Lesson 23 Linear partial differential equations
1
Lesson 23 Linear partial differential equations 1 We have seen - - PowerPoint PPT Presentation
Lesson 23 Linear partial differential equations 1 We have seen that ODEs can be reduced to almost banded infinite-dimensional equations using Chebyshev and ultraspherical polynomials These infinite-dimensional equations can be solved
1
2
3
4
f(x) ≈
n−1
fkTk(x) = (T0(x), . . . , Tn−1(x))
. . . fn−1
Functions are identified with matrices
5
f(x) ≈
n−1
fkTk(x) = (T0(x), . . . , Tn−1(x))
. . . fn−1
f(x, y) ≈
n−1
m−1
fkjTk(x)Tj(y) = (T0(x), . . . , Tn−1(x))
· · · f0(m−1) . . . ... . . . f(n−1)0 · · · f(n−1)(m−1)
. . . Tm−1(y)
6
0.5 1.0
0.5 1.0
m:
7
8
m ≈
9
∞
−1
10
∞
−1
∞
11
Cnf(xn, y) =:
f n
0 (y)
. . . ˇ f n
n1(y)
12
Cnf(xn, y) =:
f n
0 (y)
. . . ˇ f n
n1(y)
Cm ˇ f n
k (xm) =:
f nm
k0
. . . ˇ f nm
k(m1)
13
Cnf(xn, y) =:
f n
0 (y)
. . . ˇ f n
n1(y)
Cm ˇ f n
k (xm) =:
f nm
k0
. . . ˇ f nm
k(m1)
Cnf(xn, xm)C
m =
f n
0 (x m)
. . . ˇ f n
n1(x m)
m
14
Cnf(xn, y) =:
f n
0 (y)
. . . ˇ f n
n1(y)
Cm ˇ f n
k (xm) =:
f nm
k0
. . . ˇ f nm
k(m1)
Cnf(xn, xm)C
m =
f n
0 (x m)
. . . ˇ f n
n1(x m)
m
= Cm ˇ f n
0 (xm), . . . , ˇ
f n
n1(xm)
f nm
00
· · · ˇ f nm
0(m1)
. . . ... . . . ˇ f nm
(n1)0
· · · ˇ f nm
(n1)(m1)
15
16
17
18
19
20
21
22
23
∂λ+µf ∂xλ∂yµ with a change of basis to C(λ) k (x) × C(µ) j
µ
24
∂λ+µf ∂xλ∂yµ with a change of basis to C(λ) k (x) × C(µ) j
µ
k (x)×
j
0µ
25
26
27
0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .F. 1 …
1 4
…
3 1 6
…
8 1 8
…
1 6
15
…
1 8
24
… Å Å Å Å Å + 1
3 1 6
…
1 4
8 1 8
…
1 6
15 1 10
…
1 8
24 1 12
… Å Å Å Å Å Å Å Å Å .F. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å
28
29
30
u(x, y) = (T0(x), T1(x), . . .)U
T1(y) . . .
u(1, y)
T1(−1) . . . T0(1) T1(1) . . .
T1(y) . . .
31
u(x, y) = (T0(x), T1(x), . . .)U
T1(y) . . .
u(1, y)
T1(−1) . . . T0(1) T1(1) . . .
T1(y) . . .
−1 . . . 1 1 . . .
T1(y) . . .
T1(y) . . .
32
33
34
02 + S02UD 2
35
02
02 + S02UD 2
36
37
38
39
40
−
41
42
43
ΛY + Y Ω = λ1y00 · · · λ1y0(n−1) . . . ... . . . λny(n−1)0 · · · λny(n−1)(n−1) + ω1y00 · · · ωny0(n−1) . . . ... . . . ω1y(n−1)0 · · · ωny(n−1)(n−1)
44
ΛY + Y Ω = λ1y00 · · · λ1y0(n−1) . . . ... . . . λny(n−1)0 · · · λny(n−1)(n−1) + ω1y00 · · · ωny0(n−1) . . . ... . . . ω1y(n−1)0 · · · ωny(n−1)(n−1) = (λ1 + ω1)y00 · · · (λ1 + ωn)y0(n−1) . . . ... . . . (λn + ω1)y(n−1)0 · · · (λn + ωn)y(n−1)(n−1)
45
ΛY + Y Ω = λ1y00 · · · λ1y0(n−1) . . . ... . . . λny(n−1)0 · · · λny(n−1)(n−1) + ω1y00 · · · ωny0(n−1) . . . ... . . . ω1y(n−1)0 · · · ωny(n−1)(n−1) = (λ1 + ω1)y00 · · · (λ1 + ωn)y0(n−1) . . . ... . . . (λn + ω1)y(n−1)0 · · · (λn + ωn)y(n−1)(n−1) ΛY + Y Ω = P yij = pij λi + ωj
46
ΛY + Y Ω = λ1y00 · · · λ1y0(n−1) . . . ... . . . λny(n−1)0 · · · λny(n−1)(n−1) + ω1y00 · · · ωny0(n−1) . . . ... . . . ω1y(n−1)0 · · · ωny(n−1)(n−1) = (λ1 + ω1)y00 · · · (λ1 + ωn)y0(n−1) . . . ... . . . (λn + ω1)y(n−1)0 · · · (λn + ωn)y(n−1)(n−1) ΛY + Y Ω = P yij = pij λi + ωj ΛY + Y Ω = V −1FW X = V Y W −1
47
48
1
3 1 6
…
1 4
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
K 1 -1 1 -1 … 1 1 1 1 … O.U
U. 1 1
1 1
Å Å
1
3 1 6
…
1 4
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
K 1 -1 1 -1 … 1 1 1 1 … O.U
U. 1 1
1 1
Å Å
1 2 1 1 −1 1
2 1 1 −1 1
2 1 −1 1 1
2 1 −1 1 1
1
3 1 6
…
1 4
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
K 1 0 1 0 … 0 1 0 1 … O.U
U. 1 0 0 1 1 0 0 1 Å Å
1
3 1 6
…
1 4
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
K 1 0 1 0 … 0 1 0 1 … O.U
U. 1 0 0 1 1 0 0 1 Å Å
1
1 4
1 4
2
D
2
1
3 1 6
…
1 4
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
K 1 0 1 0 … 0 1 0 1 … O.U
U. 1 0 0 1 1 0 0 1 Å Å
1
1 4
1 4
2
D
2
U. 1 0 0 1 1 0 0 1 Å Å
0 0 - 5
3
6
… 0 0
8
… 0 0
1 6
15
… 0 0
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
U. 1 0 0 1 1 0 0 1 Å Å
0 0 - 5
3
6
… 0 0
8
… 0 0
1 6
15
… 0 0
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. 1 Å
1 4
Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
0 0 - 5
3
6
… 0 0
8
… 0 0
1 6
15
… 0 0
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. Å Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
0 0 - 5
3
6
… 0 0
8
… 0 0
1 6
15
… 0 0
1 8
… Å Å Å Å Å Å .U. 0 0 0 Å 0 0 0 Å 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 0 0 4 0 0 … 0 0 0 6 0 … 0 0 0 0 8 … 0 0 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å Å Å .U. Å Å
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
3
6
…
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å .U22. 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 4 0 0 … 0 6 0 … 0 0 8 … 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å .U22.
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
3
6
…
8
…
1 6
15
…
1 8
… Å Å Å Å .U22. 4 0 0 Å 0 6 0 Å 0 0 8 Å 0 0 0 10 Å … … … … Å + 4 0 0 … 0 6 0 … 0 0 8 … 0 0 0 10 … Å Å Å Å Å .U22.
3 1 6
Å
8 1 8
Å … … … … Å
60
61
62
63
64
R =
U12 U21 U22
1 1 . . . . . .
65
R =
U12 U21 U22
1 1 . . . . . .
1 1 . . . . . .
1 1 . . . . . .
66
R =
U12 U21 U22
1 1 . . . . . .
1 1 . . . . . .
1 1 . . . . . .
R2
1 1 . . . . . .
67
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
68
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
= R1 − U12
1 1 . . . . . .
69
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
= R1 − U12
1 1 . . . . . .
BU21 = P1 − ˜ B
B
70
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
= R1 − U12
1 1 . . . . . .
BU21 = P1 − ˜ B
B = R1 −
BU22
B = R1 − U12 ˜ B
71
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
= R1 − U12
1 1 . . . . . .
BU21 = P1 − ˜ B
B = R1 −
BU22
B = R1 − U12 ˜ B ˜ BR = P ˜ B
72
U11 = P1 − 1 1 · · · 1 1 · · ·
= R1 − U12
1 1 . . . . . .
BU21 = P1 − ˜ B
B = R1 −
BU22
B = R1 − U12 ˜ B ˜ BR = P ˜ B BH = GB
73
B(h1, h2) = h1(−1) h2(−1) h1(1) h2(1)
g2
g1(−1) g1(1) g2(−1) g2(1)
74
B(h1, h2) = h1(−1) h2(−1) h1(1) h2(1)
g2
g1(−1) g1(1) g2(−1) g2(1)
x1 u(x, −1) = y1 u(−1, y) = g1(−1)
75
B(h1, h2) = h1(−1) h2(−1) h1(1) h2(1)
g2
g1(−1) g1(1) g2(−1) g2(1)
x1 u(x, −1) = y1 u(−1, y) = g1(−1)
h2(−1) =
x1 u(x, 1) = y1 u(−1, y) = g1(1)
h1(1) =
x1 u(x, −1) = y1 u(1, y) = g2(−1)
h2(1) =
x1 u(x, 1) = y1 u(1, y) = g2(1)
76