تاريخ الرياضيات
الاعداد و نظريتها
تاريخ التحليل
تار يخ الجبر
الهندسة و التبلوجي
الرياضيات في الحضارات المختلفة
العربية
اليونانية
البابلية
الصينية
المايا
المصرية
الهندية
الرياضيات المتقطعة
المنطق
اسس الرياضيات
فلسفة الرياضيات
مواضيع عامة في المنطق
الجبر
الجبر الخطي
الجبر المجرد
الجبر البولياني
مواضيع عامة في الجبر
الضبابية
نظرية المجموعات
نظرية الزمر
نظرية الحلقات والحقول
نظرية الاعداد
نظرية الفئات
حساب المتجهات
المتتاليات-المتسلسلات
المصفوفات و نظريتها
المثلثات
الهندسة
الهندسة المستوية
الهندسة غير المستوية
مواضيع عامة في الهندسة
التفاضل و التكامل
المعادلات التفاضلية و التكاملية
معادلات تفاضلية
معادلات تكاملية
مواضيع عامة في المعادلات
التحليل
التحليل العددي
التحليل العقدي
التحليل الدالي
مواضيع عامة في التحليل
التحليل الحقيقي
التبلوجيا
نظرية الالعاب
الاحتمالات و الاحصاء
نظرية التحكم
بحوث العمليات
نظرية الكم
الشفرات
الرياضيات التطبيقية
نظريات ومبرهنات
علماء الرياضيات
500AD
500-1499
1000to1499
1500to1599
1600to1649
1650to1699
1700to1749
1750to1779
1780to1799
1800to1819
1820to1829
1830to1839
1840to1849
1850to1859
1860to1864
1865to1869
1870to1874
1875to1879
1880to1884
1885to1889
1890to1894
1895to1899
1900to1904
1905to1909
1910to1914
1915to1919
1920to1924
1925to1929
1930to1939
1940to the present
علماء الرياضيات
الرياضيات في العلوم الاخرى
بحوث و اطاريح جامعية
هل تعلم
طرائق التدريس
الرياضيات العامة
نظرية البيان
Wave Equation-1-Dimensional
المؤلف: Zwillinger, D.
المصدر: CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press
الجزء والصفحة: ...
25-7-2018
1564
The one-dimensional wave equation is given by
(1) |
In order to specify a wave, the equation is subject to boundary conditions
(2) |
|||
(3) |
and initial conditions
(4) |
|||
(5) |
The one-dimensional wave equation can be solved exactly by d'Alembert's solution, using a Fourier transform method, or via separation of variables.
d'Alembert devised his solution in 1746, and Euler subsequently expanded the method in 1748. Let
(6) |
|||
(7) |
By the chain rule,
(8) |
|||
(9) |
The wave equation then becomes
(10) |
Any solution of this equation is of the form
(11) |
where and are any functions. They represent two waveforms traveling in opposite directions, in the negative direction and in the positive direction.
The one-dimensional wave equation can also be solved by applying a Fourier transform to each side,
(12) |
which is given, with the help of the Fourier transform derivative identity, by
(13) |
where
(14) |
|||
(15) |
This has solution
(16) |
Taking the inverse Fourier transform gives
(17) |
|||
(18) |
|||
(19) |
|||
(20) |
where
(21) |
|||
(22) |
This solution is still subject to all other initial and boundary conditions.
The one-dimensional wave equation can be solved by separation of variables using a trial solution
(23) |
This gives
(24) |
(25) |
So the solution for is
(26) |
Rewriting (25) gives
(27) |
so the solution for is
(28) |
where . Applying the boundary conditions to (◇) gives
(29) |
where is an integer. Plugging (◇), (◇) and (29) back in for in (◇) gives, for a particular value of ,
(30) |
|||
(31) |
The initial condition then gives , so (31) becomes
(32) |
The general solution is a sum over all possible values of , so
(33) |
Using orthogonality of sines again,
(34) |
where is the Kronecker delta defined by
(35) |
gives
(36) |
|||
(37) |
|||
(38) |
so we have
(39) |
The computation of s for specific initial distortions is derived in the Fourier sine series section. We already have found that , so the equation of motion for the string (◇), with
(40) |
is
(41) |
where the coefficients are given by (◇).
A damped one-dimensional wave
(42) |
given boundary conditions
(43) |
|||
(44) |
initial conditions
(45) |
|||
(46) |
and the additional constraint
(47) |
can also be solved as a Fourier series.
(48) |
where
(49) |
|||
(50) |
|||
(51) |
REFERENCES:
Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Wave Equation in Prolate and Oblate Spheroidal Coordinates." §21.5 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 752-753, 1972.
Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 124-125 and 271, 1953.
Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 417, 1995.
Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, p. 130, 1997.