Autor Tema: Aplicación de la regla de la cadena

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02 Mayo, 2023, 10:10 pm
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Juan Hernández

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Demuestre que la ecuación de onda \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}-a\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=0 \) toma la forma \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial r\partial s}=0 \) mediante el cambio de variable \( r=x+at \) y \( s=x-at \).

03 Mayo, 2023, 08:04 am
Respuesta #1

Luis Fuentes

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Hola

Demuestre que la ecuación de onda \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}-a\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=0 \) toma la forma \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial r\partial s}=0 \) mediante el cambio de variable \( r=x+at \) y \( s=x-at \).

 Tienes que:
 
\(  \dfrac{\partial u}{\partial t}=\dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial t}+\dfrac{\partial u}{\partial s}\cdot \dfrac{\partial s}{\partial t}=a\dfrac{\partial u}{\partial r}-a\dfrac{\partial u}{\partial s} \)

\(  \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2}=a\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial t}+a\dfrac{\partial u^2}{\partial r \partial s}\cdot \dfrac{\partial s}{\partial t}-a\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}\dfrac{\partial r}{\partial t}-a\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2}\dfrac{\partial s}{\partial t}=\\
=a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}-a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r \partial s}-a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2}=a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}-2a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2} \)

Análogamente:

\(  \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2}=\ldots=\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}+2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2} \)

Termina...

Saludos.

P.D. Como bien apunta después hméndez (¡gracias!), para que se cumpla lo indicado la ecuación de partida debe de ser:

\( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}-\color{blue}a^2\color{red}\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=0 \)

03 Mayo, 2023, 05:57 pm
Respuesta #2

hméndez

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Hola

Demuestre que la ecuación de onda \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}-a\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=0 \) toma la forma \( \displaystyle\frac{\partial^2 u}{\partial r\partial s}=0 \) mediante el cambio de variable \( r=x+at \) y \( s=x-at \).

 Tienes que:
 
\(  \dfrac{\partial u}{\partial t}=\dfrac{\partial u}{\partial r}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial t}+\dfrac{\partial u}{\partial s}\cdot \dfrac{\partial s}{\partial t}=a\dfrac{\partial u}{\partial r}-a\dfrac{\partial u}{\partial s} \)

\(  \dfrac{\partial^2 u}{\partial t^2}=a\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}\cdot \dfrac{\partial r}{\partial t}+a\dfrac{\partial u^2}{\partial r \partial s}\cdot \dfrac{\partial s}{\partial t}-a\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}\dfrac{\partial r}{\partial t}-a\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2}\dfrac{\partial s}{\partial t}=\\
=a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}-a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r \partial s}-a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2}=a^2\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}-2a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+a^2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2} \)

Análogamente:

\(  \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2}=\ldots=\dfrac{\partial u^2}{\partial r^2}+2\dfrac{\partial^2 u}{\partial s\partial r}+\dfrac{\partial^2 u}{\partial s^2} \)

Termina...

Saludos.

Hola Luis una observación para cualquier usuario que decida llevar el ejercicio a feliz término. En la ecuación (premisa) el parámetro \( a \) que
es la velocidad de propagación de la onda debe ir al cuadrado.

Saludos.

04 Mayo, 2023, 01:54 am
Respuesta #3

Juan Hernández

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Muchas gracias a los dos.
De hecho me di cuenta a la hora de sustituir que tenía que ser \( a^2 \), de otra manera no salía la ecuación deseada.