Tilbake
5.4

5.4 Verifiser at en funksjon løser en PDE + klassifisering (4D-signaturen)

Den faste 4D-spesifikke oppgaven: regn $u_{xx}$, $u_{tt}$/$u_t$ ved direkte innsetting og vis likhet — pluss klassifisering lineær/ikke-lineær og et gradient-innslag.

55 min
13 oppgaver
Verifiser at en funksjon løser en PDE + klassifisering (4D-signaturen)
Din fremgang i kapitlet
0 / 13 oppgaver
Forkunnskaper: kap. 5.3 — derfra trenger du bølgeligningen og formen ϕ(x+ct)+ψ(xct)\phi(x+ct) + \psi(x-ct), som er den vanligste typen funksjon du blir bedt om å verifisere. Kap. 5.1 gir varmelikningen og de separerte løsningene, som er den nest vanligste.

Fra tidligere matematikkemner forutsettes: partiell derivasjon, kjerneregelen, produktregelen, og derivasjon av eaxe^{ax}, sinax\sin ax, cosax\cos ax og potensfunksjoner. Til siste løkke trengs i tillegg vektorer i planet og prikkprodukt.

Kapitlet er forutsetning for kap. 5.5.

Å sjekke svaret er lettere enn å finne det

Tenk deg at noen gir deg tallet 4 913 og spør om det er 17317^3. Du kan enten regne ut tredjeroten — eller gange 17171717\cdot17\cdot17 og sammenlikne. Den andre veien er langt raskere, og den gir sikkert svar.

Nøyaktig det samme gjelder differensiallikninger. Å finne løsningen av utt=4uxxu_{tt} = 4u_{xx} krever d'Alembert eller separasjon. Å sjekke at en foreslått funksjon løser den, krever bare at du deriverer to ganger hver vei og sammenlikner.

Eksamen utnytter dette. I stedet for å be deg løse en likning du kanskje ikke rekker, gir den deg funksjonen og ber deg vise at den passer. Det er en helt egen sjanger med sin egen oppskrift, og den er verdt like mange poeng per minutt som noe annet på settet — ofte mer.

Det andre kapitlet handler om, er å kjenne igjen hva slags likning du ser på: hvilken orden den har, om den er lineær, og om den er homogen. Det er ren avlesning når du vet hva du skal se etter, men det gir poeng, og det avgjør hvilke metoder som i det hele tatt er lovlige.

Kapitlet gjør fire ting: setter opp verifikasjonsoppskriften, klassifiserer likninger, verifiserer mot rand- og initialbetingelser i tillegg til selve likningen, og avslutter med et kort tillegg om gradient og retningsderivert.

Flashcard- og repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing. Definisjonsboksene er samtidig kortene i flashcard-bunken. Tidsanslaget på 55 minutter gjelder kjernestoffet.

Løkke 1 — Verifikasjon ved innsetting (~14 min)

Oppskriften er kort og alltid den samme. Det som skiller en full besvarelse fra en halv, er at alle mellomsteg står der — sensor skal kunne følge derivasjonen uten å regne selv.

Partiell derivert
Den deriverte med hensyn på én variabel, mens de andre holdes fast:

ux=ux,ut=ut,uxx=2ux2,utt=2ut2.u_x = \frac{\partial u}{\partial x}, \qquad u_t = \frac{\partial u}{\partial t}, \qquad u_{xx} = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}, \qquad u_{tt} = \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}.

Fotskriftnotasjonen leses fra venstre mot høyre: uxtu_{xt} betyr «deriver først med hensyn på xx, så med hensyn på tt». For de funksjonene du møter her, spiller rekkefølgen ingen rolle: uxt=utxu_{xt} = u_{tx}.

Kjerneregelen for sammensatte argumenter
Er u=h(ax+bt)u = h(ax + bt), og vi setter s=ax+bts = ax + bt, så er

ux=ah(s),ut=bh(s),uxx=a2h(s),utt=b2h(s).u_x = a\,h'(s), \qquad u_t = b\,h'(s), \qquad u_{xx} = a^2h''(s), \qquad u_{tt} = b^2h''(s).

Den indre deriverte kommer ned som en faktor hver gang du deriverer. Deriverer du to ganger, kommer den ned to ganger — derfor a2a^2 og b2b^2, og derfor forsvinner fortegnet ved dobbeltderivasjon.

Dette er den ene regelen hele kapitlet hviler på. Nesten alle feil i sjangeren er en glemt eller feil indre derivert.

Verifikasjon ved innsetting

Å vise at en gitt funksjon uu oppfyller en gitt likning ved å regne ut hver derivert som forekommer, sette dem inn, og vise at de to sidene blir like.

Det er ikke nok å påstå at de blir like. Skriv ut venstresiden, skriv ut høyresiden, og avslutt med en linje som sier at de er identiske. Løsningsforslagene gjør nettopp det, og instruksen på settet krever at tenkemåten klart framgår.

Oppskrift: verifiser i fire steg

1. Navngi de indre argumentene. Står det cos(4x2t)\cos(4x - 2t), skriv «sett s=4x2ts = 4x - 2t, med sx=4s_x = 4 og st=2s_t = -2».
2. Regn ut hver derivert som forekommer i likningen, én linje per derivert, i rekkefølgen uxu_x, uxxu_{xx}, utu_t, uttu_{tt}.
3. Sett inn i venstresiden og i høyresiden hver for seg, og forenkle begge.
4. Konkluder med at de er like — eller ikke like, hvis det er det oppgaven ber deg avgjøre.

Fire steg, fem minutter. Gjør det i denne rekkefølgen hver gang, så bommer du ikke.

✏️Verifikasjon: en sum av to bølgeledd
Vis ved innsetting at

u(x,t)=(x+3t)4sin(2x6t)u(x,t) = (x + 3t)^4 - \sin(2x - 6t)

løser bølgeligningen utt=9uxxu_{tt} = 9u_{xx}.

Steg 1 — les av argumentene. Første ledd har argumentet x+3tx + 3t, andre ledd 2x6t=2(x3t)2x - 6t = 2(x - 3t). Begge er på formen x±ctx \pm ct med c=3c = 3 — det stemmer med at c2=9c^2 = 9. Det er allerede et godt tegn, men det er ikke et bevis; vi regner.

Steg 2 — deriver med hensyn på tt. Den indre deriverte er 33 i første ledd og 6-6 i andre:

ut=4(x+3t)33cos(2x6t)(6)=12(x+3t)3+6cos(2x6t).u_t = 4(x+3t)^3\cdot 3 - \cos(2x - 6t)\cdot(-6) = 12(x+3t)^3 + 6\cos(2x-6t).

utt=36(x+3t)236sin(2x6t)(6)=108(x+3t)2+36sin(2x6t).u_{tt} = 36(x+3t)^2\cdot 3 - 6\sin(2x-6t)\cdot(-6) = 108(x+3t)^2 + 36\sin(2x-6t).

Steg 3 — deriver med hensyn på xx. Nå er de indre deriverte 11 og 22:

ux=4(x+3t)32cos(2x6t),u_x = 4(x+3t)^3 - 2\cos(2x-6t),

uxx=12(x+3t)2+4sin(2x6t).u_{xx} = 12(x+3t)^2 + 4\sin(2x-6t).

Steg 4 — sett inn.

9uxx=9(12(x+3t)2+4sin(2x6t))=108(x+3t)2+36sin(2x6t).9u_{xx} = 9\left(12(x+3t)^2 + 4\sin(2x-6t)\right) = 108(x+3t)^2 + 36\sin(2x-6t).

Sammenlikn med uttu_{tt} over: uttrykkene er identiske. Altså

utt=9uxx,u_{tt} = 9u_{xx},

og uu løser bølgeligningen.

Hvorfor det måtte gå bra. Begge leddene er funksjoner av x+ctx + ct eller xctx - ct med c=3c = 3, og fra kap. 5.3 vet vi at enhver slik funksjon løser bølgeligningen med den farten. Å nevne dette som en kontroll er verdt et poeng — men det erstatter ikke regningen, som er det oppgaven ber om.

Fella det er verdt å se. Hadde andre ledd vært sin(2x5t)\sin(2x - 5t), ville argumentet svart til farten 5/25/2, ikke 3, og funksjonen ville ikke løst likningen. Sjekk alltid at alle ledd har samme fart før du begynner — det forteller deg hva svaret blir, og da vet du om du har regnet riktig.

📝Oppgave 1
(Innstegsoppgave — ren derivasjon.) Regn ut uxu_x, uxxu_{xx}, utu_t og uttu_{tt} for

u(x,t)=etsinx,u(x,t) = e^{-t}\sin x,

og avgjør hvilken av likningene ut=uxxu_t = u_{xx} og utt=uxxu_{tt} = u_{xx} funksjonen oppfyller.

📝Oppgave 2
Avgjør for hvilke verdier av konstanten c>0c > 0 funksjonen

u(x,t)=(x5t)7+ex5tu(x,t) = (x - 5t)^7 + e^{x - 5t}

løser bølgeligningen utt=c2uxxu_{tt} = c^2u_{xx}. Begrunn uten å regne ut alle deriverte.

Løkke 2 — Klassifisering (~13 min)

Det andre faste delspørsmålet: «avgjør om likningen er lineær». Det er ren avlesning når du vet hva du ser etter — men definisjonen har en detalj som feller mange.

Ordenen til en PDE
Den høyeste ordenen av derivasjon som forekommer.

ut=uxx  (orden 2),ux+uy=0  (orden 1),utt=c2uxx  (orden 2).u_t = u_{xx} \;\text{(orden 2)}, \qquad u_x + u_y = 0 \;\text{(orden 1)}, \qquad u_{tt} = c^2u_{xx} \;\text{(orden 2)}.

Tell antall derivasjoner i det tyngste leddet, ikke antall variabler.

Lineær PDE
En likning der uu og alle dens deriverte forekommer lineært: hvert ledd inneholder høyst én faktor av uu eller en derivert av uu, i første potens, og aldri to slike ganget sammen.

Koeffisientene har lov til å være hvilke som helst funksjoner av de uavhengige variablene. Dette er den detaljen som feller flest:

ut=x2uxx+etsin(x)u+cos(x3)u_t = x^2\,u_{xx} + e^{t}\sin(x)\,u + \cos(x^3)

er lineær, selv om den ser fryktelig ut. Alle de rare funksjonene er funksjoner av xx og tt alene, ikke av uu.

Testen: stryk alt som er en funksjon av bare xx og tt. Er det som står igjen, en sum av ledd som hver inneholder nøyaktig én uu-faktor i første potens? Da er likningen lineær.

Ikke-lineær PDE
En likning der uu eller en derivert opptrer i en potens ulik 1, inne i en ikke-lineær funksjon, eller ganget med en annen uu-faktor.

Eksempler:

uux=1(produkt av to u-faktorer),u\,u_x = 1 \quad (\text{produkt av to } u\text{-faktorer}),
(ux)2+uy=0(andre potens av en derivert),\left(u_x\right)^2 + u_y = 0 \quad (\text{andre potens av en derivert}),
ut=uxx+u3(tredje potens av u),u_t = u_{xx} + u^3 \quad (\text{tredje potens av } u),
ut=sin(u)(u inne i en ikke-lineær funksjon).u_t = \sin(u) \quad (u \text{ inne i en ikke-lineær funksjon}).

Merk at det er uu det handler om. Et ledd som sin(x2)\sin(x^2) gjør ikke likningen ikke-lineær, uansett hvor krokete det ser ut.

Homogen og ikke-homogen PDE
En lineær likning er homogen hvis hvert eneste ledd inneholder en uu-faktor. Har den et ledd som ikke gjør det — et kildeledd — er den ikke-homogen.

ut=uxx(homogen),ut=uxx+sinx(ikke-homogen).u_t = u_{xx} \quad (\text{homogen}), \qquad u_t = u_{xx} + \sin x \quad (\text{ikke-homogen}).

Betydningen er praktisk: superposisjon (fra kap. 5.2) virker bare for homogene likninger. Er likningen ikke-homogen, må du først trekke fra en partikulærløsning — nøyaktig grepet v=uwv = u - w.

De tre klassiske likningene
Varmelikningen:ut=c2uxx(eˊn tidsderivert — jevner ut)\text{Varmelikningen:}\quad u_t = c^2u_{xx} \qquad \text{(én tidsderivert — jevner ut)}

Bølgeligningen:utt=c2uxx(to tidsderiverte — svinger)\text{Bølgeligningen:}\quad u_{tt} = c^2u_{xx} \qquad \text{(to tidsderiverte — svinger)}

Laplace-likningen:uxx+uyy=0(ingen tid — likevekt)\text{Laplace-likningen:}\quad u_{xx} + u_{yy} = 0 \qquad \text{(ingen tid — likevekt)}

Alle tre er lineære, homogene og av andre orden. En løsning av Laplace-likningen kalles en harmonisk funksjon, og beskriver en tilstand som har lagt seg til ro — for eksempel den stasjonære temperaturfordelingen i en plate.

Parabolsk, hyperbolsk og elliptisk

Fagnavnene på de tre typene, i den rekkefølgen likningene står over:

- parabolsk — varmelikningen: én tidsderivert, glatter ut, uendelig utbredelsesfart;
- hyperbolsk — bølgeligningen: to tidsderiverte, transporterer, endelig utbredelsesfart cc;
- elliptisk — Laplace-likningen: ingen tid, ren likevekt.

Du blir sjelden bedt om å bruke navnene på eksamen i dette emnet, men de dukker opp i oppgaveteksten, og det koster ingenting å kjenne dem igjen. Det som derimot spørres om, er lineær eller ikke-lineær.

✏️Klassifisering: seks likninger på rad
For hver likning: angi ordenen, avgjør om den er lineær eller ikke-lineær, og — hvis den er lineær — om den er homogen.

(i)    ut=uxx+sinx(ii)    ut=uux(iii)    utt=uxx+u3\text{(i)}\;\; u_t = u_{xx} + \sin x \qquad \text{(ii)}\;\; u_t = u\,u_x \qquad \text{(iii)}\;\; u_{tt} = u_{xx} + u^3

(iv)    ux+x2uy=ex(v)    (ux)2+uy=0(vi)    uxx+uyy=0\text{(iv)}\;\; u_x + x^2u_y = e^{x} \qquad \text{(v)}\;\; \left(u_x\right)^2 + u_y = 0 \qquad \text{(vi)}\;\; u_{xx} + u_{yy} = 0

(i) ut=uxx+sinxu_t = u_{xx} + \sin x. Høyeste derivasjon er uxxu_{xx}, altså orden 2. Leddene med uu er utu_t og uxxu_{xx}, begge i første potens uten produkter — lineær. Leddet sinx\sin x inneholder ingen uu, så likningen er ikke-homogen. (Dette er varmelikningen med et kildeledd, som i kap. 5.2.)

(ii) ut=uuxu_t = u\,u_x. Orden 1 (bare førstederiverte). Høyresiden er et produkt av uu og uxu_x, altså to uu-faktorer i samme ledd — ikke-lineær. Spørsmålet om homogenitet gir ikke mening for ikke-lineære likninger på samme måte, så det besvares ikke.

(iii) utt=uxx+u3u_{tt} = u_{xx} + u^3. Orden 2. Leddet u3u^3 er uu i tredje potens — ikke-lineær.

(iv) ux+x2uy=exu_x + x^2u_y = e^{x}. Orden 1. Koeffisienten x2x^2 er en funksjon av xx alene, ikke av uu, så leddet x2uyx^2u_y er lineært i uu. Likningen er lineær. Høyresiden exe^x har ingen uu-faktor, så den er ikke-homogen.

(v) (ux)2+uy=0\left(u_x\right)^2 + u_y = 0. Orden 1. Leddet (ux)2(u_x)^2 er en derivert i andre potens — ikke-lineær.

(vi) uxx+uyy=0u_{xx} + u_{yy} = 0. Orden 2, lineær, og hvert ledd inneholder en uu-faktor, altså homogen. Dette er Laplace-likningen.

Oppsummert i en tabell:

LikningOrdenLineær?Homogen?
(i)2janei
(ii)1nei
(iii)2nei
(iv)1janei
(v)1nei
(vi)2jaja

Den ene fella verdt å understreke: i (iv) er x2x^2 og exe^x funksjoner av de uavhengige variablene, ikke av uu. En likning blir aldri ikke-lineær av at koeffisientene eller kildeleddet er kompliserte funksjoner av xx og tt. Det er bare uu og dens deriverte som teller.
📝Oppgave 3
H

For hver likning: angi orden, avgjør lineær eller ikke-lineær, og for de lineære om de er homogene.

a) utt=4uxx3uu_{tt} = 4u_{xx} - 3u
b) ut+ux=u2u_t + u_x = u^2
c) xuxx+cos(t)ut=t3x u_{xx} + \cos(t)\,u_t = t^3
d) uxx+uyy=uxuyu_{xx} + u_{yy} = u_x u_y

📝Oppgave 4
H
Vis at

u(x,y)=ln(x2+y2)u(x,y) = \ln\left(x^2 + y^2\right)

oppfyller Laplace-likningen uxx+uyy=0u_{xx} + u_{yy} = 0 for alle (x,y)(0,0)(x,y) \ne (0,0), og forklar hvorfor origo må utelates.

— naturlig pausepunkt —

Du kan nå verifisere og klassifisere. Det dekker den vanligste 4D-varianten. Resten av kapitlet handler om å verifisere mot flere betingelser samtidig, og om det korte gradient-tillegget. Tar du en pause her, skriv først ned de fire stegene i verifikasjonsoppskriften fra hukommelsen.

Løkke 3 — Verifiser også rand- og initialbetingelsene (~16 min)

Oppgaven stopper sjelden ved likningen. «Vis at uu løser problemet» betyr som regel: likningen, randbetingelsene og initialbetingelsen. Hvert av de tre er egne poeng.

Varmekjernen
Funksjonen

u(x,t)=1tex2/(4t),t>0,u(x,t) = \frac{1}{\sqrt{t}}\,e^{-x^2/(4t)}, \qquad t > 0,

som løser varmelikningen ut=uxxu_t = u_{xx} på hele tallinja.

Den beskriver hvordan en enkelt varmeklump smøres ut: kurven er en klokkeform som blir lavere og bredere med tida, mens arealet under den holder seg konstant. Den generelle formen, som løser ut=c2uxxu_t = c^2u_{xx}, er 1tex2/(4c2t)\displaystyle \frac{1}{\sqrt t}e^{-x^2/(4c^2t)}.

Varmekjernen er en klassisk verifikasjonsoppgave, fordi den ser komplisert ut og krever både produktregelen og kjerneregelen — men går pent opp.

Å verifisere rand- og initialbetingelser

Å sette de aktuelle verdiene inn i den ferdige funksjonen og vise at kravet er oppfylt:

- randbetingelse av Dirichlet-type: sett x=0x = 0 og x=Lx = L i uu, og vis at du får den foreskrevne verdien for alle tt;
- randbetingelse av Neumann-type: regn ut uxu_x først, og sett så inn randpunktene;
- initialbetingelse: sett t=0t = 0 i uu (og i utu_t for bølgeligningen) og sammenlikn med den oppgitte funksjonen.

Hver av disse er ett kort regnestykke og ett poeng. De er nesten gratis, og de er det aller vanligste stedet studenter lar poeng ligge.

✏️Varmekjernen: en verifikasjon med både produkt- og kjerneregel
Vis ved innsetting at

u(x,t)=t1/2ex2/(4t)u(x,t) = t^{-1/2}\,e^{-x^2/(4t)}

løser varmelikningen ut=uxxu_t = u_{xx} for t>0t > 0.

Steg 1 — deriver med hensyn på xx. Her er t1/2t^{-1/2} en konstant. Kjerneregelen på eksponenten, som har x(x24t)=x2t\displaystyle \frac{\partial}{\partial x}\left(-\frac{x^2}{4t}\right) = -\frac{x}{2t}:

ux=t1/2(x2t)ex2/(4t)=x2t3/2ex2/(4t).u_x = t^{-1/2}\cdot\left(-\frac{x}{2t}\right)e^{-x^2/(4t)} = -\frac{x}{2}\,t^{-3/2}e^{-x^2/(4t)}.

Deriver en gang til, nå med produktregelenx2t3/2-\tfrac{x}{2}t^{-3/2} ganger eksponentialen:

uxx=12t3/2ex2/(4t)+(x2t3/2)(x2t)ex2/(4t)u_{xx} = -\frac{1}{2}t^{-3/2}e^{-x^2/(4t)} + \left(-\frac{x}{2}t^{-3/2}\right)\left(-\frac{x}{2t}\right)e^{-x^2/(4t)}

=t3/2ex2/(4t)(12+x24t)=x22t4t5/2ex2/(4t).= t^{-3/2}e^{-x^2/(4t)}\left(-\frac12 + \frac{x^2}{4t}\right) = \frac{x^2 - 2t}{4}\,t^{-5/2}\,e^{-x^2/(4t)}.

Steg 2 — deriver med hensyn på tt. Nå er xx konstant, og vi trenger produktregelen på t1/2t^{-1/2} ganger eksponentialen. Den indre deriverte av eksponenten er t(x24t)=x24t2\displaystyle \frac{\partial}{\partial t}\left(-\frac{x^2}{4t}\right) = \frac{x^2}{4t^2}:

ut=12t3/2ex2/(4t)+t1/2x24t2ex2/(4t)u_t = -\frac12 t^{-3/2}e^{-x^2/(4t)} + t^{-1/2}\cdot\frac{x^2}{4t^2}e^{-x^2/(4t)}

=t3/2ex2/(4t)(12+x24t)=x22t4t5/2ex2/(4t).= t^{-3/2}e^{-x^2/(4t)}\left(-\frac12 + \frac{x^2}{4t}\right) = \frac{x^2 - 2t}{4}\,t^{-5/2}\,e^{-x^2/(4t)}.

Steg 3 — sammenlikn. De to uttrykkene er identiske:

ut=(x22t)ex2/(4t)4t5/2=uxx.u_t = \frac{\left(x^2 - 2t\right)e^{-x^2/(4t)}}{4\,t^{5/2}} = u_{xx}.

Varmelikningen er oppfylt for alle t>0t > 0.

Hvorfor t>0t > 0 må stå der. For t=0t = 0 er både t1/2t^{-1/2} og x2/(4t)x^2/(4t) udefinert. Funksjonen finnes ikke ved t=0t = 0, og påstanden gjelder bare for positive tider. Å skrive det er verdt et poeng — det viser at du vet hva et definisjonsområde er.

Kontroll av rimeligheten. For x=0x = 0 er u=t1/2u = t^{-1/2}, som synker mot null når tt vokser: toppen faller. Og bredden vokser, siden eksponenten x2/(4t)-x^2/(4t) blir flatere. Arealet holder seg: t1/2ex2/(4t)dx=2π\int_{-\infty}^{\infty}t^{-1/2}e^{-x^2/(4t)}\,dx = 2\sqrt{\pi} uansett tt, siden Gauss-integralet gir 4πtt1/2\sqrt{4\pi t}\cdot t^{-1/2}. Konstant areal, synkende topp, økende bredde — nøyaktig som varme skal oppføre seg.

✏️Eksamensnivå: verifiser likningen, randen, initialdataene — og klassifiser
Eksamensoppgave. Betrakt

u(x,t)=3e4tsin2x+e16tsin4x.u(x,t) = 3e^{-4t}\sin 2x + e^{-16t}\sin 4x.

a) Avgjør om likningen ut=uxxu_t = u_{xx} er lineær og homogen, og angi ordenen.
b) Vis ved innsetting at uu løser ut=uxxu_t = u_{xx}.
c) Vis at uu oppfyller randbetingelsene u(0,t)=u(π,t)=0u(0,t) = u(\pi,t) = 0 og initialbetingelsen u(x,0)=3sin2x+sin4xu(x,0) = 3\sin 2x + \sin 4x.
d) Angi grensen når tt \to \infty, og si hvilket ledd som dør ut sist.

a) Klassifisering. Høyeste derivasjon er uxxu_{xx}, altså orden 2. Leddene utu_t og uxxu_{xx} inneholder hver nøyaktig én uu-faktor i første potens, uten produkter — lineær. Begge ledd har en uu-faktor, så det finnes ikke noe kildeledd — homogen.

b) Innsetting. Deriver hvert ledd for seg.

Med hensyn på tt (der sin\sin-faktorene er konstanter):

ut=3(4)e4tsin2x+(16)e16tsin4x=12e4tsin2x16e16tsin4x.u_t = 3\cdot(-4)e^{-4t}\sin 2x + (-16)e^{-16t}\sin 4x = -12e^{-4t}\sin 2x - 16e^{-16t}\sin 4x.

Med hensyn på xx (der eksponentialene er konstanter):

ux=6e4tcos2x+4e16tcos4x,u_x = 6e^{-4t}\cos 2x + 4e^{-16t}\cos 4x,

uxx=12e4tsin2x16e16tsin4x.u_{xx} = -12e^{-4t}\sin 2x - 16e^{-16t}\sin 4x.

De to uttrykkene er identiske, altså ut=uxxu_t = u_{xx}. Oppfylt.

Kontroll av at det måtte gå bra: hvert ledd er på formen en2tsinnxe^{-n^2t}\sin nx, som er nøyaktig produktløsningene fra kap. 5.1 med c2=1c^2 = 1. Her er n=2n = 2 (med n2=4n^2 = 4) og n=4n = 4 (med n2=16n^2 = 16). Eksponentene stemmer.

c) Rand og initialdata.

Randen i x=0x = 0: sin0=0\sin 0 = 0 i begge ledd, så

u(0,t)=3e4t0+e16t0=0for alle t.Oppfylt.u(0,t) = 3e^{-4t}\cdot 0 + e^{-16t}\cdot 0 = 0 \quad \text{for alle } t. \quad\text{Oppfylt.}

Randen i x=πx = \pi: sin2π=0\sin 2\pi = 0 og sin4π=0\sin 4\pi = 0, så

u(π,t)=3e4t0+e16t0=0.Oppfylt.u(\pi,t) = 3e^{-4t}\cdot 0 + e^{-16t}\cdot 0 = 0. \quad\text{Oppfylt.}

Initialbetingelsen: sett t=0t = 0, da er begge eksponentialene lik 1:

u(x,0)=3sin2x+sin4x.Oppfylt.u(x,0) = 3\sin 2x + \sin 4x. \quad\text{Oppfylt.}

d) Grensen. Begge eksponentialene går mot null når tt \to \infty, så

u(x,t)    0.u(x,t) \;\longrightarrow\; 0.

Leddet med den minste eksponenten i tallverdi dør ut sist, altså 3e4tsin2x3e^{-4t}\sin 2x. Ved t=1t = 1 er forholdet mellom leddene e16/e4=e126106e^{-16}/e^{-4} = e^{-12} \approx 6\cdot 10^{-6}: det andre leddet er praktisk talt borte, og profilen er en ren sin2x\sin 2x-bue.

Hva som gir uttelling. Fire delpunkter, fire ulike typer arbeid, og til sammen kanskje ti minutter. Delpunkt a) er ren avlesning. Delpunkt b) krever ryddig derivasjon med begge uttrykk skrevet ut. Delpunkt c) er tre korte innsettinger — de er lette å hoppe over fordi de føles trivielle, men de er egne poeng, og de er merket som egne delpunkter nettopp derfor. Delpunkt d) belønner at du vet at høye moder dør raskest.

📝Oppgave 5
H
Finn alle verdier av konstanten aa slik at

u(x,t)=eatsin3xu(x,t) = e^{-at}\sin 3x

løser varmelikningen ut=2uxxu_t = 2u_{xx}. Vis så at løsningen din også oppfyller u(0,t)=u(π,t)=0u(0,t) = u(\pi,t) = 0.

📝Oppgave 6
H
Betrakt funksjonen

u(x,t)=(x4t)3+ex+4t.u(x,t) = (x - 4t)^3 + e^{x + 4t}.

a) Vis ved innsetting at uu løser utt=16uxxu_{tt} = 16u_{xx}.
b) Skriv uu som en sum av en høyregående og en venstregående bølge, og angi farten.
c) Avgjør om uu også løser varmelikningen ut=16uxxu_t = 16u_{xx}. Begrunn.

Løkke 4 — Tillegg: gradient og retningsderivert (~12 min)

Merk: dette er «bør kjenne til»-stoff — nivå tre i bokas prioritering. Gradient og retningsderivert dukker opp som et lite selvstendig delpunkt i den 4D-spesifikke oppgaven på 2 av 13 gjennomgåtte sett, altså 15 %. Det er lite, men det er billige poeng, og hele apparatet får plass på et kvarter. Har du dårlig tid før eksamen, er dette den ene løkka i Del 5 du kan hoppe over — men bare den.

Gradienten
Vektoren av de partielle deriverte:

f(x,y)=(fx,  fy).\nabla f(x,y) = \left(f_x,\; f_y\right).

Symbolet \nabla leses «nabla». Gradienten peker i den retningen funksjonen vokser raskest, og lengden f|\nabla f| er nettopp den raskeste veksten per lengdeenhet.

Legg merke til at gradienten er en vektor, mens ff er et tall. Å blande de to er den vanligste feilen i denne sjangeren.

Retningsderiverte
Vekstraten til ff i en gitt retning v^\hat{\mathbf v}, altså

Dv^f=fv^,D_{\hat{\mathbf v}}f = \nabla f \cdot \hat{\mathbf v},

der prikken er prikkproduktet.

Tolkning: står du i et punkt i et fjellandskap og går i retning v^\hat{\mathbf v}, er Dv^fD_{\hat{\mathbf v}}f stigningen du opplever. Går du i gradientens retning, får du den bratteste stigningen; går du motsatt vei, den bratteste nedstigningen.

Enhetsretning
En vektor med lengde 1:

v^=vv.\hat{\mathbf v} = \frac{\mathbf v}{|\mathbf v|}.

Retningen må normeres før den brukes i retningsderiverte. Gjør du det ikke, får du et svar som er skalert med lengden av v\mathbf v, og det er den vanligste feilen i denne sjangeren. Er v=(3,4)\mathbf v = (3,4), er v=5|\mathbf v| = 5 og v^=(3/5,4/5)\hat{\mathbf v} = (3/5,\, 4/5).

Nivåkurve
Mengden av punkter der ff har en fast verdi:

f(x,y)=C.f(x,y) = C.

På et kart er nivåkurvene høydekotene. Gradienten står alltid vinkelrett på nivåkurven gjennom punktet — det er en annen måte å si at den peker i retningen der funksjonen endrer seg raskest, siden den ikke endrer seg i det hele tatt langs kurven.

Følgen er praktisk: er du bedt om en retning der ff ikke endrer seg, skal du velge en retning vinkelrett på f\nabla f.

📝Oppgave 7
Sjanger H
La

f(x,y)=x2ey.f(x,y) = x^2e^{y}.

a) Finn f\nabla f og regn den ut i punktet (2,0)(2,0).
b) Finn den retningsderiverte i (2,0)(2,0) i retning v=(1,1)\mathbf v = (1,1).
c) I hvilken retning vokser ff raskest i (2,0)(2,0), og hvor fort?

📝Oppgave 8
Sjanger H
La

f(x,y)=xy2+3x.f(x,y) = xy^2 + 3x.

a) Finn f\nabla f i punktet (1,2)(1,2).
b) Finn den retningsderiverte i (1,2)(1,2) i retning v=(4,3)\mathbf v = (4,-3).
c) Finn en retning der ff ikke endrer seg i det hele tatt i (1,2)(1,2), og begrunn.
d) Hvilken nivåkurve går gjennom (1,2)(1,2)?

Repetisjonsoppgaver
Din fremgang
0 / 5 oppgaver
Symbol- og formelliste

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.

Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.