PDE separación de variables

Question

Hola podría alguien guiarme en este problema

Dice ,

$ u_t - u_{xx}-2 u_x=0 $

Utiliza el método de separación de variables para encontrar todas las soluciones posibles.

¿Podría alguien ayudarme con este problema? Soy principiante en PDE. Le agradecería mucho si puede mostrar algún trabajo parcial para que pueda entender.

Gracias de antemano por tener en cuenta mi consideración

Answer 1

Si $u(x,t) = X(x)T(t)$ entonces

$$\frac{T'}{T} = \frac{X''}{X} + 2 \frac{X'}{X}$$

El LHS depende de $t$ solamente, el RHS depende de $x$ sólo, por lo que ambos lados son iguales a una constante, digamos $\lambda$ . Puedes tomarlo desde aquí...

Answer 2

Caso $1$ : $\text{Re}(t)\geq0$

Dejemos que $u(x,t)=X(x)T(t)$ ,

Entonces $X(x)T'(t)-X''(x)T(t)-2X'(x)T(t)=0$

$X(x)T'(t)=X''(x)T(t)+2X'(x)T(t)$

$X(x)T'(t)=(X''(x)+2X'(x))T(t)$

$\dfrac{T'(t)}{T(t)}=\dfrac{X''(x)+2X'(x)}{X(x)}=-(f(s))^2-1$

$\begin{cases}\dfrac{T'(t)}{T(t)}=-(f(s))^2-1\\X''(x)+2X'(x)+((f(s))^2+1)X(x)=0\end{cases}$

$\begin{cases}T(t)=c_3(s)e^{-t((f(s))^2+1)}\\X(x)=\begin{cases}c_1(s)e^{-x}\sin(xf(s))+c_2(s)e^{-x}\cos(xf(s))&\text{when}~f(s)\neq0\\c_1xe^{-x}+c_2e^{-x}&\text{when}~f(s)=0\end{cases}\end{cases}$

$\therefore u(x,t)=C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\int_sC_3(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\sin(xf(s))~ds+\int_sC_4(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\cos(xf(s))~ds~\text{or}~C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\sum\limits_sC_3(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\sin(xf(s))+\sum\limits_sC_4(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\cos(xf(s))$

Caso $2$ : $\text{Re}(t)\leq0$

Dejemos que $u(x,t)=X(x)T(t)$ ,

Entonces $X(x)T'(t)-X''(x)T(t)-2X'(x)T(t)=0$

$X(x)T'(t)=X''(x)T(t)+2X'(x)T(t)$

$X(x)T'(t)=(X''(x)+2X'(x))T(t)$

$\dfrac{T'(t)}{T(t)}=\dfrac{X''(x)+2X'(x)}{X(x)}=(f(s))^2-1$

$\begin{cases}\dfrac{T'(t)}{T(t)}=(f(s))^2-1\\X''(x)+2X'(x)+(1-(f(s))^2)X(x)=0\end{cases}$

$\begin{cases}T(t)=c_3(s)e^{t((f(s))^2-1)}\\X(x)=\begin{cases}c_1(s)e^{-x}\sinh(xf(s))+c_2(s)e^{-x}\cosh(xf(s))&\text{when}~f(s)\neq0\\c_1xe^{-x}+c_2e^{-x}&\text{when}~f(s)=0\end{cases}\end{cases}$

$\therefore u(x,t)=C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\int_sC_3(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\sinh(xf(s))~ds+\int_sC_4(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\cosh(xf(s))~ds~\text{or}~C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\sum\limits_sC_3(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\sinh(xf(s))+\sum\limits_sC_4(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\cosh(xf(s))$

Por lo tanto, $u(x,t)=\begin{cases}C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\int_sC_3(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\sin(xf(s))~ds+\int_sC_4(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\cos(xf(s))~ds&\text{when}~\text{Re}(t)\geq0\\C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\int_sC_3(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\sinh(xf(s))~ds+\int_sC_4(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\cosh(xf(s))~ds&\text{when}~\text{Re}(t)\leq0\end{cases}$

o $\begin{cases}C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\sum\limits_sC_3(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\sin(xf(s))+\sum\limits_sC_4(s)e^{-x-t((f(s))^2+1)}\cos(xf(s))&\text{when}~\text{Re}(t)\geq0\\C_1xe^{-x-t}+C_2e^{-x-t}+\sum\limits_sC_3(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\sinh(xf(s))+\sum\limits_sC_4(s)e^{-x+t((f(s))^2-1)}\cosh(xf(s))&\text{when}~\text{Re}(t)\leq0\end{cases}$

Esta es ya la solución general de $u_t-u_{xx}-2u_x=0$ . Obsérvese que cuando no hay C.I., la forma de $f(s)$ puede elegir arbitrariamente, pero cuando se dan C.I., la forma de $f(s)$ y la elección de si se utiliza el núcleo de integración o el núcleo de suma debe elegir sabiamente con el fin de acomodar los C.I. para obtener la forma más agradable de la solución, especialmente el número de C.I. es más de dos.