Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales -...

103
Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática Aplicada y Ciencias de la Computación Universidad de Cantabria [email protected]

Transcript of Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales -...

Page 1: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

Pedro CorcueraDpto. Matemática Aplicada y Ciencias de la ComputaciónUniversidad de Cantabria

[email protected]

Page 2: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 2

Objetivos

• Revisión de las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y técnicas de solución

Page 3: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 3

Diferenciación

Page 4: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The mathematical definition of a derivative begins with a difference approximation:

and as ∆x is allowed to approach zero, the difference becomes a derivative:

Ec. derivadas parciales 4

Diferenciación de funciones continuas

∆y∆x

=f xi + ∆x( )− f xi( )

∆x

dydx

= lim∆x→0

f xi + ∆x( )− f xi( )∆x

Page 5: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Taylor series expansion can be used to generate high-accuracy formulas for derivatives by using linear algebra to combine the expansion around several points.

• Three categories for the formula include forward finite-difference, backward finite-difference, and centered finite-difference.

Ec. derivadas parciales 5

Fórmulas de diferenciación de gran exactitud

Page 6: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

For a finite

Ec. derivadas parciales 6

Aproximación por diferencia en adelanto

( ) ( ) ( )x

xfxxfx

xfΔ

Δ0Δ

lim −+→

=′

( ) ( ) ( )x

xfxxfxf∆

−∆+≈′'Δ' x

x x+Δx

f(x)

Graphical Representation of forward difference approximation of first derivative.

Page 7: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The velocity of a rocket is given by

• Where is given in m/s and is given in seconds.a)Use forward difference approximation of the first derivative

of to calculate the acceleration at . Use a step size of .

b)Find the exact value of the acceleration of the rocket.c) Calculate the absolute relative true error for part (b).

Ec. derivadas parciales 7

Aproximación por diferencia en adelanto -ejemplo

( ) 300,8.921001014

1014ln2000 4

4

≤≤−

−×

×= tt

ttν

''ν ''t

( )tν st 16=st 2Δ =

Page 8: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Solution

Ec. derivadas parciales 8

Aproximación por diferencia en adelanto -ejemplo

( ) ( ) ( )t

ttta iii ∆

−≈ + νν 1 16=it 2Δ =t

182161 =+=∆+=+ ttt ii

( ) ( ) ( )2

161816 νν −≈a

( ) ( ) ( )188.91821001014

1014ln200018 4

4

−××

=ν m/s02.453=

( ) ( ) ( )168.91621001014

1014ln200016 4

4

−××

=ν m/s07.392=

Hence( ) ( ) ( )

2161816 νν −

≈a2

07.39202.453 −≈ 2m/s474.30≈

The exact value of ( )16a can be calculated by differentiating b)

a)

( ) tt

t 8.921001014

1014ln2000 4

4

−×

×=ν as ( ) ( )[ ]tν

dtdta =

Page 9: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 9

Aproximación por diferencia en adelanto -ejemplo

Knowing that

( )[ ]t

tdtd 1ln = and 2

11ttdt

d−=

( ) 8.921001014

10141014

210010142000 4

4

4

4

−×

×

×

−×=

tdtdtta

( ) ( ) ( ) 8.9210021001014

101411014

210010142000 24

4

4

4

−−

−×

×−

×

−×=

tt

tt

32004.294040

+−−−

=

( ) ( )( )163200

164.29404016+−

−−=a 2m/s674.29=

c) The absolute relative true error is

100Value True

Value eApproximat-Value True⋅=∈t 100

674.29474.30674.29 x−

= %6967.2=

Page 10: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 10

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida en adelanto

xexf 49)( =

)2.0(f ′Value of´ using forward difference method.

h )2.0('f aE aε % Significant digits

tE tε %

0.05 88.69336 -8.57389 10.70138 0.025 84.26239 -4.430976 5.258546 0 -4.14291 5.170918 0.0125 82.15626 -2.106121 2.563555 1 -2.03679 2.542193 0.00625 81.12937 -1.0269 1.265756 1 -1.00989 1.260482 0.003125 80.62231 -0.507052 0.628923 1 -0.50284 0.627612 0.001563 80.37037 -0.251944 0.313479 2 -0.25090 0.313152 0.000781 80.24479 -0.125579 0.156494 2 -0.12532 0.156413 0.000391 80.18210 -0.062691 0.078186 2 -0.06263 0.078166 0.000195 80.15078 -0.031321 0.039078 3 -0.03130 0.039073 9.77E-05 80.13512 -0.015654 0.019535 3 -0.01565 0.019534 4.88E-05 80.12730 -0.007826 0.009767 3 -0.00782 0.009766

Page 11: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 11

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida en adelanto

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Number of times step size halved, n

|Ea|

%

76

80

84

88

92

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Number of times step size halved, n

f'(0.

2)

-5

-4

-3

-2

-1

00 2 4 6 8 10 12

Number of times step size halved, n

E a

0

1

2

3

4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Number of times step size halved, n

Leas

t nu

mbe

r of s

igni

fican

t dig

its

corre

ct

Page 12: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 12

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida en adelanto

-9

-6

-3

00 2 4 6 8 10 12

Number of times step size halved, n

E t

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Number of times step size halved, n

|Et| %

Page 13: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Sabemos que

• For a finite ,

• If is chosen as a negative number,

Ec. derivadas parciales 13

Aproximación por diferencia en atraso

( ) ( ) ( )x

xfxxfx

xfΔ

Δ0Δ

lim −+→

=′

'Δ' x ( ) ( ) ( )x

xfxxfxf∆

−∆+≈′

'Δ' x

( ) ( ) ( )x

xfxxfxf∆−

−∆−≈′ ( ) ( )

xxxfxf

ΔΔ−−

=

Page 14: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• This is a backward difference approximation as youare taking a point backward from x. To find the valueof at , we may choose another pointbehind as . This gives

where

Ec. derivadas parciales 14

Aproximación por diferencia en atraso

Graphical Representation of backward difference approximation of first derivative.

xx-Δxx

f(x)

( )xf ′ ixx = 'Δ' x1−= ixx

( ) ( ) ( )x

xfxfxf iii ∆

−≈′ −1

( ) ( )1

1

−−

=ii

ii

xxxfxf

1Δ −−= ii xxx

Page 15: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Taylor’s theorem says that if you know the value of a function at a point and all its derivatives at that point, provided the derivatives are continuous between and , then

Substituting for convenience

Ec. derivadas parciales 15

Obtención de la adad a partir de las series de Taylor

f ix

ix 1+ix( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) +−

′′+−′+= +++

2111 !2 ii

iiiiii xxxfxxxfxfxf

ii xxx −= +1Δ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +

′′+′+=+

21 Δ

!2Δ xxfxxfxfxf i

iii

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +∆′′

−∆

−=′ + x

xfx

xfxfxf iii

i !21

( ) ( ) ( ) ( )xOx

xfxfxf iii ∆+

∆−

=′ +1

Page 16: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The term shows that the error in the approxima-tion is of the order of . It is easy to derive from Taylor series the formula for backward divided difference approximation of the first derivative.

• As shown above, both forward and backward divided difference approximation of the first derivative are accurate on the order of .

• Can we get better approximations? Yes, another method is called the Central difference approxima-tion of the first derivative.

Ec. derivadas parciales 16

Obtención de la adad a partir de las series de Taylor

x∆( )xO ∆

( )xO ∆

Page 17: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• From Taylor series(1)

(2)

Subtracting equation (2) from equation (1)

Ec. derivadas parciales 17

Obtención de la adc a partir de las series de Taylor

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +′′′

+′′

+′+=+32

1 Δ!3

Δ!2

Δ xxf

xxf

xxfxfxf iiiii

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +′′′

−′′

+′−=−32

1 Δ!3

Δ!2

Δ xxf

xxf

xxfxfxf iiiii

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) +∆′′′

+∆′=− −+3

11 !322 xxfxxfxfxf i

iii

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +∆′′′

−∆−

=′ −+ 211

!32x

xfx

xfxfxf iii

i

( ) ( ) ( ) ( )211

2xO

xxfxfxf ii

i ∆+∆−

=′ −+

Page 18: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Hence showing that we have obtained a more accurate formula as the error is of the order of

Ec. derivadas parciales 18

Obtención de la adc a partir de las series de Taylor

( )2xO ∆

x

f(x)

x-Δx x x+Δx

Graphical Representation of central difference approximation of first derivative

Page 19: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The velocity of a rocket is given by

• Where is given in m/s and is given in seconds.a)Use central divided difference approximation of the first

derivative of to calculate the acceleration at . Use a step size of .

b)Calculate the absolute relative true error for part (a).

Ec. derivadas parciales 19

Aproximación por diferencia central -ejemplo

( ) 300,8.921001014

1014ln2000 4

4

≤≤−

−×

×= tt

ttν

''ν ''t

( )tν st 16=st 2Δ =

Page 20: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Solution

Ec. derivadas parciales 20

Aproximación por diferencia central -ejemplo

( ) ( ) ( )t

ttta iii ∆

−≈ −+

211 νν 16=it 2Δ =t

142161 =−=∆−=− ttt ii

( ) ( ) ( )22

141816⋅−

≈ννa

( ) ( ) ( )188.91821001014

1014ln200018 4

4

−××

=ν m/s02.453=

( ) ( ) ( )148.91421001014

1014ln200014 4

4

−××

=ν m/s24.334=

Hence( ) ( ) ( )

4141816 νν −

≈a4

24.33402.453 −≈

2m/s694.29≈

The absolute relative true error is knowing that the exact value atis

b)

a)

st 16=( ) 2m/s674.2916 =a

100674.29

694.29674.29⋅

−=∈t %069157.0=

182161 =+=∆+=+ ttt ii

Page 21: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 21

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida central

xexf 49)( =

)2.0(f ′Value of´ using forward difference method.

h )2.0('f aE aε % Significant digits

tE tε %

0.05 80.65467 -0.53520 0.668001 0.025 80.25307 -0.4016 0.500417 1 -0.13360 0.16675 0.0125 80.15286 -0.100212 0.125026 2 -0.03339 0.041672 0.00625 80.12782 -0.025041 0.031252 3 -0.00835 0.010417 0.003125 80.12156 -0.00626 0.007813 3 -0.00209 0.002604 0.001563 80.12000 -0.001565 0.001953 4 -0.00052 0.000651 0.000781 80.11960 -0.000391 0.000488 5 -0.00013 0.000163 0.000391 80.11951 -9.78E-05 0.000122 5 -0.00003 4.07E-05 0.000195 80.11948 -2.45E-05 3.05E-05 6 -0.00001 1.02E-05 9.77E-05 80.11948 -6.11E-06 7.63E-06 6 0.00000 2.54E-06 4.88E-05 80.11947 -1.53E-06 1.91E-06 7 0.00000 6.36E-07

Page 22: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 22

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida central

75

85

95

1 3 5 7 9 11

Number of times the step size is halved, n

f'(0.

2)

-1

01 3 5 7 9 11

Number of steps involved, n

E(a)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Number of steps involved, n

|E(a

)|,%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Number of steps involved, n

Leas

t nu

mbe

r of s

igni

fican

t dig

its

corre

ct

Page 23: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 23

Efecto del tamaño de paso en el método de diferencia dividida central

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.00 2 4 6 8 10 12

Number of steps involved, n

E(t)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Number of times step size halved,n

|Et|

%

Page 24: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The results from the three difference approximations are given in the following table.

Ec. derivadas parciales 24

Comparación de métodos adad, adat, adc

Type ofDifferenceApproximationForwardBackwardCentral

30.47528.91529.695

2.69672.5584

0.069157

Summary of a (16) using different divided difference approximations

( )16a( )2/ sm

%t∈

Page 25: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• In real life, one would not know the exact value of the derivative – so how would one know how accurately they have found the value of the derivative.

• A simple way would be to start with a step size and keep on halving the step size until the absolute relative approximate error is within a pre-specified tolerance.

• Take the example of finding for

at using the backward divided difference scheme.

Ec. derivadas parciales 25

Obtención del valor de la derivada con una tolerancia específica

( ) tt

t 8.921001014

1014ln2000 4

4

−×

×=ν

( )tv′

16=t

Page 26: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The values obtained using the backward difference approximation method and the corresponding absolute relative approximate errors are given in the following table.

Ec. derivadas parciales 26

Obtención del valor de la derivada con una tolerancia específica

210.50.250.125

28.91529.28929.48029.57729.625

1.27920.647870.326040.16355

t∆ ( )tv′ %a∈ one can see that the absolute relative approximate error decreases as the step size is reduced. At the absolute relative approximate error is 0.16355%, meaning that at least 2 significant digits are correct in the answer.

125.0=∆t

Page 27: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 27

Fórmulas de diferencia finita en adelanto

Page 28: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 28

Fórmulas de diferencia finita en atraso

Page 29: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 29

Fórmulas de diferencia finita centrada

Page 30: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 30

Sistemas de ecuaciones lineales

Page 31: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• A matrix consists of a rectangular array of elements represented by a single symbol (example: [A]).

• An individual entry of a matrix is an element(example: a23)

Ec. derivadas parciales 31

Matrices

Page 32: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Matrices where m=n are called square matrices.• There are a number of special forms of square

matrices:

Ec. derivadas parciales 32

Matrices especiales

Symmetric

A[ ]=5 1 21 3 72 7 8

Diagonal

A[ ]=a11

a22

a33

Identity

A[ ]=1

11

Upper Triangular

A[ ]=a11 a12 a13

a22 a23

a33

Lower Triangular

A[ ]=a11

a21 a22

a31 a32 a33

Banded

A[ ]=

a11 a12

a21 a22 a23

a32 a33 a34

a43 a44

Page 33: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The elements in the matrix [C] that results from multiplying matrices [A] and [B] are calculated using:

Ec. derivadas parciales 33

Multiplicación matricial

cij = aikbkjk=1

n

Page 34: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Matrices provide a concise notation for representing and solving simultaneous linear equations:

Ec. derivadas parciales 34

Representación de Algebra Lineal

a11x1 + a12x2 + a13x3 = b1

a21x1 + a22x2 + a23x3 = b2

a31x1 + a32x2 + a33x3 = b3

a11 a12 a13

a21 a22 a23

a31 a32 a33

x1

x2

x3

=

b1

b2

b3

[A]{x} = {b}

Page 35: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• MATLAB provides two direct ways to solve systems of linear algebraic equations [A]{x}={b}:– Left-divisionx = A\b

– Matrix inversionx = inv(A)*b

• The matrix inverse is less efficient than left-division and also only works for square, non-singular systems.

Ec. derivadas parciales 35

Solución con Matlab

Page 36: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Recall that if a matrix [A] is square, there is another matrix [A]-1, called the inverse of [A], for which [A][A]-1=[A]-1[A]=[I]

• The inverse can be computed in a column by column fashion by generating solutions with unit vectors as the right-hand-side constants:

Ec. derivadas parciales 36

Matriz inversa

A[ ] x1{ }=100

A[ ] x2{ }=

010

A[ ] x3{ }=

001

A[ ]−1 = x1 x2 x3[ ]

Page 37: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Recall that LU factorization can be used to efficiently evaluate a system for multiple right-hand-side vectors - thus, it is ideal for evaluating the multiple unit vectors needed to compute the inverse.

• Many systems can be modeled as a linear combination of equations, and thus written as a matrix equation:

• The system response can thus be found using the matrix inverse.

Ec. derivadas parciales 37

Matriz inversa y sistemas estímulo -respuesta

Interactions[ ] response{ }= stimuli{ }

Page 38: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• A norm is a real-valued function that provides a measure of the size or “length” of multi-component mathematical entities such as vectors and matrices.

• Vector norms and matrix norms may be computed differently.

Ec. derivadas parciales 38

Normas vectoriales y matriciales

Page 39: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• For a vector {X} of size n, the p-norm is:

• Important examples of vector p-norms include:

Ec. derivadas parciales 39

Normas vectoriales

ini

n

iie

n

ii

xXp

xXXp

xXp

maxmagnitudemaximum:

(length) normEuclidian :2

valuesabsolute theof sum:1

1

1

22

11

≤≤∞

=

=

=−∞=

===

==

X p = xip

i=1

n

1/ p

Page 40: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Common matrix norms for a matrix [A] include:

• Note - µmax is the largest eigenvalue of [A]T[A].

Ec. derivadas parciales 40

Normas matriciales

column - sum norm A 1 =1≤ j≤nmax aij

i=1

n

Frobenius norm A f = aij2

j=1

n

∑i=1

n

row - sum norm A∞

=1≤i≤nmax aij

j=1

n

∑spectral norm (2 norm) A

2= µmax( )1/2

Page 41: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The matrix condition number Cond[A] is obtained by calculating Cond[A]=||A||·||A-1||

• In can be shown that:

• The relative error of the norm of the computed solution can be as large as the relative error of the norm of the coefficients of [A] multiplied by the condition number.

• If the coefficients of [A] are known to t digit precision, the solution [X] may be valid to onlyt-log10(Cond[A]) digits.

Ec. derivadas parciales 41

Número de condición de una matriz

∆XX

≤ Cond A[ ]∆AA

Page 42: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• MATLAB has built-in functions to compute both norms and condition numbers:– norm(X,p)

• Compute the p norm of vector X, where p can be any number, inf, or ‘fro’ (for the Euclidean norm)

– norm(A,p)

• Compute a norm of matrix A, where p can be 1, 2, inf, or ‘fro’ (for the Frobenius norm)

– cond(X,p) or cond(A,p)• Calculate the condition number of vector X or matrix A using

the norm specified by p.Ec. derivadas parciales 42

Comandos Matlab

Page 43: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The Gauss-Seidel method is the most commonly used iterative method for solving linear algebraic equations [A]{x}={b}.

• The method solves each equation in a system for a particular variable, and then uses that value in later equations to solve later variables. For a 3x3 system with nonzero elements along the diagonal, for example, the jth iteration values are found from the j-1th iteration using:

Ec. derivadas parciales 43

Método iterativo: Gauss - Seidel

x1j =

b1 − a12x2j−1 − a13x3

j−1

a11

x2j =

b2 − a21x1j − a23x3

j−1

a22

x3j =

b3 − a31x1j − a32x2

j

a33

Page 44: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The Jacobi iteration is similar to the Gauss-Seidel method, except the j-1th information is used to update all variables in the jth iteration:

a) Gauss-Seidelb) Jacobi

Ec. derivadas parciales 44

Iteración de Jacobi

Page 45: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The convergence of an iterative method can be calculated by determining the relative percent change of each element in {x}. For example, for the ithelement in the jth iteration,

• The method is ended when all elements have converged to a set tolerance.

Ec. derivadas parciales 45

Convergencia

%1001

, ×−

=−

ji

ji

ji

ia xxxε

Page 46: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The Gauss-Seidel method may diverge, but if the system is diagonally dominant, it will definitely converge.

• Diagonal dominance means:

Ec. derivadas parciales 46

Dominancia diagonal

aii > aijj=1j≠i

n

Page 47: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• To enhance convergence, an iterative program can introduce relaxation where the value at a particular iteration is made up of a combination of the old value and the newly calculated value:

where λ is a weighting factor that is assigned a value between 0 and 2.– 0<λ<1: underrelaxation– λ=1: no relaxation– 1<λ≤2: overrelaxation

Ec. derivadas parciales 47

Relajación

( ) oldnewnew 1 iii xxx λλ −+=

Page 48: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 48

Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

Page 49: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Ordinary Differential Equations have only one independent variable

• Partial Differential Equations have more than one independent variable

• subject to certain conditions: where u is the dependent variable, and x and y are the independent variables.

Ec. derivadas parciales 49

Ecuaciones en derivadas parciales

5)0(,353 2 ==+ − yeydxdy x

222

2

2

2

3 yxyu

xu

+=∂∂

+∂∂

Page 50: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• where are functions of , and . is a function of

• can be:Elliptic if B2 – 4AC < 0Parabolic if B2 – 4AC = 0Hyperbolic if B2 – 4AC > 0

Ec. derivadas parciales 50

Clasificación de EDPs de 2 orden

02

22

2

2

=+∂∂

+∂∂

∂+

∂∂ D

yuC

yxuB

xuA

, , and , .u ux y ux y

∂ ∂∂ ∂

CBA and,, yx andD

Page 51: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• EllipticLaplace equation

• ParabolicHeat equation

• Hyperbolic Wave equation

Ec. derivadas parciales 51

Ejemplos de EDPs de 2 orden

02

2

2

2

=∂∂

+∂∂

yT

xT

2

2

xTk

tT

∂∂

=∂∂

2

2

22

2 1ty

cxy

∂∂

=∂∂

2

1,0,1c

CBA −===

0,0, === CBkA

1,0,1 === CBA

Page 52: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Schematic diagram of a plate with specified temperature boundary conditions

• The Laplace equation governs the temperature:

Ec. derivadas parciales 52

Ejemplo físico de una PDE elíptica

02

2

2

2

=∂∂

+∂∂

yT

xT

bT

lT

tT

rT

L

W

x

y

Page 53: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 53

Discretizando la PDE elíptica

tT

rT

x

y

),( ji ),1( ji +

)1,( −ji

),1( ji −

)1,( +ji

)0,0()0,(m

),0( n

bT

lT ),( ji

x∆

y∆x∆y∆

mLx =∆

nWy =∆

( )22

2 ),(),(2),(),(x

yxxTyxTyxxTyxxT

∆∆−+−∆+

≅∂∂

( )22

2 ),(),(2),(),(y

yyxTyxTyyxTyxyT

∆∆−+−∆+

≅∂∂

Page 54: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 54

Discretizando la PDE elíptica

tT

rT

x

y

),( ji ),1( ji +

)1,( −ji

),1( ji −

)1,( +ji

)0,0()0,(m

),0( n

bT

lT ),( ji

x∆

y∆x∆y∆

( )2,1,,1

,2

2 2x

TTTxT jijiji

ji ∆

+−≅

∂∂ −+

( )21,,1,

,2

2 2y

TTTyT jijiji

ji ∆

+−≅

∂∂ −+

( )22

2 ),(),(2),(),(x

yxxTyxTyxxTyxxT

∆∆−+−∆+

≅∂∂

( )22

2 ),(),(2),(),(y

yyxTyxTyyxTyxyT

∆∆−+−∆+

≅∂∂

Page 55: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Substituting these approximations into the Laplace equation yields:

• if,• the Laplace equation can be rewritten as

(Eq. 1)• there are several numerical methods that can be used to solve the

problem:Direct MethodGauss-Seidel MethodLieberman Method

Ec. derivadas parciales 55

Discretizando la PDE elíptica

02

2

2

2

=∂∂

+∂∂

yT

xT

( ) ( )0

222

1,,1,2

,1,,1 =∆

+−+

+− −+−+

yTTT

xTTT jijijijijiji

yx ∆=∆

04 ,1,1,,1,1 =−+++ −+−+ jijijijiji TTTTT

Page 56: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider a plate that is subjected to the boundary conditions shown below. Find the temperature at the interior nodes using a square grid with a length of by using the direct method.

Ec. derivadas parciales 56

Ejemplo 1: Método directo

mm 0.34.2 ×

m6.0

C°50

C°75

C°300

C°100

m4.2

m0.3

x

y

L

W

Page 57: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• We discretize the plate by taking,

• The nodal temperatures at the boundary nodes are given by:

Ec. derivadas parciales 57

Ejemplo 1: Método directo

myx 6.0=∆=∆

x

y

0,0T0,1T 0,2T 0,3T 0,4T

1,0T

2,0T

3,0T

4,0T

5,0T

1,1T 1,2T 1,3T 1,4T

2,1T 2,2T 2,3T 2,4T

3,1T 3,2T 3,3T 3,4T

4,1T 4,2T4,3T 4,4T

5,1T 5,2T 5,3T 5,4TC°300

C°100

C°50

C°75

3,2,1,3003,2,1,50

4,3,2,1,100

4,3,2,1,75

5,

0,

,4

,0

==

==

==

==

iTiT

jTjT

i

i

j

j

4=∆

=x

Lm 5=∆

=y

Wn

Page 58: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• the equation for the temperature at the node (2,3)

• i=2 and j=3

Ec. derivadas parciales 58

Ejemplo 1: Método directo

x

y

0,0T0,1T 0,2T 0,3T 0,4T

1,0T

2,0T

3,0T

4,0T

5,0T

1,1T 1,2T 1,3T 1,4T

2,1T 2,2T 2,3T 2,4T

3,1T 3,3T 3,4T

4,1T 4,2T4,3T 4,4T

5,1T 5,2T 5,3T 5,4T

3,2T

04 3,22,24,23,13,3 =−+++ TTTTT04 3,34,23,22,23,1 =++−+ TTTTT

04 ,1,1,,1,1 =−+++ −+−+ jijijijiji TTTTT

Page 59: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• We can develop similar equations for every interior node leaving us with an equal number of equations and unknowns.

• For this problem the number of equations generated is 12

Ec. derivadas parciales 59

Ejemplo 1: Método directo

Page 60: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The corner nodal temperature of are not needed• To get the temperature at the interior nodes we have to write Equation 1

for all the combinations of i and j, i=1 and j=1i=1 and j=2i=1 and j=3i=1 and j=4i=2 and j=1i=2 and j=2i=2 and j=3i=2 and j=4i=3 and j=1i=3 and j=2i=3 and j=3i=3 and j=4

Ec. derivadas parciales 60

Ejemplo 1: Método directo

0,00,45,45,0 ,,, TTTT

1,....,1;1,....,1 −=−= njmi1254 1,22,11,1 −=++− TTT

754 2,23,12,11,1 −=++− TTTT754 3,24,13,12,1 −=++− TTTT

3754 4,24,13,1 −=+− TTT504 1,32,21,21,1 −=++− TTTT

04 2,33,22,21,22,1 =++−+ TTTTT04 3,34,23,22,23,1 =++−+ TTTTT

3004 4,34,23,24,1 −=+−+ TTTT1504 2,31,31,2 −=+− TTT

1004 3,32,31,32,2 −=+−+ TTTT1004 4,33,32,33,2 −=+−+ TTTT

4004 4,33,34,2 −=−+ TTT

Page 61: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• We can use Excel and matrix operations to solve the linear equations system

Ec. derivadas parciales 61

Ejemplo 1: Método directo

T1,1 T1,2 T1,3 T1,4 T2,1 T2,2 T2,3 T2,4 T3,1 T3,2 T3,3 T3,4 RHE-4 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 -125 T1,1 74.87191 -4 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 -75 T1,2 95.89590 1 -4 1 0 0 1 0 0 0 0 0 -75 T1,3 127.80360 0 1 -4 1 0 0 1 0 0 0 0 -375 T1,4 196.92881 0 0 0 -4 1 0 0 1 0 0 0 -50 T2,1 78.59170 1 0 0 1 -4 1 0 0 1 0 0 0 T2,2 105.90820 0 1 0 0 1 -4 1 0 0 1 0 0 T2,3 143.38960 0 0 1 0 0 1 -4 0 0 0 1 -300 T2,4 206.32000 0 0 0 1 0 0 0 -4 1 0 0 -150 T3,1 83.58680 0 0 0 0 1 0 0 1 -4 1 0 -100 T3,2 105.75540 0 0 0 0 0 1 0 0 1 -4 1 -100 T3,3 133.52670 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 -4 -400 T3,4 184.9617

300.0 300.0 300.0

75.0 196.9 206.3 185.0 100.0

75.0 127.8 143.4 133.5 100.0

75.0 95.9 105.9 105.8 100.0

75.0 74.9 78.6 83.6 100.0

50.0 50.0 50.0

Page 62: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Recall the discretized equation

• This can be rewritten as

• For the Gauss-Seidel Method, this equation is solved iteratively for all interior nodes until a pre-specified tolerance is met.

Ec. derivadas parciales 62

Método Gauss-Seidel

04 ,1,1,,1,1 =−+++ −+−+ jijijijiji TTTTT

41,1,,1,1

,−+−+ +++

= jijijijiji

TTTTT

Page 63: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider a plate that is subjected to the boundary conditions shown below. Find the temperature at the interior nodes using a square grid with a length of using the Gauss-Siedelmethod. Assume the initial temperature at all interior nodes to be .

Ec. derivadas parciales63

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel

mm 0.34.2 ×

m6.0

C°50

C°75

C°300

C°100

m4.2

m0.3

x

y

L

W

C°0

Page 64: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Discretizing the plate by taking,

• The nodal temperatures at the boundary nodes are given by:

Ec. derivadas parciales 64

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel

myx 6.0=∆=∆

x

y

0,0T0,1T 0,2T 0,3T 0,4T

1,0T

2,0T

3,0T

4,0T

5,0T

1,1T 1,2T 1,3T 1,4T

2,1T 2,2T 2,3T 2,4T

3,1T 3,2T 3,3T 3,4T

4,1T 4,2T4,3T 4,4T

5,1T 5,2T 5,3T 5,4TC°300

C°100

C°50

C°75

3,2,1,3003,2,1,50

4,3,2,1,100

4,3,2,1,75

5,

0,

,4

,0

==

==

==

==

iTiT

jTjT

i

i

j

j

4=∆

=x

Lm 5=∆

=y

Wn

Page 65: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Now we can begin to solve for the temperature at each interior node using

• Assume all internal nodes to have an initial temperature of zero.• Iteration 1:

i=1 and j=1 i=2 and j=3 i=1 and j=2 i=2 and j=4 i=1 and j=3 i=3 and j=1i=1 and j=4 i=3 and j=2i=2 and j=1 i=3 and j=3i=2 and j=2 i=3 and j=4

Ec. derivadas parciales 65

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel

CT º25.311,1 =

5,4,3,2,1;4,3,2,1,4

1,1,,1,1, ==

+++= −+−+ ji

TTTTT jijijiji

ji

CT º5625.262,1 =

CT º3906.253,1 =

CT º098.1004,1 =

CT º3125.201,2 =

CT º7188.112,2 =

CT º27735.93,2 =

CT º344.1024,2 =

CT º5781.421,3 =

CT º5742.382,3 =

CT º9629.363,3 =

CT º827.1344,3 =

Page 66: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Iteration 2:we take the temperatures from iteration 1 and calculate the approximated error.

i=1, j=1 i=2, j=3 i=1, j=2 i=2, j=4 i=1, j=3 i=3, j=1i=1, j=4 i=3, j=2i=2, j=1 i=3, j=3i=2, j=2 i=3, j=4

Ec. derivadas parciales 66

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel

CT º9688.421,1 =

CT º7596.382,1 =

CT º7862.553,1 =

CT º283.1334,1 =

CT º8164.361,2 =

CT º8594.302,2 =

CT º4881.563,2 =

CT º150.1564,2 =

CT º3477.561,3 =

%27.271,1=aε %58.83

3,2=aε

%49.312,1=aε

100,

,,,

×−

= presentji

previousji

presentji

jia TTT

ε

%49.543,1=aε

%90.244,1=aε

%83.441,2=aε

%03.622,2=aε

%46.344,2=aε

%44.241,3=aε

%70.312,3=aε

%44.573,3=aε

%12.164,3=aε

CT º0425.562,3 =

CT º8394.863,3 =

CT º747.1604,3 =

Page 67: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

67

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel

Node Temperature Distribution in the Plate (°C)Number of Iterations

1 2 10

31.2500 42.9688 73.0239

26.5625 38.7695 91.9585

25.3906 55.7861 119.0976

100.0977 133.2825 172.9755

20.3125 36.8164 76.6127

11.7188 30.8594 102.1577

9.2773 56.4880 137.3802

102.3438 156.1493 198.1055

42.5781 56.3477 82.4837

38.5742 56.0425 103.7757

36.9629 86.8393 130.8056

134.8267 160.7471 182.2278

1,1T

2,1T

3,1T4,1T

1,2T

2,2T

3,2T4,2T

1,3T2,3T

3,3T4,3T

Ec. derivadas parciales

Page 68: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The numerical solution of Laplace equation at a point is the average of four neighbors

• Example for cell S8: =(S7+S9+R8+T8)/4

• Enter the boundary conditions in the appropriate cells. • Copy and paste to cover the cells where values of the potential are to

be calculated. This calculation contains a "circular reference“.

Ec. derivadas parciales 68

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel in Excel

41,1,,1,1

,−+−+ +++

= jijijijiji

TTTTT

Page 69: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• To allow circular references and enable iterations:File → Options → FormulasOn the "Calculations options" form select "Enable iterative calculation"

We can increase the Maximum Iterations (100 is the deafult) andreduce the Maximum Change (0.001 is the default). Iterations will stop when the maximum iteration is reached or the change is less than themaximum change.

• F9 to recalculate.Ec. derivadas parciales 69

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel in Excel

Page 70: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Color cell based on valueTo achieve the cell color based on value: Inicio → Estilos → Formato condicional → Escalas de color → Más reglasWe can chose a 3 color scale with blue for mimimum, white or gray formidpoint and red for maximum.

Ec. derivadas parciales 70

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel in Excel

Page 71: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Plotting the resultsNormally we use the chart type Surface or Contour.

Ec. derivadas parciales 71

Ejemplo 2: Método Gauss-Seidel in Excel

Page 72: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 72

Ejemplo 3: Uso de SolverFinite Difference Solution

8 0 0 0 0 0 0 07 100 51.74 33.90 26.95 25.07 26.95 33.90 51.74 1006 100 73.07 56.89 48.82 46.39 48.82 56.89 73.07 1005 100 83.64 71.80 65.03 62.86 65.03 71.80 83.64 1004 100 89.71 81.62 76.65 75.00 76.65 81.62 89.71 1003 100 93.56 88.31 84.97 83.83 84.97 88.31 93.56 1002 100 96.23 93.11 91.07 90.37 91.07 93.11 96.23 1001 100 98.26 96.80 95.85 95.52 95.85 96.80 98.26 1000 100 100 100 100 100 100 100

x\y 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Residuals-squared87 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00006 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00005 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00004 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00003 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00001 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.00000

x\y 0 1 2 3 4 5 6 7 8

sum = 2.7745E-13

=(-4*D5+D4+D6+C5+E5)^2

=SUMA(D17:J23)

Page 73: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Recall the equation used in the Gauss-Siedel Method,

• Because the Gauss-Siedel Method is guaranteed to converge, we can accelerate the process by using overrelaxation. In this case,

• The λ is known as the “overrelaxation parameter" and is in the range 0 < λ < 2.

Ec. derivadas parciales 73

Método de Lieberman

41,1,,1,1

,−+−+ +++

= jijijijiji

TTTTT

oldji

newji

relaxedji TTT ,,, )1( λλ −+=

Page 74: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• In the past examples, the boundary conditions on the plate had a specified temperature on each edge. What if the conditions are different ? For example, what if one of the edges of the plate is insulated.

• In this case, the boundary condition would be the derivative of the temperature. Because if the right edge of the plate is insulated, then the temperatures on the right edge nodes also become unknowns.

Ec. derivadas parciales 74

Condiciones de contorno alternativas

C°50

C°75

C°300

m4.2

m0.3

x

y

Insulated

Page 75: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The finite difference equation in this case for the right edge for the nodes for

• However the node is not inside the plate. The derivative boundary condition needs to be used to account for these additional unknown nodal temperatures on the right edge. This is done by approximating the derivative at the edge node as

Ec. derivadas parciales 75

Condiciones de contorno alternativas

C°50

C°75

C°300

m4.2

m0.3

x

y

Insulated

),( jm 1,..3,2 −= nj04 ,1,1,,1,1 =−+++ +−−+ jmjmjmjmjm TTTTT

),1( jm +

),( jm

)(2,1,1

, xTT

xT jmjm

jm ∆

−≅

∂∂ −+

Page 76: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Rearranging this approximation gives us,

• We can then substitute this into the original equation gives us,

• Recall that is the edge is insulated then,

• Substituting this again yields,

Ec. derivadas parciales 76

Condiciones de contorno alternativas

jmjmjm x

TxTT,

,1,1 )(2∂∂

∆+= −+

04)(22 ,1,1,,

,1 =−++∂∂

∆+ +−− jmjmjmjm

jm TTTxTxT

0,

=∂∂

jmxT

042 ,1,1,,1 =−++ +−− jmjmjmjm TTTT

Page 77: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The general form for a second order linear PDE with two independent variables and one dependent variable is

• The criteria for an equation of this type to be considered parabolic:

• Examine the heat-conduction equation given by

where thus we can classify this equation as parabolic.

Ec. derivadas parciales 77

Ecuaciones en derivadas parciales parabólicas

02

22

2

2

=++∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

∂+

∂∂ GFu

yuE

xuD

yuC

yxuB

xuA

042 =− ACB

tT

xT

∂∂

=∂∂

2

2

α

0,0,1,0,0,0, ==−===== GFEDCBA α

k = thermal conductivity of rod material,ρ = density of rod material,C = specific heat of the rod material.C

α =where

Page 78: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider the flow of heat within a metal rod of length L, one end of which is held at a known high temperature, the other end at a lower temperature.– Heat will flow from the hot end to the cooler end. – We'll assume that the rod is perfectly insulated, so that

heat loss through the sides can be neglected.

• We want to calculate the temperature along the length of the rod as a function of time.

Ec. derivadas parciales 78

Ejemplo de una EDP parabólica

Page 79: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• For a rod of length divided into nodes

• The time is similarly broken into time steps of

• Hence corresponds to the temperature at node ,that is,

and time

Ec. derivadas parciales 79

Discretización de una EDP Parabólica

L 1+nnLx =∆

t∆

jiT i

( )( )xix ∆= ( )( )tjt ∆=

Schematic diagram showing interior nodes

x

1−i i 1+i

x∆ x∆

Page 80: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• If we define we can then write the finite central divided

difference approximation of the left hand side at a general interior node( ) as where ( ) is the node number along

the time.• The time derivative on the right hand side is approximated by the

forward divided difference method as,

Ec. derivadas parciales 80

Solución EDP Parabólica: Método explícito

nLx =∆

Schematic diagram showing interior nodes

x

1−i i 1+i

x∆ x∆

i( )2

11

,2

2 2x

TTTxT j

ij

ij

i

ji ∆+−

≅∂∂ −+ j

tTT

tT j

ij

i

ji ∆−

≅∂∂ +1

,

Page 81: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Substituting these approximations into the governing equation yields

• Solving for the temp at the time node gives

• choosing,

• we can write the equation as,

• we can be solved explicitly: for each internal location node of the rod for time node in terms of the temperature at time node . If we know the temperature at node , and the boundary temperatures, we can find the temperature at the next time step. We continue the process until we reach the time at which we are interested in finding the temperature.

Ec. derivadas parciales 81

Solución EDP Parabólica: Método explícito

( ) tTT

xTTT j

ij

ij

ij

ij

i

∆−

=∆

+− +−+

1

211 2

α

1+j

( )ji

ji

ji

ji

ji TTT

xtTT 112

1 2)( −+

+ +−∆∆

+= α

2)( xt

∆∆

= αλ

( )ji

ji

ji

ji

ji TTTTT 11

1 2 −++ +−+= λ

1+j j0=j

Page 82: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider a steel rod that is subjected to a temperature of on the left end and on the right end. If the rod is of length ,use the explicit method to find the temperature distribution in the rod from and seconds. Use , .

• Given: , ,

• The initial temperature of the rod is .

Ec. derivadas parciales 82

Ejemplo 1 EDP Parabólica: Método explícito

C°100C°25 m05.0

0=t9=t mx 01.0=∆ st 3=∆

KmWk−

= 54 37800mkg

=ρKkg

JC−

= 490

C°20

0=i 1 2 3 4 5

m01.0

CT °= 25CT °=100

Page 83: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Number of time steps

• Recall,

• Then,

• Boundary Conditions

• All internal nodes are at for :

Ec. derivadas parciales 83

Ejemplo 1 EDP Parabólica: Método explícito

smCk /104129.1

490780054 25−×=×

==ρ

α

33

09=

−=

∆−

=ttt initialfinal

( ) ( )4239.0

01.03104129.1 2

52 =×=

∆∆

= −

xtαλ

3,2,1,0allfor25

100

5

0 =

°=

°=j

CTCT

j

j

C°20 sec0=t 1,2,3,4 allfor ,200 =°= iCTi

CT °=10000

nodesInterior

20

20

20

20

04

03

02

01

°=

°=

°=

°=

CTCTCTCT

CT °= 2505

We can now calculate the temperature at each nodeexplicitly using the equation formulated earlier,

( )ji

ji

ji

ji

ji TTTTT 11

1 2 −++ +−+= λ

Page 84: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Nodal temperatures vs. Time

Ec. derivadas parciales 84

Ejemplo 1 EDP Parabólica: Método explícito

sec0=t 0=jCT °=1000

0

nodesInterior

20

20

20

20

04

03

02

01

°=

°=

°=

°=

CTCTCTCT

CT °= 2505

ConditionBoundary10010 −°= CT

CTCTCT

CT

°=

°=

°=

°=

120.22

20

20

912.53

14

13

12

11

ConditionBoundary2515 −°= CT

sec3=t 1=jCT °=1002

0

CTCTCTCT

°=

°=

°=

°=

442.22

889.20

375.34

073.59

24

23

22

21

CT °= 2525

sec6=t 2=j sec9=t 3=jCT °=1003

0

CTCTCTCT

°=

°=

°=

°=

872.22

266.27

132.39

953.65

34

33

32

31

CT °= 2535

Page 85: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 85

Ejemplo 2 EDP Parabólica: Método explícito

Time-dependent Temperature Distribution in a Brass Rod

(Temperature values in bold are constant)

length, cm 10

heat capacity of brass, cal/g/deg 0,09 (hcap)

thermal conductivity of brass, cal/sec/cm/deg 0,26 (k)

density of brass, g/cm3 8,4 (rho)

Coefficient e in general PDE, =k/(hcap*rho) 0,33(e)

∆x 1 (Dx)

∆t 1 (Dt)

f=e*Dt/(Dx^2) 0,33 (f)

Distance x (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

time

t (se

c)

0 100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 100 32,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0

2 100 44,2 10,8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0

3 100 51,6 18,2 3,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0

4 100 56,5 24,4 7,2 1,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0

5 100 60,3 29,3 10,9 2,8 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0

6 100 63,2 33,4 14,3 4,7 1,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0

7 100 65,5 36,9 17,4 6,6 1,9 0,4 0,0 0,0 0,0 0

8 100 67,5 39,9 20,3 8,6 3,0 0,8 0,1 0,0 0,0 0

9 100 69,1 42,5 22,9 10,6 4,1 1,3 0,3 0,1 0,0 0

10 100 70,5 44,8 25,3 12,5 5,3 1,9 0,5 0,1 0,0 0

11 100 71,8 46,9 27,5 14,4 6,6 2,6 0,9 0,2 0,0 0

12 100 72,9 48,7 29,6 16,1 7,8 3,3 1,2 0,4 0,1 0

13 100 73,8 50,4 31,4 17,8 9,1 4,1 1,6 0,6 0,2 0

14 100 74,7 51,9 33,2 19,4 10,3 4,9 2,1 0,8 0,2 0

15 100 75,5 53,2 34,8 21,0 11,5 5,8 2,6 1,0 0,3 0

16 100 76,2 54,5 36,3 22,4 12,7 6,6 3,1 1,3 0,5 0

17 100 76,9 55,7 37,7 23,8 13,9 7,5 3,7 1,6 0,6 0

18 100 77,5 56,8 39,1 25,1 15,1 8,4 4,3 2,0 0,7 0

19 100 78,1 57,8 40,3 26,4 16,2 9,2 4,9 2,3 0,9 0

20 100 78,6 58,7 41,5 27,6 17,2 10,1 5,5 2,7 1,1 0

21 100 79,1 59,6 42,6 28,8 18,3 10,9 6,1 3,1 1,2 0

22 100 79,6 60,4 43,6 29,9 19,3 11,7 6,7 3,5 1,4 0

23 100 80,0 61,2 44,6 30,9 20,3 12,6 7,3 3,8 1,6 0

24 100 80,4 61,9 45,6 31,9 21,2 13,4 7,9 4,2 1,8 0

25 100 80,8 62,6 46,5 32,9 22,2 14,2 8,5 4,6 2,0 0

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100

Tem

pera

ture

ºC

Time sec.

Temperature at x=5cm.

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10

Tem

pera

ture

ºC

Loc ation on rod cm.

Temperature distribution along the length of the rod

t = 20 sec.t = 50 sec.t = 100 sec.

Page 86: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Using the explicit method, we were able to find the temperature at each node, one equation at a time.

• However, the temperature at a specific node was only dependent on the temperature of the neighboring nodes from the previous time step. This is contrary to what we expect from the physical problem.

• The implicit method allows us to solve this and other problems by developing a system of simultaneous linear equations for the temperature at all interior nodes at a particular time.

• The second derivative is approximated by the CDD and the first derivative by the BDD scheme at time level j+1 at node ( i ) as

Ec. derivadas parciales 86

Solución EDP Parabólica: Método implícito

tT

xT

∂∂

=∂∂

2

2

α ( )2

11

111

1,2

2 2x

TTTxT j

ij

ij

i

ji ∆+−

≈∂∂ +

−++

+

+

tTT

tT j

ij

i

ji ∆−

≈∂∂ +

+

1

1,

Page 87: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Substituting these approximations into the heat conduction equation yields

• Rearranging yields

given that

• The rearranged equation can be written for every node during each time step. These equations can then be solved as a simultaneous system of linear equations to find the nodal temperatures at a particular time.

Ec. derivadas parciales 87

Solución EDP Parabólica: Método implícito

tT

xT

∂∂

=∂∂

2

2

α ( ) tTT

xTTT j

ij

ij

ij

ij

i

∆−

=∆

+− ++−

+++

1

2

11

111 2α

ji

ji

ji

ji TTTT =−++− +

+++

−1

111

1 )21( λλλ

( )2xt

∆∆

= αλ

Page 88: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider a steel rod that is subjected to a temperature of on the left end and on the right end. If the rod is of length ,use the implicit method to find the temperature distribution in the rod from and seconds. Use , .

• Given: , ,

• The initial temperature of the rod is .

Ec. derivadas parciales 88

Ejemplo 2 EDP Parabólica: Método implícito

C°100C°25 m05.0

0=t9=t mx 01.0=∆ st 3=∆

KmWk−

= 54 37800mkg

=ρKkg

JC−

= 490

C°20

0=i 1 2 3 4 5

m01.0

CT °= 25CT °=100

Page 89: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Number of time steps

• Recall,

• Then,

• Boundary Conditions

• All internal nodes are at for :

Ec. derivadas parciales 89

Ejemplo 2 EDP Parabólica: Método implícito

smCk /104129.1

490780054 25−×=×

==ρ

α

33

09=

−=

∆−

=ttt initialfinal

( ) ( )4239.0

01.03104129.1 2

52 =×=

∆∆

= −

xtαλ

3,2,1,0allfor25

100

5

0 =

°=

°=j

CTCT

j

j

C°20 sec0=t 1,2,3,4 allfor ,200 =°= iCTi

CT °=10000

nodesInterior

20

20

20

20

04

03

02

01

°=

°=

°=

°=

CTCTCTCT

CT °= 2505

We can now form the system of equations for the first time step by writing the approximated heat conduction equation for each node

ji

ji

ji

ji TTTT =−++− +

+++

−1

111

1 )21( λλλ

Page 90: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Nodal temperatures when• For the first time step we can write four such equations with four

unknowns, expressing them in matrix form yields

• The above coefficient matrix is tri-diagonal, so special algorithms (e.g.Thomas’ algorithm) can be used to solve. The solution is given by

Ec. derivadas parciales 90

Ejemplo 2 EDP Parabólica: Método implícito

sec3=t

=

−−−

−−−

598.302020390.62

8478.14239.0004239.08478.14239.0004239.08478.14239.0004239.08478.1

14

13

12

11

TTTT

=

477.21438.21792.24451.39

14

13

12

11

TTTT

=

25477.21438.21792.24451.39

100

15

14

13

12

11

10

TTTTTT

Page 91: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Nodal temperatures when:

Ec. derivadas parciales 91

Ejemplo 2 EDP Parabólica: Método implícito

sec3=t

=

25477.21438.21792.24451.39

100

15

14

13

12

11

10

TTTTTT

sec6=t sec9=t

=

25836.22876.23669.30326.51

100

25

24

23

22

21

20

TTTTTT

=

25243.24809.26292.36043.59

100

35

34

33

32

31

30

TTTTTT

Page 92: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Using the implicit method our approximation of was of accuracy

, while our approximation of was of accuracy.

• One can achieve similar orders of accuracy by approximating the second derivative, on the left hand side of the heat equation, at the midpoint of the time step. Doing so yields

• The first derivative, on the right hand side of the heat equation, is approximated using the forward divided difference method at time level

,

Ec. derivadas parciales 92

Solución EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

2

2

xT

∂∂

2)( xO ∆tT

∂∂ )( tO ∆

( ) ( )

∆+−

+∆

+−≈

∂∂ +

−++

+−+2

11

111

211

,2

2 222 x

TTTx

TTTxT j

ij

ij

ij

ij

ij

i

ji

α

1+j

tTT

tT j

ij

i

ji ∆−

≈∂∂ +1

,

Page 93: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Substituting these approximations into the governing equation for heat conductance yields

• giving

• where

• Having rewritten the equation in this form allows us to discretize the physical problem. We then solve a system of simultaneous linear equations to find the temperature at every node at any point in time.

Ec. derivadas parciales 93

Solución EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

( ) ( ) tTT

xTTT

xTTT j

ij

ij

ij

ij

ij

ij

ij

i

∆−

=

∆+−

+∆

+− ++−

+++−+

1

2

11

111

211 22

ji

ji

ji

ji

ji

ji TTTTTT 11

11

111 )1(2)1(2 +−

++

++− +−+=−++− λλλλλλ

( )2xt

∆∆

= αλ

Page 94: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Consider a steel rod that is subjected to a temperature of on the left end and on the right end. If the rod is of length ,use the Crank-Nicolson method to find the temperature distribution in the rod from and seconds. Use , .

• Given: , ,

• The initial temperature of the rod is .

Ec. derivadas parciales 94

Ejemplo 3 EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

C°100C°25 m05.0

0=t 9=t mx 01.0=∆ st 3=∆

KmWk−

= 54 37800mkg

=ρKkg

JC−

= 490

C°20

0=i 1 2 3 4 5

m01.0

CT °= 25CT °=100

Page 95: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Number of time steps

• Recall,

• Then,

• Boundary Conditions

• All internal nodes are at for :

Ec. derivadas parciales 95

Ejemplo 3 EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

smCk /104129.1

490780054 25−×=×

==ρ

α

33

09=

−=

∆−

=ttt initialfinal

( ) ( )4239.0

01.03104129.1 2

52 =×=

∆∆

= −

xtαλ

3,2,1,0allfor25

100

5

0 =

°=

°=j

CTCT

j

j

C°20 sec0=t 1,2,3,4 allfor ,200 =°= iCTi

CT °=10000

nodesInterior

20

20

20

20

04

03

02

01

°=

°=

°=

°=

CTCTCTCT

CT °= 2505

We can now form the system of equations for the first time step by writing the approximated heat conduction equation for each node

ji

ji

ji

ji

ji

ji TTTTTT 11

11

111 )1(2)1(2 +−

++

++− +−+=−++− λλλλλλ

Page 96: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Nodal temperatures when• For the first time step we can write four such equations with four

unknowns, expressing them in matrix form yields

• The above coefficient matrix is tri-diagonal, so special algorithms (e.g.Thomas’ algorithm) can be used to solve. The solution is given by

Ec. derivadas parciales 96

Ejemplo 3 EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

sec3=t

=

−−−

−−−

718.52000.40000.4030.116

8478.24239.0004239.08478.24239.0004239.08478.24239.0004239.08478.2

14

13

12

11

TTTT

=

607.21797.20746.23372.44

14

13

12

11

TTTT

=

25607.21797.20746.23372.44

100

15

14

13

12

11

10

TTTTTT

Page 97: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Nodal temperatures when:

Ec. derivadas parciales 97

Ejemplo 3 EDP Parabólica: Método Crank-Nicolson

sec3=t sec6=t sec9=t

=

25607.21797.20746.23372.44

100

15

14

13

12

11

10

TTTTTT

=

25730.22174.23075.31883.55

100

25

24

23

22

21

20

TTTTTT

=

25042.24562.26613.37604.62

100

35

34

33

32

31

30

TTTTTT

Page 98: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The table below allows you to compare the results from all three methods discussed in juxtaposition with the analytical solution.

Ec. derivadas parciales 98

Comparación de métodos: temperaturas en 9 seg.

Node Explicit Implicit Crank-Nicolson Analytical

34

33

32

31

TTTT

042.24562.26613.37604.62

243.24809.26292.36043.59

872.22266.27132.39953.65

610.23844.25084.37510.62

Page 99: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• The general form for a second order linear PDE with two independent variables and one dependent variable is

• The criteria for an equation of this type to be considered hyperbolic:

• The wave equation (oscillatory systems) given by

where thus we can classify this equation as hyperbolic.

Ec. derivadas parciales 99

Ecuaciones en derivadas parciales hiperbólicas

02

22

2

2

=++∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

∂+

∂∂ GFu

yuE

xuD

yuC

yxuB

xuA

042 >− ACB

2

2

2

2

xyk

ty

∂∂

=∂∂

1,0,1 −=== CBA

T = tension,g = gravitational constant,w = weight/unit =W/L ,W=weight, L=lengthw

Tgk =where

Page 100: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• A string of certain length and weight is under a fixed tension. Initially the mid-point of the string is displaced some distance from its equilibrium position and released.

• We want to calculate the displacement as a function of time at fixed intervals along the length of the string.

Ec. derivadas parciales 100

Ejemplo de una EDP hiperbólica

Page 101: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• Once again, we can solve the problem by replacing derivatives by finite differences.

• which, when rearranged, yields

• If we set , the above equation is simplified to

• When employing the simplified equation, the value of is determined by the expression .To begin the calculations (value at t1),

it is required values of the function at t0 = 0 and also a value at t-1. We can get a value for the function at t-1 by making use of the fact that the function is periodic. We can use for the first row.

Ec. derivadas parciales 101

Solución EDP hiperbólica: Método explícito

( ) ( )

+−=

∆+− −+

−+

211

2

11 22x

TTTw

Tgt

TTT ji

ji

ji

ji

ji

ji

( )( )

( )( )

ji

ji

ji

ji

ji T

xt

wTgTTT

xt

wTgT

∆∆

−+−+∆∆

= −−+

+2

21

112

21 12)(

( ) ( ) 122 =∆∆ xwtTg1

111 −

−++ −+= j

ij

ij

ij

i TTTTt∆

wTgxt/

∆=∆

2

01

011 −+ +

= iii

TTT

Page 102: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

• A string 50 cm long and weighing 0.5 g is under a tension of 33 kg. Initially the mid-point of the string is displaced 0.5 cm from its equilibrium position and released. We want to calculate the displacement as a function of time at 5 cm intervals along the length of the string, using equation

• From equation the must be 8.8 x 10-5 seconds.

Ec. derivadas parciales 102

Ejemplo 1 EDP hiperbólica

111

1 −−+

+ −+= ji

ji

ji

ji TTTT

wTgxt/

∆=∆ t∆

Page 103: Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales - …personales.unican.es/corcuerp/NM/Slides/edp.pdf · Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Pedro Corcuera Dpto. Matemática

Ec. derivadas parciales 103

Ejemplo 1 EDP hiperbólicaThe Wave Equation:Vibration of a String

length, cm 50 (L)tension, g 33000 (T)weight,g 0,5 (Wt)weight per unit length, g/cm 0,01 (w)

gravitational constant, cm/sec2 980 (g)Dx 5 (Dx)Dt 8,79E-05 (Dt)

Distance x (cm)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

time

t (se

c)

0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 08,8E-05 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2 0,1 01,8E-04 0 0,1 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 02,6E-04 0 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 03,5E-04 0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 04,4E-04 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 05,3E-04 0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 06,2E-04 0 -0,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 07,0E-04 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,1 07,9E-04 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 08,8E-04 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 09,7E-04 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 01,1E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,1 01,1E-03 0 -0,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 01,2E-03 0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 01,3E-03 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 01,4E-03 0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 01,5E-03 0 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 01,6E-03 0 0,1 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 01,7E-03 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2 0,1 01,8E-03 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 01,8E-03 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2 0,1 01,9E-03 0 0,1 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 02,0E-03 0 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 02,1E-03 0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 02,2E-03 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 02,3E-03 0 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 02,4E-03 0 -0,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 02,5E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,1 02,5E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 02,6E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 02,7E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 02,8E-03 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,1 0

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003

Disp

lacem

ent (

cm.)

Time (sec.)

Displacement evolution at 25 cm