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ODA IVP : $u_t + uu_x = 1, \; \; u(x,0) = x$

Ejercicio :

Resolver el IVP : $u_t + uu_x = 1, \; \; u(x,0) = x$

Intento :

$$\frac{\mathrm{d}x}{u} = \frac{\mathrm{d}t}{1} = \frac{\mathrm{d}u}{1}$$

Así, los dos linealmente independientes curvas integrales, son :

$$u_1 = t-u$$ $$u_2 = \frac{1}{2}(u^2 - 2x)$$

Entonces la solución estará dada como una expresión de una función derivable $F$, tales como :

$$F(u_1,u_2) \Rightarrow F\bigg(t-u,\frac{1}{2}(u^2 - 2x)\bigg) = 0$$

lo cual está de acuerdo con el wolfram alpha resultado me dio para este problema.

Ahora bien, teniendo en cuenta el valor inicial $u(x,0) = x$, tenemos :

$$F\bigg(0 - u(x,0), \frac{1}{2}(u^2(x,0) - 2x)\bigg) = 0 \Rightarrow F\bigg(-x, \frac{1}{2}(x^2-2x)\bigg) = 0$$

Cómo proceder con acercarse a la solución para el IVP más ahora ?

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Kenny Wong Puntos 28

Edit: en Referencia a su solución, con el fin de $$ F\left( -x, \frac 1 2 (x^2 - 2x) \right) = 0$$ para ser verdad, usted necesita $$ F(u_1, u_2) = - \frac 1 2 u_1^2 - u_1 + u_2.$$ Con $u_1 = t - u$$u_2 = \frac 1 2 (u^2 - 2x)$, esto le da $$ - \frac 1 2 (t - u)^2 - (t - u) + \frac 1 2 (u^2 - 2x) = 0,$$ que simplifica para dar $$ u = \frac {x + t + \frac 1 2 t^2 }{1 + t}.$$


Original respuesta: Esta es una solución mediante el método de las características. La idea es estudiar el comportamiento de $u$ en un escogidos cuidadosamente, de la familia de curvas en $(x,t)$-espacio en el cual la ecuación es manejable.

Así que supongamos $u(x,t)$ es una solución para el PDE. Consideremos una particular familia de curvas de $s \mapsto (x(s), t(s))$, es decir, la familia de curvas que obedecen a las ecuaciones diferenciales $$ \frac{dt(s)}{ds} = 1, \ \ \ \ \ \ \frac{dx(s)}{ds} = u(x(s), t(s)) .$$

Usando la regla de la cadena, junto con el original de la PDE, se puede comprobar que en cualquier curva de esta familia, la función de $s \mapsto u(s) := u(x(s), t(s))$ obedece a la ecuación diferencial $$ \frac{du}{ds} = 1. $$

La solución de estas ecuaciones diferenciales, vemos que, para cualquier curva dentro de nuestra familia, $t(s), x(s)$ $u(s)$ son de la forma, $$ t(s) = a + s, \ \ \ x(s) = b + cs + \tfrac 1 2 s^2, \ \ \ u(s) = c + s.$$ donde las constantes $a, b, c$ son particulares a la curva específica que estamos considerando.

Hay una cierta redundancia en estas constantes $a, b, c$. En primer lugar, podemos suponer que $a = 0$ sin pérdida de generalidad, ya que esto puede ser compensado mediante la redefinición de $s \mapsto s + a$. En segundo lugar, la condición de contorno $u(x, 0) = 0$ asegura que $c = b$.

Así que, resumiendo, hemos definido una familia de curvas que foliadas nuestro dominio. Los miembros de esta familia son etiquetados por $c$; cada una selección de $c$ corresponde a una curva dentro de nuestra familia. La trayectoria de cada individuo curva programable por el parámetro de $s$, y las expresiones para $t(s)$, $x(s)$ y $u(s):=(x(s),t(s))$ a lo largo de la curva está dada por $$ t(s)=s, \ \ \ \ \ x(s)=c+cs+\tfrac 1 2 s^2, \ \ \ \ \ u(s) = c + s.$$

Ahora supongamos que elegir un punto de $(x,t)$. Para solucionar el problema se plantea en su pregunta, estamos obligados a proporcionar el valor de $u$ en este punto $(x, t)$. Y para ello, sería de gran ayuda si podemos averiguar: (i) que la curva dentro de nuestra familia de curvas de este punto se encuentra en (es decir, lo que el valor de $c$ corresponde a la curva que contiene este punto), y (ii) ¿cuál es el valor de $s$ describe a la ubicación del punto de la curva.

Claramente, la respuesta a (ii) es que el valor de $s$ descripción de la ubicación de nuestros puntos de su curva es $$s = t.$$ Having identified this, it is immediate that from the equation $x = c + ct + \tfrac 1 2 t^2$ that the answer to (i) is that the curve containing our point is the curve whose value of $c$ es $$ c=\frac{x-\tfrac 1 2 t^2}{1+t}. $$

Por último, el uso de la expresión $u(s)=c+s$, que proporciona el valor de $u$ a una posición determinada en una curva particular, y sustituyendo en el valor de $c$ correspondiente a nuestra curva y el valor de $s$ correspondiente a la ubicación de nuestro punto de esta curva, tenemos $$ u(x,t)=\frac{x + t + \tfrac 1 2 t^2}{1+t},$$ y esta es la solución para el problema original.

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