Equazioni differenziali alle derivate parziali/Il teorema di D'Alembert

Da testwiki.
Vai alla navigazione Vai alla ricerca

Template:Equazioni differenziali alle derivate parziali

Nei moduli precedenti è stata derivata l'equazione delle onde nel caso monodimensionale:

utt−v2uxx=0

Ora si vuole capire come è possibile studiare questa equazione per determinarne le soluzioni. In sostanza si vuole determinare u(x;t) che la soddisfi. Per farlo non si risolverà esplicitamente l'equazione, ma si sfrutterà un teorema dovuto a D'Alembert.

Sia u(x;t)∈C2(ℝ×ℝ) soluzione dell'equazione delle onde. Allora:

u(x;t)=f(x−vt)+g(x+vt)

Con f,g:ℝ→ℝ,f,g∈C2(ℝ×ℝ).

Il teorema di D'Alembert dunque afferma che ogni soluzione dell'equazione delle onde può sempre essere scritta come somma di un'onda progressiva, f(x−vt), e di un'onda regressiva, g(x+vt). Inoltre è possibile provare che, se f,g∈C2(ℝ×ℝ), anche u+=f(x−vt) e u−=g(x+vt) soddisfano l'equazione delle onde. Dimostriamo il teorema di D'Alembert.

Si consideri la seguente trasformazione di coordinate:

ξ_=x_+v_t,η_=x_−v_t

Si nota che ξ_ e η_ sono lineari e invertibili. Ora si vuole scrivere l'azione dell'operatore di D'Alembert in funzione di ξ e η. Essendo u~(ξ_,η_)=u(x(ξ,η),t(ξ,η)), si ha che:

◻ξ,η=1v2∂2∂t2−∂2∂x2=(1v∂∂t+∂∂x)(1v∂∂t−∂∂x)=2∂∂ξ2∂∂η

Infatti:

2∂∂ξ=∂x∂ξ∂∂x+∂vt∂ξ∂∂vt=∂∂x+1v∂∂t

In modo analogo si prova che 2∂∂η=1v∂∂t−∂∂x. L'equazione delle onde, espressa in funzione di ξ e η, può essere dunque scritta come:

4∂2∂ξ∂ηu~(ξ,η)=0

Ovvero:

∂∂ξ∂∂ηu~(ξ,η)=0

Dato che ∂u~∂η non dipende da ξ, la si può scrivere come F(η) e si ottiene:

u~(ξ,η)=∫F(η)+g(ξ)

Da cui segue che:

u~(ξ,η)=f(η)+g(ξ)

Tornando in x,t si conclude che:

u(x;t)=f(x−vt)+g(x+vt)

Template:Avanzamento