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Máster y doctorado

Métodos espectrales para ecuaciones diferenciales

Una función puede representarse por valores en una malla o por la suma de ondas. En un método espectral guardamos las amplitudes de esas ondas y resolvemos cómo cambian. Veremos que derivar puede volverse muy sencillo, pero muestrear, imponer fronteras y avanzar en el tiempo siguen necesitando cuidado.

1. Los coeficientes describen ondas que ocupan todo el dominio

En un dominio periódico de longitud 2π, una aproximación es u_K(x,t)=\sum_{|k|\le K}a_k(t)e^{ikx}. k indica frecuencia espacial, a_{k} su amplitud y fase. Cada base ocupa todo el dominio: son funciones globales, a diferencia de piezas locales de una malla.

Para una función real se cumple a_{-k}=\overline{a_k}. Se puede trabajar equivalentemente con senos y cosenos reales. El modo cero es constante en x y su coeficiente es la media espacial. Se fija el período antes de interpretar las frecuencias.

Leer una suma sin calcular una transformada

u(x)=2+3cos(x)+cos(3x).

  1. Media

    La constante dos es la media.

  2. Ondas

    Hay una oscilación de frecuencia uno y amplitud tres, y otra de frecuencia tres y amplitud uno.

  3. Complejos

    a₀=2, a₁=a₋₁=3/2 y a₃=a₋₃=1/2.
Resultado

La misma función admite dos escrituras equivalentes.

Lo comprobamos

La amplitud del coseno se reparte entre sus dos exponenciales complejas.

Usar un dominio de otra longitud

Período L=4 y modo k=2.

  1. Base

    e^{2\pi ikx/L}.

  2. Sustituir

    El exponente es iπx.

  3. Interpretar

    Hay dos oscilaciones en una longitud cuatro.

Resultado

La frecuencia física depende de k y de L.

Lo comprobamos

No se conserva el factor ik al cambiar de período sin ajustar 2π/L.

2. Galerkin compara coeficientes y colocación impone ecuaciones en puntos

En Galerkin espectral se exige que el residuo sea ortogonal a todos los modos retenidos. Para una ecuación lineal de coeficientes constantes, la ortogonalidad de Fourier separa ecuaciones para los coeficientes.

En colocación se exige la ecuación en puntos y se usa el interpolante trigonométrico o polinómico que representan. La transformada discreta cambia entre valores y coeficientes de ese interpolante. No recupera automáticamente las frecuencias no resueltas de una función arbitraria.

Una ecuación que se separa por modos

u_{t}=u_{xx} y u=a(t)cos(x)+b(t)cos(2x).

  1. Residuo

    (a′+a)cos(x)+(b′+4b)cos(2x).

  2. Probar

    La ortogonalidad con cada coseno obliga a que su coeficiente sea cero.

  3. Sistema

    a′=−a y b′=−4b.
Resultado

Dos amplitudes sustituyen aquí a la ecuación de funciones.

Lo comprobamos

La diagonalización usa la base y el operador concretos.

Qué representa una transformada de muestras

Conocemos u en M puntos periódicos equiespaciados.

  1. Dato

    Solo son M números.

  2. Interpolante

    La transformada asigna coeficientes de una representación trigonométrica con un convenio de frecuencias.

  3. Límite

    Distintas funciones continuas pueden compartir esos M valores.

Resultado

El resultado es exacto para las muestras dadas dentro de la aritmética utilizada.

Lo comprobamos

La ambigüedad de muestreo se estudiará con un dibujo de aliasing.

3. Cada derivada multiplica un modo por un factor conocido

Derivar exp(ikx) da ik exp(ikx). Derivar dos veces da −k² exp(ikx). En una suma finita podemos derivar término a término sin justificar un intercambio infinito. Para período L, los factores son 2πik/L y −(2πk/L)².

El signo negativo distingue difusión de crecimiento. Para −∂xx, el autovalor es positivo k². Si los coeficientes del operador dependen de x, el producto con ellos puede mezclar modos: no todo operador diferencial es diagonal en Fourier.

Derivar un modo real

sin(4x).

  1. Primera

    Su derivada es 4cos(4x).

  2. Segunda

    Es −16sin(4x).

  3. Autovalor

    Para ∂xx es −16; para −∂xx es 16.

Resultado

No se pierde el signo al elevar la frecuencia al cuadrado.

Lo comprobamos

La función base sigue siendo la misma tras dos derivadas.

Ajustar el período

Modo k=2 en un período cuatro.

  1. Número de onda

    2πk/L=π.
  2. Segunda derivada

    El factor es −π².

  3. Comparar

    No es −4, que correspondería a período 2π.

Resultado

Las unidades y la longitud cambian la tasa del operador.

Lo comprobamos

Se deriva la base realmente usada.

4. En el calor los modos altos se disipan más rápido

Para u_{t}=u_{xx} en período 2π, cada coeficiente cumple a_{k}′=−k²a_{k} y por tanto a_k(t)=a_k(0)e^{-k^2t}. Los modos k y −k tienen la misma tasa. El modo cero permanece constante: se conserva la media.

Cada oscilación tiene su propia tasa de disipación
Calor periódico, sin fuentecos(1x): tasa 1cos(3x): tasa 9aₖ(t)=aₖ(0)e⁻ᵏ²ᵗEl modo constante no decae.
Dos modos del calor periódico en un dominio de longitud dos pi. Arriba coseno de x, con tasa uno; abajo coseno de tres x, con tasa nueve. Ambos perfiles iniciales tienen amplitud uno y se dibujan con la misma escala horizontal y vertical, aunque los ejes se trasladan para compararlos por separado. En tiempo t las amplitudes son exp menos t y exp menos nueve t. El dibujo no confunde una mayor frecuencia espacial con una mayor amplitud: las dos comienzan a altura uno. El modo de tres oscilaciones se disipa más rápido porque su segunda derivada multiplica por menos nueve.
Con difusividad ν>0, la tasa es νk².

Esta evolución exacta de los modos retenidos aún omite la parte de la función inicial no representada por ellos. Un buen avance temporal no elimina ese error espacial.

Evolucionar dos amplitudes

u(0,x)=2+3cos(x)+cos(3x).

  1. Constante

    El dos se conserva.

  2. Frecuencia uno

    La amplitud pasa a 3exp(−t).

  3. Frecuencia tres

    La amplitud pasa a exp(−9t).

Resultado

u(t,x)=2+3exp(−t)cos(x)+exp(−9t)cos(3x).

Lo comprobamos

Al sustituir t=0 recuperamos el dato inicial.

Un tiempo común, disipaciones distintas

Amplitudes iniciales uno en k=1 y k=3; t=log(2).

  1. Primera

    exp(−log2)=1/2.
  2. Tercera

    exp(−9log2)=1/512.
  3. Comparación

    La amplitud de mayor frecuencia es 256 veces menor en ese instante.

Resultado

Mayor frecuencia no significa mayor amplitud inicial, sino mayor tasa en este calor.

Lo comprobamos

El dibujo usa iguales escalas para comparar sus perfiles.

5. El paso temporal puede seguir siendo inestable aunque la derivada espacial sea exacta

Euler explícito para a_{k}′=−k²a_{k} multiplica por 1−k²Δt.
Para no amplificar la magnitud de un modo se requiere |1−k²Δt|≤1.

Con K≥1, el conjunto retenido exige Δt≤2/K² en este modelo.

La igualdad en el extremo permite un factor −1, que no reproduce la disipación exacta. Euler implícito multiplica por 1/(1+k²Δt) y el avance exponencial por exp(−k²Δt). Estabilidad y precisión temporal siguen siendo propiedades distintas.

Comprobar una frecuencia concreta

k=4 y Δt=1/10 en Euler explícito.

  1. Factor

    1−16/10=−3/5.
  2. Magnitud

    Es menor que uno, por tanto no crece.

  3. Precisión

    Invierte el signo; la solución exacta multiplica por exp(−1,6)>0.

Resultado

Un modo estable puede estar mal representado con un paso demasiado grande.

Lo comprobamos

No se confunde ausencia de crecimiento con buena aproximación.

Refinar cambia la restricción

Máxima frecuencia K=10 frente a K=20.

  1. Primera

    Δt≤2/100=1/50.
  2. Segunda

    Δt≤2/400=1/200.
  3. Comparar

    Duplicar K obliga a dividir este límite por cuatro.

Resultado

El sistema modal se vuelve más rígido al retener altas frecuencias.

Lo comprobamos

La cota corresponde a Euler explícito y calor con difusividad uno.

6. La base y las condiciones de frontera se eligen juntas

Fourier completo corresponde a periodicidad. En (0,π), sen(jx) satisface Dirichlet homogéneo en ambos extremos. Para condiciones no homogéneas se puede separar una función que las cumpla y aproximar el resto con una base adecuada.

Chebyshev y Legendre dan bases polinómicas para intervalos no periódicos. Chebyshev cumple T_{n}(cosθ)=cos(nθ), pero derivar T_{n} no equivale a multiplicarlo por in. Sus nodos, productos y matrices de derivación son específicos; los puntos se suelen concentrar cerca de los extremos.

Una base que incorpora la frontera

Buscamos u(0)=u(π)=0.

  1. Probar senos

    sen(j·0)=0 y sen(jπ)=0 para j entero.
  2. Combinar

    Cualquier suma finita de esos senos conserva ambos extremos cero.

  3. Contraste

    Un coseno aislado normalmente no cumple esa misma frontera.

Resultado

La elección elimina de entrada parte de las restricciones.

Lo comprobamos

La ecuación dentro del intervalo todavía debe resolverse.

Chebyshev no usa el mismo factor de derivación

T₂(x)=2x²−1.

  1. Derivar

    T₂′=4x=4T₁(x).
  2. Interpretar

    La derivada cambia de polinomio.

  3. Contraste

    No es 2iT₂ ni −4T₂.

Resultado

Una base global no implica diagonalización de cualquier derivada.

Lo comprobamos

Fourier y Chebyshev tienen estructuras diferentes.

7. La rapidez espectral depende de la suavidad y del empalme periódico

Con regularidad de Sobolev finita se obtienen tasas algebraicas de truncamiento. La analiticidad en una región compleja apropiada puede dar decaimiento exponencial de coeficientes. No basta con denominar espectral a un método para obtener esa rapidez en cualquier dato.

Un salto o un empalme periódico incompatible produce oscilaciones de Gibbs: al añadir modos se estrecha la zona de sobreoscilación, pero su altura relativa no desaparece simplemente en el truncamiento habitual. Un filtro modifica la aproximación; no convierte los datos en una función suave.

Una cola exponencial que se puede sumar

|a_k|\le\rho^{|k|}, con 0<ρ<1.

  1. Cola

    El error uniforme de omitir |k|>K está acotado por 2\sum_{k>K}\rho^k.

  2. Sumar

    \|u-u_K\|_\infty\le\frac{2\rho^{K+1}}{1-\rho}.

  3. Ejemplo

    Con ρ=1/2 y K=3, la cota es 1/4.
Resultado

La tasa rápida procede aquí de una hipótesis explícita sobre coeficientes.

Lo comprobamos

Es una cota, no la suma exacta del error con sus posibles cancelaciones.

Suave dentro, mal empalmada al repetir

La función u(x)=x en [−π,π], extendida periódicamente.

  1. Interior

    Es una recta suave.

  2. Extremos

    El límite por un lado es π y por el otro −π al unir períodos.

  3. Consecuencia

    La prolongación tiene un salto y no puede analizarse como periódica analítica.

Resultado

La compatibilidad de frontera forma parte de la regularidad que se necesita.

Lo comprobamos

El aspecto suave de un tramo no describe su empalme periódico.

8. El muestreo puede confundir frecuencias y los productos crean frecuencias nuevas

En M puntos x_{j}=2πj/M, e^{i(k+M)x_j}=e^{ikx_j}.

Por tanto índices que difieren en un múltiplo de M tienen las mismas muestras. La ambigüedad es aliasing: la transformada no puede separar información que las muestras no distinguen.

Dos ondas distintas pueden tener las mismas muestras
8 muestras equiespaciadasAzul: cos(3x)Verde: cos(5x)En la malla: 5≡−3 (módulo 8)
Azul coseno de tres x y verde coseno de cinco x en cero dos pi. Los ocho puntos rojos son las muestras en x j igual dos pi j dividido por ocho, j cero a siete. En cada punto las dos ondas coinciden porque cinco equivale a menos tres módulo ocho y coseno es par. Entre puntos son funciones distintas. Se dibujan con los mismos ejes y amplitud, sin desplazar una curva para forzar la coincidencia. La muestra final dos pi no se cuenta como novena muestra independiente: repite el punto periódico cero. Esta ambigüedad es aliasing, no un error de la transformada rápida al calcular las muestras dadas.

Multiplicar dos expansiones hasta |k|≤K genera frecuencias hasta 2K. Para obtener los coeficientes del producto retenidos hasta K mediante muestreo, usar M>3K evita que una frecuencia del producto se repliegue a una retenida. Las reglas prácticas de 3/2 o 2/3 expresan versiones de esta separación con convenciones sobre índices y extremos.

Ocho puntos, dos ondas distintas

M=8; comparamos cos(3x) y cos(5x).

  1. Índices

    5≡−3 módulo ocho.

  2. Muestras

    En x_{j}, cos(5x_j)=cos(−3x_j)=cos(3x_j).
  3. Entre nodos

    Las funciones son distintas; por ejemplo en x=π/5 la segunda vale −1 y la primera no.

Resultado

Los ocho valores no identifican cuál de las dos ondas estaba presente.

Lo comprobamos

No se cuenta 2π como una novena muestra independiente de cero.

Un producto puede inventar una frecuencia baja en la malla

cos²(3x)=(1+cos(6x))/2, pero muestreamos en ocho puntos.

  1. Verdadero producto

    Contiene frecuencias cero y seis.

  2. Alias

    En esos puntos cos(6x)=cos(2x).
  3. Retener hasta tres

    Una proyección exacta conservaría solo 1/2; el producto muestreado sin desaliasar introduce cos(2x)/2.

Resultado

Con doce puntos y retención hasta tres, el modo seis no se repliega al rango retenido.

Lo comprobamos

La regla se ha justificado para un producto cuadrático, no para cualquier potencia sin ajustar resolución.

9. La validación separa error espacial, temporal y propiedades de la ecuación

Una solución con modos conocidos permite verificar signos, factores y tiempo de avance. En calor periódico, la media debe permanecer constante y la energía L² debe decrecer: \frac d{dt}\frac12\int|u|^2dx=-\int|u_x|^2dx para soluciones suficientemente regulares.

Se revisan truncamiento, muestreo, productos no lineales y redondeo además del integrador. La FFT hace eficiente un cambio de representación; no elimina errores de modelo ni sustituye las condiciones de convergencia.

Comprobar media y energía

u(t,x)=2+exp(−t)cos(x).

  1. Media

    Es dos, porque el promedio del coseno es cero.

  2. Norma cuadrada

    \int_0^{2\pi}u^2dx=8\pi+\pi e^{-2t}.
  3. Derivar

    La mitad de esa norma tiene derivada −πexp(−2t), igual a -\int_0^{2\pi}u_x^2dx.

Resultado

Las dos propiedades coinciden con la ecuación del calor.

Lo comprobamos

El término constante no se disipa.

Una truncación demasiado pequeña

Dato u₀=cos(3x), pero retenemos solo frecuencias hasta dos mediante proyección exacta.

  1. Proyección

    Todos sus coeficientes retenidos son cero.

  2. Evolución discreta

    El resultado sigue siendo cero con cualquier avance modal exacto.

  3. Exacta

    La solución verdadera es exp(−9t)cos(3x), inicialmente no nula.

Resultado

Integrar exactamente en tiempo no recupera el modo que se descartó en espacio.

Lo comprobamos

El error inicial se debe a representación, no al integrador.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un autovalor

Calcula ∂ₓₓsin(3x).

  1. Leer el modo

    La función es sen(3x).

  2. Primera derivada

    3cos(3x).

  3. Segunda

    3·(−3sen(3x))=−9sen(3x).
  4. Autovalor

    Para ∂xx el factor es −9.

  5. Cambiar operador

    Para −Δ en este caso unidimensional sería +9.

  6. Comprobar

    Dos derivadas recuperan el seno con factor negativo.

Resultado

El autovalor del laplaciano es −9.

Lo comprobamos

Para −Δ sería 9.

EJEMPLO RESUELTO 2

Decaimiento de un modo

Si a₂(0)=5, expresa a₂(t) para el calor.

  1. Leer la frecuencia

    k=2, por tanto k²=4.
  2. Ecuación modal

    a₂′=−4a₂.
  3. Resolver

    a₂(t)=Cexp(−4t).
  4. Dato inicial

    a₂(0)=C=5.
  5. Resultado

    a₂(t)=5exp(−4t).
  6. Comprobar

    En t=0 vale cinco y su derivada es −4 veces ella misma.

Resultado

a₂(t)=5e^(−4t).

Lo comprobamos

En t=0 vuelve a 5.

Los símbolos que hemos usado

Modo de Fourier
Función exp(ikx) para un dominio de período 2π.
a_k(t)
Coeficiente temporal del modo de índice k.
Truncamiento
Retener solo un conjunto finito de modos.
Galerkin
Imponer residuo ortogonal al espacio de pruebas escogido.
Colocación
Imponer la ecuación en nodos seleccionados.
Aliasing
Confusión de frecuencias distintas que producen los mismos valores en la malla.
Gibbs
Oscilación persistente cerca de un salto en aproximaciones truncadas de Fourier.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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