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sistema de ecuaciones diferenciales parciales

Podría alguien ayudarme a resolver el siguiente sistema de ecuaciones diferenciales parciales: $$\frac{\partial u_1(x_1,x_2)}{\partial x_1}=u_1(x_1,x_2)-u_2(x_1,x_2)$$ $$\frac{\partial u_2(x_1,x_2)}{\partial x_2}=u_2(x_1,x_2)-u_1(x_1,x_2)$$

$$u_1(0,x_2)=1$$ $$u_2(x_1,0)=0$$

Mi intento:

Aplicando la transformada de Laplace en el sistema PDE, tenemos

$$\int_0^\infty \frac{\partial u_1(x_1,x_2)}{\partial x_1}e^{-s_1x_1}dx_1=\int_0^\infty u_1(x_1,x_2)e^{-s_1x_1}dx_1-\int_0^\infty u_2(x_1,x_2)e^{-s_1x_1}dx_1$$

$$\int_0^\infty \frac{\partial u_2(x_1,x_2)}{\partial x_2}e^{-s_2x_2}dx_2=\int_0^\infty u_2(x_1,x_2)e^{-s_2x_2}dx_2-\int_0^\infty u_1(x_1,x_2)e^{-s_2x_2}dx_2$$

lo que resulta en

$$s_1 \overline u_1(s_1,x_2)-u_1(0,x_2)=\overline u_1(s_1,x_2)-\overline u_2(s_1,x_2)$$ $$s_2 \overline u_2(x_1,s_2)-u_2(x_1,0)=\overline u_2(x_1,s_2)-\overline u_1(x_1,s_2)$$

donde $s_1$ y $s_2$ denota la variable de Laplace con respecto a $x_1$ y $x_2$ respectivamente. La barra superior corresponde a las variables $u_1$ y $u_2$ en el dominio de Laplace. Sin embargo, ahora tengo cuatro incógnitas ( $\overline u_1(s_1,x_2)$ , $\overline u_1(x_1,s_2)$ , $\overline u_2(s_1,x_2)$ y $\overline u_2(x_1,s_2)$ ) y sólo dos ecuaciones.

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Dylan Puntos 2446

Dejemos que $\textbf{A} = \langle -u_2,u_1 \rangle$ entonces

$$ \big|\nabla \times \textbf{A}\big| = \frac{\partial u_1}{\partial x_1} + \frac{\partial u_2}{\partial x_2} = 0 $$

Dado que el campo vectorial $\textbf{A}$ es irrotacional, debe seguirse que

$$ \textbf{A} = \nabla \phi $$

donde $\phi(x_1,x_2)$ es un campo escalar. Entonces podemos reescribir

$$ \frac{\partial \phi}{\partial x_1} = -u_2, \quad \frac{\partial \phi}{\partial x_2} = u_1 $$

Así, el sistema se convierte en una única EDP

$$ \frac{\partial^2 \phi}{\partial x_1 \partial x_2} = \frac{\partial \phi}{\partial x_1} + \frac{\partial \phi}{\partial x_2} $$

con condiciones de contorno

$$ \frac{\partial \phi}{\partial x_1}(x_1,0) = 0, \quad \frac{\partial \phi}{\partial x_2}(0,x_2) = 1 $$

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