Samu Viktória. A Helmholtz-egyenlet

Hasonló dokumentumok
Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Parciális dierenciálegyenletek

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

(1 + (y ) 2 = f(x). Határozzuk meg a rúd alakját, ha a nyomaték eloszlás. (y ) 2 + 2yy = 0,

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

ANALÍZIS II. Példatár

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

A hullámegyenlet megoldása magasabb dimenziókban

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Analízis III. gyakorlat október

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

Függvények július 13. f(x) = 1 x+x 2 f() = 1 ()+() 2 f(f(x)) = 1 (1 x+x 2 )+(1 x+x 2 ) 2 Rendezés után kapjuk, hogy:

Tizenegyedik gyakorlat: Parciális dierenciálegyenletek Dierenciálegyenletek, Földtudomány és Környezettan BSc

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

Differenciálegyenletek

Abszolút folytonos valószín ségi változó (4. el adás)

Bevezetés a görbe vonalú geometriába

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Matematika III előadás

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

1. feladatsor: Vektorfüggvények deriválása (megoldás)

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

Szélsőérték feladatok megoldása

(!), {z C z z 0 < R} K (K: konv. tart.) lim cn+1

Véletlen bolyongás. Márkus László március 17. Márkus László Véletlen bolyongás március / 31

Fourier sorok február 19.

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

Hatványsorok, Fourier sorok

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

5. fejezet. Differenciálegyenletek

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Differenciálegyenletek december 13.

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Statikailag határozatlan tartó vizsgálata

Gyakorlo feladatok a szobeli vizsgahoz

Függvényhatárérték és folytonosság

Komplex számok. Komplex számok és alakjaik, számolás komplex számokkal.

Határozott integrál és alkalmazásai

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Trigonometria. Szögfüggvények alkalmazása derékszög háromszögekben. Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar Matematika Tanszék 1

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

Analízis III Parciális differenciálegyenletek

Matematika A1a Analízis

Numerikus Matematika

MATEK-INFO UBB verseny április 6.

2. (b) Hővezetési problémák. Utolsó módosítás: február25. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

HÁZI FELADATOK. 2. félév. 1. konferencia Komplex számok

Lagrange-féle multiplikátor módszer és alkalmazása

Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Polárkoordinátás és paraméteres megadású görbék. oktatási segédanyag

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Dierenciálhányados, derivált

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Kalkulus II., harmadik házi feladat

Diszkrét idej rendszerek analízise az id tartományban

differenciálegyenletek

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

(x + 1) sh x) (x 2 4) = cos(x 2 ) 2x, e cos x = e

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

5. házi feladat. AB, CD kitér élpárra történ tükrözések: Az ered transzformáció: mivel az origó xpont, így nincs szükség homogénkoordinátás

Végeselem analízis. 1. el adás

Differenciaegyenletek

Hajlított tartó elmozdulásmez jének meghatározása Ritz-módszerrel

rank(a) == rank([a b])

Határozatlan integrál, primitív függvény

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

Matematika III előadás

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

Példatár Lineáris algebra és többváltozós függvények

Polinomok maradékos osztása

Numerikus módszerek 1.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

A PiFast program használata. Nagy Lajos

Segédanyag az A3 tárgy gyakorlatához

3. Fékezett ingamozgás

Lineáris egyenletrendszerek

Kalkulus S af ar Orsolya F uggv enyek S af ar Orsolya Kalkulus

Húrnégyszögek, Ptolemaiosz tétele

Obudai Egyetem RKK Kar. Feladatok a Matematika I tantárgyhoz

Átírás:

Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Samu Viktória A Helmholtz-egyenlet BSc Szakdolgozat Témavezet : Dr. Tóth Árpád Analízis Tanszék Budapest, 2014

Köszönetnyilvánítás Szeretném megköszönni témavezet mnek, Tóth Árpádnak az érdekes témát és a felfolgzása során nyújtott rengeteg segítséget. Köszönöm, hogy végig hitt bennem, és hogy segített leküzdeni a közös munkánk során felmerült akadályokat. Nélküle ez a szakdolgozat nem jöhetett volna létre. Köszönet illeti továbbá családomat és barátaimat az egyetemi évek alatt t lük kapott támogatásért, és tanáraimat, amiért megszerettették velem a matematikát. 2

Tartalomjegyzék Bevezetés 5 1. Egy dimenzióban: A rezg húr 7 2. A Laplace operátor polárkoordinátákban 12 2.1. Els bizonyítás................................. 12 2.2. Második bizonyítás............................... 16 3. Két dimenzióban: A rezg dob 17 3.1. A körszimmetrikus eset............................. 19 3.2. Általános eset.................................. 23 4. Numerikus vizsgálat 26 Irodalomjegyzék 32 Függelék 33 3

Ábrák jegyzéke 1.1. A rezg húr................................... 7 4.1. A J 0 Bessel-függvény.............................. 26 4.2. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 01 és λ 02 esetén..... 28 4.3. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 03 és λ 04 esetén..... 28 4.4. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 05 esetén......... 29 4.5. A J m Bessel-függvények m = 0, 1, 2, 3, 4 esetén................ 29 4.6. A kör alakú dob rezgése egy x id pillanatban λ 11 és λ12 esetén...... 31 4.7. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 13 és λ14 esetén..... 31 4

Bevezetés Dolgozatom témája a Helmholtz-egyenlet, amely az alábbi parciális dierenciálegyenlet: f + k 2 f = 0, ahol a Laplace-operátor, f egy függvény, k pedig egy skalár. n-dimenziós Descartesféle koordinátarendszerben az egyenlet az alábbi alakban írható fel: n i=0 2 f x 2 i + k 2 f = 0 A Helmholtz-egyenletet sokszor használják olyan zikai problémák vizsgálatakor, ahol parciális dierenciálegyenletek fordulnak el. Az eredeti egyenleten alkalmazva a váltózók szétválasztásának módszrét olyan az id t l független egyenletet kapunk, amelynek alakja megegyezik a fentiével. Els ként egy egydimenziós problémát fogok vizsgálni, amellyel a hétköznapi életben sokszor találkozunk. A húr rezgését az egydimenziós hullámegyenlet írja le, ezen a problémán alapul sok hangszer, például a gitár, a heged és a zongora is. Ezután megnézem, hogy polárkoordinátákban a Laplace-operátor miért az alábbi alakban írható fel: f = 2 f r 2 + 1 r f r + 1 r 2 2 f ϕ 2 A 3. fejezetben egy 2-dimenziós esettel, egy kör alakú lemez rezgéseivel, az ezeket leíró hullámegyenlettel és az id t l független Helmholtz-egyenlettel fogok foglalkozni. Részletsen meg fogom vizsgálni a körszimmetrikus megoldásokat és megnézem, mennyiben tér el ett l az általános eset. Ebben a fejezetben fogom használni a Laplace-operátor polárkoordinátás alakját, hiszen ekkor a Helmholtz-egyenlet a következ képpen fog kinézni: 5

2 fr, ϕ) + 1 r 2 r frϕ) + 1 r r 2 fr, ϕ) + λ 2 fr, ϕ) = 0 2 ϕ 2 A 4. fejezetben a MATLAB segítségével fogom megkeresni a rezg dob problémájának konkrét megoldásait és ezek közül néhányat ábrázolni is fogok. 6

1. fejezet Egy dimenzióban: A rezg húr 1.1. ábra. A rezg húr A regz húr mozgását hullámegyenlet írja le. Jelölje ux, t) a húr x-tengelyt l való távolságát x helyen és t id pillanatban, a húr hossza pedig legyen l. Tudjuk, hogy a húr két vége le van rögzítve a vízszintes tengely magasságában, és meg van adva a t = 0 id pillanatban a húr helyzete fx)) és sebessége gx)). Ekkor tehát a következ egyenlet megoldását keressük: 2 ux, t) = c 2 2 ux, t) 1.1) t 2 x 2 minden 0 < x < l és minden t > 0 esetén, ahol teljesülnek az alábbi peremfeltételek: és az alábbi kezdeti feltételek: u0, t) = ul, t) = 0, 1.2) ux, 0) = fx), 1.3) u x, 0) = gx). 1.4) t 7

El ször is tegyük fel, hogy ux, t) el áll Xx) T t) alakban, azaz szétválasztható változójú. Ekkor 2 ux,t) t 2 = Xx) T t) és 2 ux,t) x 2 = X x) T t), tehát az egyenletünk: Ebb l az alábbi egyenletet kapjuk: Xx) T t) = c 2 X x) T t). X x) Xx) = 1 c 2 T t) T t). 1.5) 1.5)-ben a bal oldal független t-t l, a jobb oldal pedig független x-t l. Ez akkor és csak akkor lehetséges, ha mindkét oldal ugyanazzal konstanssal egyenl. Jelöljük ezt a konstanst σ-val. Ekkor X x) Xx) = σ = 1 T t) -b l az alábbi két egyenletet kapjuk: c 2 T t) X x) σ Xx) = 0 1.6) T t) σ c 2 T t) = 0. 1.7) 1.6) megoldása Xx) = a cos σ x) + b sin σ x), 1.7) megoldása pedig T t) = α cos σ c t) + β sin σ c t) alakú, ahol a, b, α, β C tetsz leges. Ezt a következ állításban látjuk be. 1.1. Állítás. Az y t) + c 2 yt) = 0 c R) egyenlet megoldásai a cosc t) + b sinc t) alakúak, ahol a, b C tetsz leges. Bizonyítás. Írjuk fel a deriváltakat: y t) = a sinc t) c) + b cosc t) c = ac sinct) + bc cosct) y t) = ac cosct) c + bc sinct) c) = a c 2 cosct) b c 2 sinct) = = c 2 a cosct) + b sinct)) = c 2 yt) Ebb l megkapjuk, hogy y t) + c 2 yt) = 0, tehát yt) valóban megoldás. A megoldást a következ képpen kaptuk meg: Másodrend dierenciálegyenleteket visszavezethetünk az els rend esetre az x 1 := y, x 2 := y helyettesítéssel. Ekkor teljesülnek a következ k: x 1 = x 2 és x 2 = c 2 x 1. 8

Ekkor az ) x t) = A xt) els rend lineáris dierenciálegyenletet kapjuk, ahol A = 0 1. c 2 0 Ennek a megoldása: xt) = e At r, ahol r R 2 tetsz leges. e At -t a Hermite-féle interpolációs polinom segítségével számoljuk ki. λ 1 c 2 λ = λ2 + c 2, ebb l λ 1 = c i, λ 2 = c i. Mivel a minimálpolinom foka 2, az interpolációs polinom p t z) = a t z + b t alakú lesz. Ebb l kapjuk majd meg e At -t, ugyanis p t A) = e At. Tudjuk: p t ci) = e ci t = a t ci + b t és p t ci) = e ci t = a t ci) + b t. Ebb l e ci t a t ci = e ci t + a t ci e c it e c it = 2 a t ci e c it e c it = a t, azaz c 2i 1 c sinct) = a t. b t ebb l kifejezhet : b t = e ci t ec it e c it 2 ci ci = 2ec it e c it + e c it 2 = ec it + e c it 2 = cosct) p t tehát: p t z) = sinct) z + cosct). Mivel e At = p c t A) = a t A + b t I, ) ) e At = sinct) 0 1 1 0 + cosct) = c c 2 0 0 1 ) ) ) sinct) 0 c cosct) 0 cosct) sinct) c + = c sinct) 0 0 cosct) c sinct) cosct) xt) = e At r r R 2 ), tehát xt) = cosct) sinct) c c sinct) cosct) Nekünk yt) kell, és mivel y = x 1, ezért yt) = r 1 cosct) + r 2 1 c sinct). ) cosct) r1 r 2 sinct) c ). ) r1 r 2 ) = 9

Mivel r 1, r 2 tetsz leges, a megoldás a következ alakban írható fel: yt) = a cosct) + b sinct), ahol a, b C tetsz leges. Ezzel pont az állításban szerepl megoldást kaptuk. A rezg húr problémájánál kapott egyenletek megoldása tehát: Xx) = a cos σ x) + b sin σ x) és T t) = α 0 cos σ c t) + β 0 sin σ c t). A következ lépésben azt nézzük meg, mikor teljesülnek a peremfeltételek. X0) = 0 a cos0) + b sin0) = 0 a 1 + 0 = 0 a = 0 Xx) = b sin σ x), Azaz: Xl) = 0 b sin σ l) = 0 σ l = k π k Z) σ = kπ l ux, t) = Xx)T t) = b sin kπ x) α 0 cos ckπ t) + β 0 sin ckπ l l l = sin kπ x) α cos ckπ t) + β sin ckπ ) t). l l l Mivel b, α, β C tetsz leges, ezért α, β C is az. ) t) = 1.1) linearitása miatt a sin kπ x) α cos ckπ l l bármely lineáris kombinációja is megoldás, tehát: ux, t) = sin kπ l k=1 t) + β sin ckπ l x) α k cos ckπ t) + β k sin ckπ ) t) l l Most vizsgáljuk meg a kezdeti feltételeket. 1.3) szerint: fx) = ux, 0) = α k sin kπ l Mivel ux, t) = t k=1 sin kπ x) α l k sin ckπ t) ckπ + β l l k cos ckπ l 1.4) szerint: k=1 gx) = u t x, 0) = β k ckπ l k=1 sin kπ l t) ) alakú megoldások x). 1.8). ) t) ckπ l, ezért x). 1.9) Tudjuk, hogy minden kell en sima hx) függvény a [0, l] intervallumon Fourier-sorba fejthet a következ módon: 10

hx) = b k sin kπ x), l k=1 ahol a b k együtthatókat az alábbi formula adja meg: b k = 2 l l 0 hx) sin kπ l x)dx. Ez alapján 1.8)-ban és 1.9)-ben az α k és β k együtthatók a következ képpen alakulnak: β k ckπ l α k = 2 l = 2 l l 0 l 0 fx) sin kπ l gx) sin kπ l x)dx, x)dx. Ezzel tehát megkaptuk az egydimenziós hullámegyenlet 1.1) megoldását: ux, t) = ahol: α k = 2 l sin kπ l k=1 l β k = 2 ckπ 0 l fx) sin kπ l 0 gx) sin kπ l x) α k cos ckπ t) + β k sin ckπ ) t) l l x)dx, x)dx., 11

2. fejezet A Laplace operátor polárkoordinátákban A kör alakú dob rezgésének vizsgálatához szükségünk lesz a Laplace-operátor polárkoordinátákban felírt alakjára. 2.1. Els bizonyítás 2.1. Deníció. A Laplace-operátor kétváltozós függvény esetén Descartes-féle koordináta-rendszerben: f = 2 f x 2 + 2 f y 2. 2.2. Állítás. A Laplace-operátor alakja polárkoordinátákban: f = 2 f r 2 + 1 r f r + 1 r 2 2 f ϕ 2. Bizonyítás. Helyettesítsünk polárkoordinátákkal: x := r cos ϕ, y := r sin ϕ. Ekkor f x, y) = f r cos ϕ, r sin ϕ). Az els paricális deriváltak kiszámításához a következ ket fogjuk felhasználni: r x = ) x2 + y x 2 = 1 2 x 2 + y 2) 12 2x = x r r y = ) x2 + y y 2 = 1 2 x 2 + y 2) 12 2y = y r = cos ϕ, = sin ϕ, 12

y x = r sin ϕ r cos ϕ = tan ϕ ϕ = arctan y x, ϕ x = y arctan = x x)) 1 1 + ) y 2 x y x 2 ) = 1 x 2 +y 2 x 2 y x = x2 2 x 2 + y y 2 x 2 = x2 r y 2 x = y sin ϕ = r 2 r2 r 2 ϕ y = y arctan = y x)) Az els paricális deriváltak ezek alapján: = sin ϕ, r 1 1 + ) y 2 1 x = x2 r 1 2 x = x r = r cos ϕ 2 r 2 x = cos ϕ. r f x = f r r x + f ϕ ϕ x f = cos ϕ r sin ϕ f r ϕ =: G, f y = f r r y + f ϕ ϕ y f = sin ϕ r + cos ϕ f r ϕ =: H, f r = f x, y) r = f x x r + f y y r f f = cos ϕ + sin ϕ x y, f ϕ = f x, y) ϕ = f x x ϕ + f y y ϕ = f x f r cos ϕ) + ϕ y r sin ϕ) ϕ = r sin ϕ f f + r cos ϕ x y. A második parciális deriváltakat G és H függvények segítségével számoljuk ki: 2 f x = G 2 x G = cos ϕ r sin ϕ G r ϕ, 2 f y = H 2 x H = sin ϕ r + cos ϕ H r ϕ, 13

f = 2 f x + 2 f G = cos ϕ 2 y2 r G és H függvények parciális deriváltjai: H + sin ϕ r + 1 cos ϕ H r ϕ ) G sin ϕ. ϕ G r = cos ϕ f r r sin ϕ f ) = cos ϕ f ) sin ϕ f ) = cos ϕ r ϕ r r r r ϕ 2 f sin ϕ r f 2 r 2 ϕ + sin ϕ r ) 2 f = cos ϕ 2 f ϕ r r sin ϕ 2 r G ϕ = cos ϕ f ϕ r sin ϕ f ) = cos ϕ f ) sin ϕ f ) r ϕ ϕ r ϕ r ϕ = sin ϕ f ) r + cos ϕ 2 f cos ϕ f r ϕ r ϕ + sin ϕ ) 2 f r ϕ 2 2 f ϕ r + sin ϕ f r 2 ϕ, = cos ϕ 2 f f sin ϕ r ϕ r cos ϕ f r ϕ sin ϕ 2 f r ϕ, 2 H r = sin ϕ f r r + cos ϕ f ) = sin ϕ f ) + cos ϕ f ) = sin ϕ r ϕ r r r r ϕ 2 f cos ϕ r + f 2 r 2 ϕ + cos ϕ r ) 2 f = sin ϕ 2 f ϕ r r cos ϕ f 2 r 2 ϕ + cos ϕ r 2 f ϕ r, H ϕ = sin ϕ f ϕ r + cos ϕ f ) = sin ϕ f ) + cos ϕ f ) r ϕ ϕ r ϕ r ϕ = cos ϕ f ) r + sin ϕ 2 f sin ϕ + f r ϕ r ϕ + cos ϕ ) 2 r ϕ 2 = cos ϕ f r + sin ϕ 2 f r ϕ sin ϕ f r ϕ + cos ϕ 2 r ϕ. 2 14

Ezek alapján már megadható f: f = 2 f x + 2 f G = cos ϕ 2 y2 r = cos 2 ϕ 2 f cos ϕ sin ϕ r2 r + + 1 r + 1 r + sin ϕ H r + 1 r cos ϕ H ϕ 2 f cos ϕ sin ϕ + f ) ϕ r r 2 ϕ sin 2 ϕ 2 f sin ϕ cos ϕ f sin ϕ cos ϕ r2 r 2 ϕ r ) G sin ϕ ϕ ) 2 f ϕ r cos 2 ϕ f r + cos ϕ sin ϕ 2 f cos ϕ sin ϕ f ) r ϕ r ϕ + cos2 ϕ 2 f r ϕ 2 2 f sin ϕ cos ϕ r ϕ + sin2 ϕ f r + sin ϕ cos ϕ r f ) ϕ + sin2 ϕ 2 f r ϕ 2 = cos 2 ϕ sin 2 ϕ ) 2 f r + 1 cos 2 r 2 ϕ sin 2 ϕ ) f ) r + cos2 ϕ sin 2 ϕ 2 f r ϕ 2 = 2 f r 2 + 1 r f r + 1 r 2 2 f ϕ 2. Ezzel pont az állításban szerepl képletet kaptuk. 15

2.2. Második bizonyítás 2.3. Állítás. A Laplace-operátor alakja polárkoordinátákban: f = 2 f r 2 + 1 r f r + 1 r 2 2 f ϕ 2. Bizonyítás. A bizonyítás alapötlete az, hogy f = divgradf)), ahol divf x, y)) = F 1 x + F 2 y és gradfx, y)) = f x f y ). Használjuk a divergencia és a gradiens polárkoordinátás alakját: divf ) = 1 r r r F 1) + 1 r ϕ F 2), gradf) = f r f r ϕ ). Ekkor: divgradf)) = 1 r r f ) + 1 ) r r r f = ϕ r ϕ = 1 r r r f ) r + r 2 f + 1 r 2 r 2 f 2 ϕ = 2 = 1 r f r + 2 f r 2 + 1 r 2 2 f ϕ 2. Ez pedig pont az állításban szerepl képlet. 16

3. fejezet Két dimenzióban: A rezg dob Tekintsünk egy olyan kör alakú membránt, amely nyugalmi helyzetben egy origó középpontú, a sugarú körlappal írható le, és a határain le van lerögzítve. Jelölje ux, y, t) az x, y) pontnak az xy síktól való távolságát t id pillanatban. Ekkor a membrán a dobb r) rezgéseit a kétdimenziós hullámegyenlet írja le: ) 2 ux, y, t) = c 2 2 ux, y, t) + 2 ux, y, t), 3.1) t 2 x 2 y 2 ahol t > 0 és x 2 +y 2 < a, valamint teljesül a peremfeltétel: ux, y, t) = 0 ha x 2 +y 2 = a. Mivel kör alakú membránt vizsgálunk, érdemes polárkoordinátákat használni. Legyen tehát x = r cos ϕ és y = r sin ϕ. Az egyenlet jobb oldalán c 2 u van, az el z fejezetben pedig már láttuk, hogy a Laplace-operátor hogy írható át polárkoordinátákba. A következ egyenletet kapjuk tehát: 2 ur, ϕ, t) 1 = c 2 ur, ϕ, t) + 2 ur, ϕ, t) + 1 ) t 2 r r r 2 r 2 ur, ϕ, t), 3.2) 2 ϕ 2 minden 0 < r < a, minden 0 ϕ 2π és minden 0 < t esetén, az alábbi peremfeltételekkel: ua, ϕ, t) = 0 ha 0 ϕ 2π 3.3) ur, 0, t) = ur, 2π, t) ha 0 r a és 0 t 3.4) ϕ ur, 0, t) = ϕ ur, 2π, t) ha 0 r a és 0 t 3.5) 17

és az alábbi kezdeti feltételekkel: ur, ϕ, 0) = fr, ϕ) ha 0 r a és 0 ϕ 2π 3.6) t ur, ϕ, 0) = gr, ϕ) ha 0 r a és 0 ϕ 2π 3.7) Itt fr, ϕ) jelöli a kezdeti alakot és gr, ϕ) jelöli a kezdeti sebességet. Két különböz esetet fogok a kés bbiekben vizsgálni. Els ként azt speciális esetet nézem meg részletesen, amikor ur, ϕ, t) körszimmetrikus, ekkor u független lesz ϕ-t l. Ezután megnézem, hogyan változnak a megoldások, ha u-ról nem teszem fel, hogy körszimmetrikus. Mindkét esetben egységsugarú membránnal fogok dolgozni. 18

3.1. A körszimmetrikus eset Nézzük meg tehát, hogyan lehetnek az egységsugarú membrán rezgései körszimmetrikusak. Ekkor u független ϕ-t l, tehát a 3.2) egyenlet leegyszer södik a következ képpen: ) 2 ur, t) 1 = c 2 ur, t) + 2 ur, t) t 2 r r r 2 A perem- és kezdeti feltételek pedig az alábbiak lesznek: 3.8) u1, t) = 0 3.9) ur, 0) = fr) ha 0 r 1 3.10) t ur, 0) = gr) ha 0 r 1 3.11) Alkalmazzuk a változók szétválasztásának módszerét, azaz tegyük fel, hogy ur, t) el áll Rr) T t) alakban. Ekkor a parciális derváltak a következ képpen írhatók fel: t ur, t) = t Rr) T t)) = Rr) T t) 2 t ur, t) = Rr) T t) r ur, t) = r Rr) T t)) = R r) T t) 2 r ur, t) = R r) T t) Ekkor az egyenlet az alábbi formába írható: Rr) T t) = c 2 R r) T t) + 1 ) r R r) T t) 3.12) Osszuk az egyenlet mindkét oldalát c 2 Rr) T t)-vel. Ekkor: 1 c T t) 2 T t) = 1 Rr) R r) + 1 ) r R r) A kapott egyenlet bal oldala csak t-t l, jobb oldala csak r-t l függ, ami csak akkor lehetséges, ha mindkét oldal egy k konstanssal egyenl. Ebb l az alábbi két egyenletet kapjuk: k = 1 c T t) 2 T t) k = 1 Rr) R r) + 1 ) r R r) 3.13) 3.14) 19

A 3.13) egyenletet átírhatjuk T t) = kc 2 T t) alakba. Ennek a megoldásai k > 0 esetén exponenciálisan n nek vagy csökkennek, k = 0 esetén lineárisak, k < 0 esetén periodikusak. Fizikailag elvárható, hogy a rezg dob problémájára adott megoldás id ben periodikus legyen, ezért csak a harmadik esetet fogjuk nézni, amikor k = λ 2 alakú. Ekkor az egyenlet T t) + λ 2 c 2 T t) = 0 alakú, aminek pedig az 1.1) tétel alapján ismerjük a megoldásait: T t) = a cosλc t) + b sinλc t) 3.15) A 3.14) egyenletet rendezzük a következ képpen k = λ 2 felhasználásával: 1 Rr) R r) + 1 ) r R r) = λ 2 R r) + 1 r R r) = λ 2 Rr) R r) + 1 r R r) + λ 2 Rr) = 0 r R r) + R r) + λ 2 r Rr) = 0 Keressük ennek az egyenletnek a megoldását hatványsor alakban, azaz tegyük fel, hogy Rr) = c m r m, m=0 ahol a c m -ekre szeretnénk egy rekurziót megadni. Ekkor a deriváltak a kövtkez képpen néznek ki: R r) = c m mr m 1 = c 1 + c n+2 n + 2)r n+1 R r) = m=1 n=0 c m mm 1)r m 2 = m=2 n=0 c n+2 n + 2)n + 1)r n m=n+1 helyettesítéssel m=n+2 helyettesítéssel Ebb l az egyenlet az alábbi módon írható fel: rr r) + R r) + λ 2 rrr) = c n+2 n + 2)n + 1)r n+1 + c 1 + c n+2 n + 2)r n+1 + λ 2 n=0 n=0 n=0 c n r n+1 = ) = c 1 + n + 2) 2 c n+2 + λ 2 c n r n+1 = 0 n=0 20

Válasszuk c 1 -et 0-nak. Ekkor: n + 2) 2 c n+2 + λ 2 c n = 0 n, azaz c n+2 = λ2 n + 2) 2 c n Válasszuk c 0 -t 1-nek. Ekkor c n -ek a következ képpen alakulnak: A megoldás tehát: Rr) = c 0 = 1 c 1 = 0 c 2 = λ2 2 2 c 3 = 0 c 4 = λ2 4 2 c 2 = λ4 4 2 2 2. c 2k = 1)k λ 2k k!) 2 4 k c 2k+1 = 0 c m r m = m=0 m=0 1) m m!) 2 4 m λr)2m, ami pontosan a J 0 λr) els fajú Bessel-függyvénnyel egyenl. A 3.9) peremfeltétel szerint u1, t) = 0, ami akkor teljesül, ha R1) = 0. Ez a következ t jelenti: R1) = J 0 λ) = 0, tehát λ lehetséges értékei pontosan a Bessel-függvény gyökei lesznek. Ha egység helyett a sugárt néznénk, akkor a gyökök 1 -szorosa lenne jó. a A J 0 Bessel-függvénynek végtelen sok pozitív gyöke van, jelölje az n-edik gyököt a λ 0n, ekkor 0 < λ 01 < λ 02 <... A 3.14) egyenlet peremfeltételnek eleget tév megoldásai tehát: Rr) = J 0 λ 0n r) n = 1, 2,... 3.16) 21

A 3.8) egyenletnek megoldásai tehát: ur, t) = Rr) T t) = a cosλ 0n c t) + b sinλ 0n c t) J 0 λ 0n r) n = 1, 2,..., ahol λ 0n a J 0 Bessel-függvény n-edik pozitív gyökét jelöli. 22

3.2. Általános eset Ha ur, ϕ, t)-r l nem tesszük fel, hogy körszimmetrikus, a 3.2) egyenlettel és a 3.3) - 3.7) perem- és kezdeti feltételekkel dolgozunk, annyi változással, hogy most egységnyi a sugár. Keressük a megoldást ur, ϕ, t) = Rr) Φϕ) T t) alakban. Ekkor a deriváltak a következ k: t 2 ur, ϕ, t) = Rr) Φϕ) T t) r ur, ϕ, t) = R r) Φϕ) T t) r 2 ur, ϕ, t) = R r) Φϕ) T t) ϕur, 2 ϕ, t) = Rr) Φ ϕ) T t) A 3.2) egyenlet pedig a következ képpen fog kinézni: Rr) Φϕ) T t) = c 2 1 r R r) Φϕ) T t) + R r) Φϕ) T t) + 1 ) r Rr) 2 Φ ϕ) T t) Osszuk az egyenlet mindkét oldalát c 2 Rr) Φϕ) T t)-vel: 1 c T t) 2 T t) = 1 r R r) Rr) + R r) Rr) + 1 r Φ ϕ) 2 Φϕ) 3.17) A 3.17) egyenlet bal oldala csak t-t l függ, a jobb oldala azonban független t-t l. Ez csak akkor lehetséges, ha az egyenlet mindkét oldala egy l konstanssal egyenl. Ebb l az alábbi két egyenletet kapjuk: l = 1 c 2 T t) T t) l = 1 r R r) Rr) + R r) Rr) + 1 r Φ ϕ) 2 Φϕ) 3.18) 3.19) Néézük el ször a 3.18) egyenletet: T t) = l c 2 T t) T t) lc 2 T t) = 0 23

Már korábban láttuk, hogy a fenti egyenletnek csak azok a megoldásai jók, ahol l < 0. Legyen tehát l = λ 2. Ekkor az egyenlet T t) + λ 2 c 2 T t) = 0 alakú, ennek pedig 1.1) állítás szerint tudjuk a megoldásait: T t) = A cosλc t) + B sinλc t) 3.20) Most nézzük 3.19)-at és használjuk fel, hogy l = λ 2 : λ 2 = 1 r R r) Rr) + R r) Rr) + 1 r Φ ϕ) 2 Φϕ) λ 2 r 2 = r R r) Rr) + r2 R r) Rr) + Φ ϕ) Φϕ) Φ ϕ) Φϕ) = r R r) Rr) + r2 R r) Rr) + λ2 r 2 A fenti egyenlet bal oldala csak ϕ-t l, jobb oldala csak r-t l függ, ez pedig csak akkor lehet, ha mindkét oldal egy k konstanssal egyenl : 3.21)-at nézzük el ször: k = Φ ϕ) Φϕ) 3.21) k = r R r) Rr) + r2 R r) Rr) + λ2 r 2 3.22) Φ ϕ) = k Φϕ) Φ ϕ) + k Φϕ) = 0 Ennek az egyenletnek csak azok a megoldásai periodikusak, ahol k > 0, nekünk pedig csak a periodikus megoldások jók csak. Legyen ezért k = m 2. Ekkor 1.1) állítás alapján a megoldásai: Φϕ) = C cosm ϕ) + D sinm ϕ) 3.23) Most nézzük 3.22)-et és használjuk fel, hoogy k = m 2 : r R r) Rr) + r2 R r) Rr) + λ2 r 2 = m 2 r R r) Rr) + r2 R r) Rr) = m2 λ 2 r 2 r 2 R r) + r Rr) = m 2 λ 2 r 2 )Rr) 24

A következ egyenletet kapjuk tehát: r 2 R r) + r Rr) + λ 2 r 2 m 2 )Rr) = 0 3.24) Ennek a körszimmetrikus esethez hasonlóan egy Bessel-függvény lesz a megoldása: Rr) = J m λr). A peremfeltételek miatt: R1) = J m λ 1) = 0, tehát λ lehetséges értékei éppen a J m Bessel-függvény gyökei lesznek. Jelöljük ezeket λ mn -nel, ha n = 1, 2,... A 3.24) egyenlet megoldásai tehát: Rr) = J m λ mn r) m = 0, 1, 2,..., n = 1, 2,... 3.25) Azt kaptuk tehát, hogy a 3.2) egyenlet megoldásai 3.20), 3.23) és 3.25) alapján: ur, ϕ, t) = Rr) Φϕ) T t) = A cosλ mn ct)+b sinλ mn ct)) C cosmϕ)+d sinmϕ)) J m λ mn r), jelöli. ahol m = 0, 1, 2,..., n = 1, 2,... és λ mn a J m Bessel-függvény n-edik pozitív gyökét 25

4. fejezet Numerikus vizsgálat Az el z fejezetben láttuk, hogy a rezg dob problémájának megoldásában szerepelnek a Bessel-függvények. Az alábbi ábrán a körszimmetrikus esetben kapott J 0 Bessel-függvény látható: 4.1. ábra. A J 0 Bessel-függvény Az ábrán is látszik, hogy J 0 gyökeinél a függvény el jelet vált, ezért érdemes megnézni, hogy hol vannak ezek az el jelváltások. A MATLAB segítségével ezeket az alábbi módon 1 tizedesjegy pontossággal tudjuk megbecsülni a [0, 15] intervallumon: x=0:0.1:15; y=besselj0,x); yy>0)=1; 26

yy<0)=0; finddiffy)~=0)*0.1 ans = 2.5000 5.6000 8.7000 11.8000 15.0000 A gyököket tehát a kapott értékek közelében kell keresnünk. Ezt a következ képpen tehetjük meg: f=@x)besselj0,x)); format long lambda=zeros1,5); lambda1)=fzerof,2.5); lambda2)=fzerof,5.6); lambda3)=fzerof,8.7); lambda4)=fzerof,11.8); lambda5)=fzerof,15) lambda = 2.404825557695773 5.520078110286311 8.653727912911013 11.791534439014281 14.930917708487787 A 2. sorban szerepl format long parancs miatt a kapott eredmény 15 tizedesjegy pontossággal közelíti meg J 0 gyökeit. 27

Ha a a J 0 Bessel-függvény valamelyik gyökét jelöli, akkor a körszimmetrikus eset megoldásait egy x t id pillanatban a következ képpen lehet ábrázolni: r=0:0.01:1; f=@x)besselj0,x)); n=lengthr); phi=linspace0,2*pi,n); z = fa*r)'*ones1,n); y = a*r'*sinphi); x = a*r'*cosphi); surfx,y,z) Az els 5 gyök esetében az alábbi ábrákat kapjuk: 4.2. ábra. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 01 és λ 02 esetén 4.3. ábra. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 03 és λ 04 esetén 28

4.4. ábra. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 05 esetén Az általánosabb esetben a J m Bessel-függvényt kaptuk a megoldás részeként, ahol m = 0, 1, 2,.... Az alábbi ábrán az m = 0, 1, 2, 3, 4 eset látható: 4.5. ábra. A J m Bessel-függvények m = 0, 1, 2, 3, 4 esetén Vizsgáljuk most a J 1 Bessel-függvényt. A gyököket a J 0 -nál látott módszerhez hasonlóan fogjuk megkeresni, azzal a különbséggel, hogy mivel J 1 0) = 0, az el jelváltásoknál 0.1-t l fogjuk indítani a keresést: x=0.1:0.1:15; y=besselj1,x); yy>0)=1; 29

yy<0)=0; finddiffy)~=0)*0.1 ans = 3.8000 7.0000 10.1000 13.3000 Keressük a gyököket ezek az értékek közelében: f=@x)besselj1,x)); format long lambda=zeros1,4); lambda1)=fzerof,3.8); lambda2)=fzerof,7); lambda3)=fzerof,10.1); lambda4)=fzerof,13.3) lambda = 3.831705970207512 7.015586669815619 10.173468135062720 13.323691936314223 Ha a a J 1 Bessel-függvény valamelyik gyökét jelöli, akkor a megoldást egy x t id pillanatban a következ képpen lehet ábrázolni: r=0:0.01:1; f=@x)besselj1,x)); n=lengthr); phi=linspace0,2*pi,n); z =fa*r)'*cosphi); y = a*r'*sinphi); x = a*r'*cosphi); surfx,y,z) 30

Az els 4 gyök esetében az alábbi ábrákat kapjuk: 4.6. ábra. A kör alakú dob rezgése egy x id pillanatban λ 11 és λ12 esetén 4.7. ábra. A körszimmetrikus rezgés egy x id pillanatban λ 13 és λ14 esetén 31

Irodalomjegyzék [1] Elias M. Stein, Rami Shakarchi: Fourier Analysis: An Introduction. Princeton University Press 2003. [2] Stanley J. Farlow: An Introduction To Dierential Equations And Their Applications. 1994. [3] Wikipedia - Vibrations of a circular membrane http://en.wikipedia.org/wiki/vibrations_of_a_circular_membrane 32

Függelék Bessel-függvények A Bessel-függvények deníció szerint az alábbi, ún. Bessel dierenciálegyenlet megoldásai: x 2 2 y x 2 + x y x + x2 m 2 ) = 0 Mivel ez egy másodrend dierenciálegyenlet, két lineárisan független megoldása kell, hogy legyen. Ha m egész, akkor a két független megoldást J m -mel és Y m -mel szokás jelölni, ahol J m -et els fajú, Y m -et másodfajú Bessel-függvénynek hívjuk. J m az a megoldás, amelyik a 0-ban véges, míg Y m -nek 0-ban szingularitása van. Mivel nekünk a feladatban csak olyan függvények voltak jók, amelyek 0-ban végesek, a megoldásokban csak J m szerepel. Ha a Bessel dierenciálegyenlet megoldásait hatványsor alakban keressük a Frobeniusmódszerrel[2], azaz y = x α a n x n, akkor látni fogjuk, hogy α = m és a n -re a következ rekurziót kapjuk: Ebb l kapjuk meg J m Taylor-sorát: J m x) = n=0 1 a n = n2m + n) a n 2. n=0 1) n x ) 2n+m n!m + n)!, 2 és ezt a Taylor-sor alakot használtuk a rezg dob problémájának megoldásához. 33

A feladat szempontjából létfontosságú továbbá, hogy J m aszimptotikusan az alábbi függvénnyel egyenl : J m z) 2 πz cos z mπ 2 π ) 4. 34