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Matemáticas para ingeniería

Elementos finitos y formulación variacional introductoria

En lugar de aproximar solo una lista de valores, construiremos una función con piezas sencillas. Cada pieza tendrá una base con forma de sombrero y una aportación calculable. Antes de ensamblar la matriz, veremos por qué la ecuación se puede escribir como una identidad de integrales y qué condiciones de frontera estamos conservando.

1. Multiplicar por una función de prueba permite trasladar una derivada

Partimos de −u″=f en (0,1), con u(0)=u(1)=0.

Si u es suficientemente regular, multiplicamos por una función v que también vale cero en los extremos e integramos: −∫u″v=∫fv.

Integrar por partes da −[u′v]₀¹+∫u′v′=∫fv.
El término de borde desaparece por v(0)=v(1)=0.
Queda ∫u′v′=∫fv.

No se ha supuesto que una sola v determine toda la solución: la formulación exigirá esa igualdad para todas las pruebas admisibles. La ventaja es que ahora solo aparece una derivada de cada función.

Comprobar la identidad con una prueba suave

u=x(1−x), f=2 y v=x(1−x).

  1. Izquierda

    u′=v′=1−2x, así ∫₀¹u′v′dx=∫₀¹(1−2x)²dx=1/3.
  2. Derecha

    ∫₀¹fv dx=2∫₀¹(x−x²)dx=2(1/2−1/3)=1/3.
  3. Borde

    v vale cero en ambos extremos, así el término [u′v] no aporta. La igualdad se verifica con estas funciones.

Resultado

La integral no pierde el significado de la ecuación original.

Lo comprobamos

Comprobar una prueba es un ejemplo; la definición general pide todas las del espacio elegido.

Una función de prueba con dos tramos también permite calcular

La misma u y f; v es el sombrero de altura uno en x=1/2 y cero en los extremos.

  1. Pendientes

    v′=2 en (0,1/2) y −2 en (1/2,1).
  2. Izquierda

    2∫₀¹ᐟ²(1−2x)dx−2∫₁ᐟ²¹(1−2x)dx=1/2+1/2=1.
  3. Derecha

    El área del sombrero es 1/2. Multiplicar por f=2 da uno, en acuerdo con la izquierda.

Resultado

Podemos usar una base lineal por tramos sin exigir una segunda derivada clásica de esa base.

Lo comprobamos

El punto de cambio de pendiente no afecta estas integrales de primeras derivadas débiles.

2. La formulación débil declara el espacio y conserva las condiciones esenciales

H₀¹(0,1) reúne, en este contexto, funciones de cuadrado integrable con primera derivada débil también de cuadrado integrable y traza cero en ambos extremos. Buscamos u en ese espacio con ∫u′v′=∫fv para toda v del mismo espacio, inicialmente con f de L².

La norma de energía es (∫|u′|²)¹ᐟ². En H₀¹ es una norma: una derivada nula obliga a ser constante y la traza cero obliga a que sea la constante cero. La desigualdad de Poincaré controla también el tamaño de u. La acotación y coercividad de esta forma permiten aplicar Lax–Milgram para existencia y unicidad; estas hipótesis pertenecen al problema declarado.

El sombrero pertenece al espacio aunque tenga una esquina

v(x)=2x hasta 1/2 y v(x)=2(1−x) después.

  1. Continuidad y borde

    Ambas expresiones dan uno en el centro y cero en sus extremos correspondientes.

  2. Derivada débil

    Es dos en la primera mitad y menos dos en la segunda, salvo el valor irrelevante de un punto. Su cuadrado integra cuatro, finito.

  3. Admisible

    v está en H₀¹. No necesitamos una derivada segunda clásica en el centro para usarla como prueba de la formulación débil.

Resultado

Débil describe cómo se interpretan derivadas e identidad, no una precisión arbitrariamente mala.

Lo comprobamos

Una función escalón con salto interior no pertenece a H¹: su derivada débil incluiría una delta, que no es una función L².

La misma identidad permite demostrar unicidad

Supongamos dos soluciones débiles u y w del mismo problema de Dirichlet.

  1. Restar

    z=u−w pertenece a H₀¹ y cumple ∫z′v′=0 para toda prueba v.
  2. Elegir prueba

    Tomar v=z da ∫|z′|²=0, así z′ es cero casi en todo punto.

  3. Frontera

    z es constante y sus trazas son cero. Por tanto z=0 y las soluciones coinciden como elementos del espacio.

Resultado

La prueba usa la identidad para una función admisible concreta.

Lo comprobamos

Sin una condición que elimine constantes, este argumento no daría la misma conclusión de unicidad.

3. La malla crea un espacio de funciones, no solo una tabla de coeficientes

Elegimos funciones continuas y lineales en cada elemento de la malla, con extremos cero. Cada nodo interior tiene una base φⱼ que vale uno en él y cero en los demás nodos: un sombrero con soporte en los elementos vecinos.

Los soportes locales conectan nodos vecinos
Una base vale uno en su nodoy cero en los demás nodos.01/41/23/41Cada sombrero ocupa dos elementos.uₕ = U₁φ₁ + U₂φ₂ + U₃φ₃Solo se suman basesque llegan al punto.
En una malla uniforme de cuatro intervalos, las tres bases interiores son sombreros de altura uno y soporte en dos elementos. Cada una se anula en los otros nodos. Una combinación con coeficientes U produce una función continua y lineal en cada elemento; esos coeficientes son sus valores nodales para esta base.
La aproximación uₕ=ΣUⱼφⱼ queda definida en todo el intervalo.
Para esta base concreta, Uⱼ=uₕ(xⱼ).

Otras bases pueden tener coeficientes sin interpretación de valores nodales. La localidad de los soportes hará dispersa la matriz.

Evaluar un sombrero en un punto interior de un elemento

Malla 0,1/4,1/2,3/4,1. Considerar φ₂ con cima en 1/2.

  1. Soporte

    Solo ocupa [1/4,3/4].

    En [1/4,1/2], φ₂(x)=4(x−1/4); en [1/2,3/4], φ₂(x)=4(3/4−x).
  2. Punto

    En x=3/8, φ₂=4(3/8−1/4)=1/2.
  3. Fuera

    En x=1/8 vale cero.

    No se prolonga cada recta fuera del soporte declarado.

Resultado

Una fórmula local necesita su intervalo.

Lo comprobamos

En la cima vale uno y en los dos extremos del soporte vale cero.

Dos bases vecinas construyen el valor entre dos nodos

En la misma malla, coeficientes interiores U=(1,2,1).

  1. Punto 3/8

    Allí φ₁=1/2, φ₂=1/2 y φ₃=0.
  2. Combinar

    uₕ(3/8)=1·(1/2)+2·(1/2)+1·0=3/2.
  3. Comprobar

    Es la interpolación lineal entre valor uno en 1/4 y valor dos en 1/2. En los extremos del dominio, todas las bases interiores valen cero.

Resultado

Los coeficientes especifican una función completa por tramos.

Lo comprobamos

La pendiente puede cambiar en cada nodo aunque la función sea continua.

4. Galerkin pide la identidad para toda la base y produce una matriz positiva

En el espacio finito Vₕ basta probar con cada φᵢ: la identidad es lineal en la función de prueba.

Sustituir uₕ=ΣUⱼφⱼ da ΣⱼKᵢⱼUⱼ=Fᵢ, donde Kᵢⱼ=∫φⱼ′φᵢ′ y Fᵢ=∫fφᵢ.

Exigir solo una prueba si hay varias incógnitas dejaría ecuaciones sin imponer.

La matriz interior de Dirichlet es simétrica definida positiva. Para un vector U no nulo, UᵀKU=∫|uₕ′|²>0: solo una función constante tendría derivada cero y las fronteras cero la eliminarían. Esa propiedad no exige que cada matriz local sea invertible.

Tres sombreros producen tres filas del sistema

Malla uniforme h=1/4, f=2 y extremos cero.

  1. Matriz

    K=4 por la tridiagonal con diagonal dos y vecinas menos uno. Cada sombrero interior tiene área h=1/4, así F=(1/2;1/2;1/2).

  2. Solución

    U=(3/16;1/4;3/16).
    Por ejemplo, la primera fila da 8·(3/16)−4·(1/4)=1/2.
  3. Todas las pruebas

    Las otras filas también dan 1/2. Por linealidad se cumple la identidad para cualquier combinación de las tres bases.

Resultado

El sistema impone todas las condiciones de Galerkin del espacio.

Lo comprobamos

Son valores exactos nodales de x(1−x), pero todavía se interpola linealmente entre ellos.

La positividad puede leerse como suma de diferencias cuadráticas

Malla cualquiera con longitudes hₑ>0, valores nodales U y extremos cero.

  1. Un elemento

    La pendiente es (U derecha−U izquierda)/hₑ. Su energía integrada es (U derecha−U izquierda)²/hₑ.

  2. Sumar

    UᵀKU es la suma de esas cantidades no negativas.

  3. Igualdad cero

    Solo ocurre si todos los valores vecinos coinciden. La conexión de la malla y las fronteras cero obligan entonces a U=0.

Resultado

La matriz global interior tiene una forma cuadrática estrictamente positiva.

Lo comprobamos

Sin imponer Dirichlet, una constante global daría una dirección nula para este operador de derivadas.

5. Las matrices de un elemento salen de sus bases y de la longitud real

En [a, b], hₑ=b−a>0.

Las bases locales son (b−x)/hₑ y (x−a)/hₑ, con derivadas −1/hₑ y 1/hₑ.

Integrar cada producto da Kₑ=(1/hₑ) por [[1,−1],[−1,1]].

Para f constante, las dos cargas locales son fhₑ/2. La matriz de masa, si el problema la necesita, integra bases sin derivar: Mₑ=(hₑ/6) por [[2,1],[1,2]]. No se intercambian masa y rigidez: sus factores de longitud son distintos porque sus integrandos también lo son.

Calcular rigidez y carga antes de ensamblar

Elemento de longitud 1/3 y dato constante f=6.

  1. Derivadas

    Las dos pendientes de base son menos tres y tres.

  2. Rigidez

    Cada producto se integra en longitud 1/3. Kₑ tiene filas (3;−3) y (−3;3).

  3. Carga

    El área de cada base local es (1/3)/2=1/6; multiplicar por seis da Fₑ=(1,1).

Resultado

Rigidez y carga proceden de integrales diferentes.

Lo comprobamos

Kₑ·(1,1)ᵀ=(0,0)ᵀ: el vector constante está en el núcleo; esa singularidad local es esperable.

Integrar las bases en vez de sus derivadas da otra matriz

Elemento de longitud 1/2.

  1. Cuadrados

    La integral de cada base al cuadrado es hₑ/3=1/6.
  2. Cruce

    La integral del producto de ambas bases es hₑ/6=1/12.
  3. Masa

    Mₑ tiene filas (1/6;1/12) y (1/12;1/6). Cada fila suma 1/4, el área de una base, y es distinta de la rigidez con diagonal dos.

Resultado

El nombre de la matriz depende de la forma integral que representa.

Lo comprobamos

La rigidez del mismo elemento tiene factores 1/hₑ=2, mientras la masa escala con hₑ.

6. Ensamblar suma aportaciones y una cuadratura aproximada añade otro error

Cada elemento tiene índices locales que se traducen a nodos globales. Si dos elementos comparten un nodo, ambos aportan a la ecuación correspondiente. Se suman sus contribuciones; sobrescribir una con la otra pierde parte de la identidad integral.

Ensamblar suma las contribuciones de los elementos vecinos
Dos elementos comparten un nodoh izquierdo=1/3; derecho=2/301/3133/2K central = 3+3/2 = 9/2f=2: F central = 1/3+2/3 = 1(9/2)U = 1 → U=2/9
En la malla cero, un tercio, uno, la diagonal central recibe tres del elemento corto y tres medios del largo. Con f constante dos, las cargas locales que llegan al centro son un tercio y dos tercios. Tras fijar los extremos a cero queda nueve medios por U igual a uno, y U vale dos novenos.

Cuando f varía, Fₑ no se obtiene automáticamente usando un único valor de f y la fórmula de carga constante. Se integra f por cada base, o se declara una cuadratura con su grado de exactitud. Una suma local correcta y una cuadratura inadecuada producen errores distintos.

Un elemento corto y otro largo aportan pesos diferentes

Malla 0,1/3,1; f=2 y extremos cero.

  1. Rigidez central

    El elemento izquierdo aporta tres y el derecho 3/2. La diagonal interior es 9/2.

  2. Carga central

    Las áreas locales multiplicadas por dos aportan 1/3 y 2/3. La suma es uno.

  3. Resolver

    (9/2)U=1 da U=2/9.

    Coincide con x(1−x) en x=1/3, usando longitudes distintas de forma coherente.

Resultado

La longitud de cada elemento se conserva durante todo el cálculo.

Lo comprobamos

Usar h=1/2 para ambos habría cambiado tanto rigidez como carga.

El punto medio no integra exactamente cualquier carga

En [0,1/2], f(x)=x, bases 1−2x y 2x.

  1. Integrales exactas

    F₁=∫₀¹ᐟ²x(1−2x)dx=1/24; F₂=∫₀¹ᐟ²2x²dx=1/12.
  2. Regla de punto medio

    En x=1/4, ambas bases valen 1/2.

    Multiplicar longitud 1/2 por f=1/4 y por cada base da 1/16 para cada carga.

  3. Comparar

    1/16 no es ni 1/24 ni 1/12. La suma de ambas cargas sí coincide con ∫f=1/8; esa comprobación total no detectaría el reparto incorrecto.

Resultado

Hay que comprobar las integrales que necesita cada ecuación.

Lo comprobamos

El integrando fφ es cuadrático; la regla simple de punto medio no es exacta para todos los cuadráticos.

7. El tipo de frontera cambia pruebas, cargas e incógnitas

En Dirichlet no homogéneo se fijan los valores de los extremos y se incorporan a las cargas interiores, o se introduce una función de levantamiento con esos datos. Las pruebas se anulan en la parte Dirichlet. No se obliga a la solución a pertenecer a H₀¹ si sus propios extremos no son cero.

Si en la derecha se prescribe u′(1)=g, con v(0)=0, integrar por partes da ∫u′v′=∫fv+g v(1). Ese signo corresponde a derivada derecha positiva. Un flujo físico definido como −u′ requeriría cambiar la convención del dato. Con solo Neumann también se revisan compatibilidad y la constante libre.

Un levantamiento conserva los valores de Dirichlet conocidos

−u″=0, u(0)=1 y u(1)=3.

  1. Elegir

    g₀(x)=1+2x tiene exactamente esos extremos.
    Escribimos u=g₀+w, con w en H₀¹.
  2. Identidad

    ∫w′v′=−∫2v′=−2[v]₀¹=0 para pruebas con extremos cero.
  3. Resolver

    La unicidad homogénea da w=0.

    En cualquier malla lineal, g₀ ya pertenece al espacio afín y se representa exactamente.

Resultado

La condición de la solución y la de las pruebas cumplen papeles diferentes.

Lo comprobamos

El símbolo g₀ del levantamiento no es el dato de derivada g del caso Neumann.

Una derivada derecha añade una carga en el nodo de borde

−u″=2, u(0)=0 y u′(1)=1; malla 0,1/2,1.

  1. Incógnitas

    Ahora son U en 1/2 y V en uno. Tras fijar el extremo izquierdo, K tiene filas (4;−2) y (−2;2).

  2. Cargas

    La base interior recibe uno de f; la base final recibe 1/2 de f más g=1.

    Por tanto F=(1;3/2).
  3. Resolver

    4U−2V=1 y −2U+2V=3/2 dan U=5/4 y V=2.

    La solución exacta 3x−x² tiene esos valores y derivada uno en la derecha.

Resultado

Una condición natural de derivada aparece en el segundo miembro.

Lo comprobamos

Imponer además V=0 cambiaría el problema y sobrecargaría las condiciones originales.

8. La mejor aproximación depende de la norma y puede fallar entre nodos exactos

Con el espacio conforme y las integrales exactas de este problema, Galerkin da a(u−uₕ, vₕ)=0 para toda vₕ, donde a(p, q)=∫p′q′. Es ortogonalidad en energía. Por Pitágoras, ‖u−vₕ‖E²=‖u−uₕ‖E²+‖uₕ−vₕ‖E²: uₕ minimiza el error de energía entre las funciones de Vₕ.

Una coincidencia nodal no hace exacta toda la función
Coinciden en nodos; difieren entre ellosu=x(1−x); h=1/201/21Azul: solución exactaRojo: función por elementosError nodal cero; error máximo 1/16.Hay que decir en qué norma se compara.
Para menos u segunda igual dos con Dirichlet cero, dos elementos lineales dan el valor exacto un cuarto en el centro. La función por elementos es el triángulo rojo y la exacta es la parábola azul. En un cuarto y tres cuartos el error es un dieciseisavo, aunque en todos los nodos sea cero.

En este marco, enriquecer con espacios anidados no aumenta el error mínimo de energía. No se concluye que todo error puntual baje monótonamente ni se extiende sin más la igualdad a cuadraturas aproximadas o métodos no conformes. L², energía y error nodal son medidas diferentes.

Los nodos pueden ser exactos y la función aproximada seguir siendo distinta

u=x(1−x), f=2, h=1/2 y extremos cero.

  1. Coeficiente

    El sistema da U=1/4 en el nodo central, igual al valor exacto.

  2. Entre nodos

    En x=1/4, la función lineal vale 1/8 y la exacta 3/16: el error es 1/16.
  3. Norma

    En todos los nodos el error es cero, pero el error máximo sobre el intervalo es 1/16. Ninguna de esas afirmaciones contradice la otra.

Resultado

Especificar dónde y cómo se mide el error cambia la conclusión.

Lo comprobamos

La figura roja representa la función por elementos, no solo los coeficientes guardados.

Una misma aproximación tiene órdenes distintos en energía y L²

Para u=x(1−x) y malla uniforme de paso h, uₕ es su interpolante lineal en este problema.

  1. Un elemento

    En [a, b], con b−a=h, el error u−uₕ=(x−a)(b−x).

    Su derivada es a+b−2x.

  2. Integrar

    La energía al cuadrado por elemento es h³/3 y el L² al cuadrado es h⁵/30. Hay 1/h elementos.

  3. Global

    ‖u−uₕ‖E=h/√3, mientras ‖u−uₕ‖L²=h²/√30.

    Al reducir h a la mitad, la primera norma se divide por dos y la segunda por cuatro, aunque el error nodal sea cero.

Resultado

Una tabla de convergencia debe conservar la misma norma entre filas.

Lo comprobamos

La expresión exacta se refiere a este problema 1D y a integración exacta; no es una constante universal de todo elemento finito.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Matriz de un elemento

Elemento [0,h] con bases φ₁=1−x/h y φ₂=x/h. Halla K local.

  1. Elemento

    En [0, h], h>0, las bases son φ₁=1−x/h y φ₂=x/h.
  2. Derivadas

    φ₁′=−1/h y φ₂′=1/h.
  3. Diagonales

    ∫₀ʰ(1/h²)dx=1/h para ambas.
  4. Fuera de diagonal

    ∫₀ʰ(−1/h²)dx=−1/h para ambas posiciones cruzadas.
  5. Matriz

    K local=(1/h) por [[1,−1],[−1,1]].
  6. Control

    Cada fila suma cero, así el vector constante local tiene energía cero. La matriz local es singular; el sistema global interior con Dirichlet puede ser definido positivo.

Resultado

K=(1/h)[[1,−1],[−1,1]].

Lo comprobamos

Cada fila suma cero, coherente con derivada nula de una constante local.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un nodo interior

Dos elementos de longitud 1/2, f=2 y frontera cero. Halla U del nodo central.

  1. Malla

    Hay dos elementos de longitud 1/2 y un nodo interior. Los extremos se fijan a cero.

  2. Rigidez por elemento

    Cada elemento aporta 1/h=2 a la diagonal de ese nodo.

  3. Ensamblar

    La rigidez interior total es K=2+2=4.
  4. Carga

    Con f=2, cada elemento aporta fh/2=1/2 al nodo compartido.

    La carga total es F=1.
  5. Resolver

    4U=1 da U=1/4.
  6. Control

    u=x(1−x) vale 1/4 en el centro.

    La función por elementos une linealmente los nodos; no coincide con toda la parábola fuera de ellos.

Resultado

U=1/4.

Lo comprobamos

Coincide con la solución exacta u=x(1−x) evaluada en 1/2.

Los símbolos que hemos usado

Función de prueba v
Función con la que multiplicamos la ecuación para formular una identidad integral.
H₀¹(0,1)
Funciones de cuadrado integrable con derivada débil de cuadrado integrable y traza cero en los extremos.
Espacio Vₕ
Espacio finito de funciones de aproximación sobre una malla.
φᵢ
Función base asociada a un nodo; vale uno allí y cero en los otros nodos.
Kᵢⱼ
Entrada de rigidez: integral del producto de derivadas de las bases.
Fᵢ
Entrada de carga: integral del dato f por la función de prueba.

Ahora te toca a ti.

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

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