(partialt^2)+b(partialpsi)/(partialt),

(42)

given boundary conditions

psi(0,t) = 0

(43)

psi(L,t) = 0,

(44)

initial conditions

psi(x,0) = f(x)

(45)

(partialpsi)/(partialt)(x,0) = g(x),

(46)

and the additional constraint

 0<b<(2pi)/(Lv),

(47)

can also be solved as a Fourier series.

 psi(x,t)=sum_(n=1)^inftysin((npix)/L)e^(-v^2bt/2)[a_nsin(mu_nt)+b_ncos(mu_nt)],

(48)

where

mu_n = (sqrt(4v^2n^2pi^2-b^2L^2v^4))/(2L)=(vsqrt(4n^2pi^2-b^2L^2v^2))/(2L)

(49)

b_n = 2/Lint_0^Lsin((npix)/L)f(x)dx

(50)

a_n = 2/(Lmu_n){int_0^Lsin((npix)/L)[g(x)+(v^2b)/2f(x)]dx}.

(51)

 


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Wave Equation in Prolate and Oblate Spheroidal Coordinates." §21.5 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 752-753, 1972.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 124-125 and 271, 1953.

Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 417, 1995.

Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, p. 130, 1997.

 




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.