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Matemáticas para ingeniería

Modelos de difusión, transporte y ondas

Un perfil puede desplazarse conservando su forma, ensancharse al difundirse o dividirse en dos ondas. No son tres nombres para el mismo fenómeno. Empezaremos mirando qué cambia con la posición y qué cambia con el tiempo; después construiremos ejemplos y comprobaremos su ecuación, sus datos y sus fronteras.

1. Un campo depende de posición y tiempo, y cada derivada fija la otra variable

u(x, t) da un valor en cada posición e instante. uₜ mide el cambio temporal en un lugar fijo. uₓ compara posiciones al mismo tiempo y uₓₓ mide curvatura del perfil. No se identifica uₓₓ con una velocidad de viaje.

El dominio también forma parte del problema. En toda la recta no hay extremos finitos; en un intervalo, los valores o flujos de borde pueden cambiar la evolución. Para soluciones clásicas que llegan continuamente al instante inicial, los datos iniciales y de frontera deben ser compatibles.

Derivar respecto de una variable sin mover la otra

Ejemplo adimensional u(x, t)=x²+3xt.

  1. Tiempo fijo en posición

    uₜ=3x.
    En x=2, t=1 vale seis.
  2. Espacio a tiempo fijo

    uₓ=2x+3t; en ese punto vale siete.
  3. Curvatura

    uₓₓ=2.

    Los tres valores describen operaciones distintas y no son intercambiables.

Resultado

La variable respecto de la que derivamos decide qué se conserva como constante.

Lo comprobamos

Se declaró adimensional el ejemplo para no sumar magnitudes físicas incompatibles.

Un modo puede cumplir una frontera y fallar otra

u(x, t)=exp(−Dt)sinx en 0≤x≤π, con D>0.

  1. Ecuación

    uₜ=−Du y uₓₓ=−u, así satisface uₜ=D uₓₓ.
  2. Dirichlet

    u(0, t)=u(π, t)=0: cumple extremos fijados a cero.
  3. Flujo

    uₓ=exp(−Dt)cosx no es cero en ambos extremos.

    No satisface un problema de Neumann homogéneo aunque la ecuación interior sea la misma.

Resultado

Ecuación y frontera se verifican por separado.

Lo comprobamos

El dato inicial correspondiente es sinx, compatible con esos extremos de Dirichlet.

2. El transporte busca de dónde viene cada punto del perfil

En uₜ+c uₓ=0 con c constante, seguimos x(t)=x₀+ct.
La regla de la cadena da d[u(x(t), t)]/dt=uₜ+c uₓ=0.

El valor permanece constante sobre esa trayectoria, llamada característica.

Transportar conserva el perfil y cambia su posición
c=2; forma que se desplazat=0-1012345t=1-1012345Máximo: de x=0 a x=2u(x, t)=f(x−2t)
El pulso triangular inicial tiene soporte entre menos uno y uno y altura uno. A tiempo uno, velocidad dos hacia la derecha lo sitúa entre uno y tres, con la misma altura. Ambos paneles conservan las escalas. El pulso tiene esquinas: satisface transporte clásicamente fuera de ellas y en sentido débil en todo el dominio.

Con dato u(x,0)=f(x) en la recta, el origen de la característica que llega a (x, t) es x−ct.

Por eso u=f(x−ct).

Para c positivo el perfil se mueve a la derecha; para negativo, a la izquierda. La fórmula clásica necesita f diferenciable; para esquinas se especifica el marco débil apropiado.

Seguir el máximo evita equivocarse de signo

f(x)=max(1−|x|,0), velocidad c=2 y tiempo t=1.

  1. Origen

    u(x,1)=f(x−2).

    El máximo inicial estaba en cero.

  2. Destino

    El máximo aparece cuando x−2=0, es decir, x=2.

    El soporte pasa de [−1,1] a [1,3].

  3. Valores

    u(2,1)=1 y u(0,1)=0.

    El triángulo conserva altura y anchura; por sus esquinas se interpreta débilmente en todo el dominio, clásicamente en las zonas suaves.

Resultado

El desplazamiento es dos hacia la derecha.

Lo comprobamos

Escribir f(x+2) habría movido ese máximo al lado contrario.

Una velocidad negativa cambia el sentido, no la regla del origen

f(x)=exp(−x²), c=−2.

  1. Fórmula

    u(x, t)=exp[−(x+2t)²].
  2. Máximo

    Se sitúa en x=−2t, moviéndose a la izquierda.
  3. Punto

    En x=−1, t=1, el origen era x−ct=1; por tanto u=exp(−1).
    Derivar da uₜ−2uₓ=0 en toda la recta.
Resultado

La misma regla x−ct funciona con el signo real de c.

Lo comprobamos

La rapidez es |c|; la velocidad conserva su sentido.

3. En un intervalo se prescribe por dónde entra la información

Con c>0 en [0, L], una característica retrocedida puede llegar al dato inicial o al extremo izquierdo. Allí se prescribe el dato entrante g(t). El extremo derecho recibe la información que viaja dentro; imponer otro valor arbitrario puede ser incompatible.

Si c<0, la entrada está en el extremo derecho.

Esta selección depende del signo y del dominio, no de que una ecuación sea «de una variable espacial». Un cambio de velocidad o un modelo no lineal requiere volver a estudiar sus características.

Decidir si usamos el dato inicial o la entrada

0≤x≤3, c=2, dato inicial f=1 y entrada izquierda g(t)=1+t² para t≥0.

  1. Aún desde el inicio

    Si t≤x/2, x−2t≥0 y u(x, t)=1.
  2. Desde la frontera

    Si t>x/2, la trayectoria entró en tiempo t entrada=t−x/2.
    Entonces u=1+(t−x/2)².
  3. Ejemplo

    En x=1, t=1 se usa entrada en 1/2 y sale u=5/4.

    Los datos coinciden en la esquina y sus primeras pendientes también, de modo que esta expresión por tramos es C¹.

Resultado

El punto interior no siempre procede del instante cero.

Lo comprobamos

En x=2, t=1/2 todavía llega del dato inicial y vale uno.

Un valor de salida arbitrario puede contradecir lo que llega

El mismo problema, pero alguien exige además u(3, t)=0 para todo t.

  1. Antes de la llegada

    Para 0<t<3/2, la característica viene del dato inicial y u(3, t)=1.

  2. Después

    En t=2, viene de entrada en 1/2 y u(3,2)=5/4.
  3. Incompatibilidad

    Ninguno de esos valores es cero. No se resuelve conservando ambos datos arbitrarios; hay que formular una frontera coherente con la dirección de entrada.

Resultado

El número de condiciones no se decide sumando una por cada extremo sin analizar el transporte.

Lo comprobamos

La contradicción se ha mostrado sobre la solución determinada por datos entrantes compatibles.

4. La difusión usa curvatura y ensancha un perfil, sin una velocidad D

Si el flujo es J=−D uₓ y no hay producción, el balance uₜ+Jₓ=0 da uₜ=D uₓₓ para D constante positivo. Cerca de un máximo suave la curvatura suele ser negativa y el valor disminuye; otras zonas pueden aumentar. D tiene dimensión L²/T.

La difusión cambia la forma sin trasladar el centro de esta gaussiana
Difusión: baja y se ensanchaD=1/2; de t=0 a t=110−44Azul: exp(−x²)Rojo: exp(−x²/3)/√3Masa sobre toda la recta: √πLas colas continúan fuera del dibujo.
La curva inicial exp de menos x cuadrado evoluciona a exp de menos x cuadrado dividido entre tres, todo dividido entre raíz de tres, cuando D es un medio y t uno. El pico baja de uno a uno dividido entre raíz de tres y la anchura característica crece por raíz de tres. La integral sobre toda la recta permanece raíz de pi; se dibuja solo la franja de menos cuatro a cuatro.

En la recta, una gaussiana inicial exp(−x²) en variables normalizadas evoluciona como u=exp[−x²/a]/√a, con a=1+4Dt. El centro permanece en cero, la anchura crece y la altura baja. Los argumentos exponenciales se entienden con las escalas normalizadas declaradas.

Calcular altura y anchura de una gaussiana difundida

D=1/2 y t=1, con dato inicial exp(−x²).

  1. Escala

    a=1+4·(1/2)·1=3.
  2. Perfil

    u(x,1)=exp(−x²/3)/√3.

    El máximo en cero vale 1/√3, en vez de uno.

  3. Masa

    Al cambiar variable x=√a z, ∫ sobre R de u dx=∫exp(−z²)dz=√π.

    Bajar el pico no significa perder masa en esta recta sin fuentes.

Resultado

La difusión reparte el contenido en una franja más ancha.

Lo comprobamos

Las colas fuera de la ventana dibujada no se declaran cero.

Difundir no significa que todo punto disminuya

En t=0, u(x,0)=exp(−x²).

  1. Curvatura

    uₓₓ=(4x²−2)exp(−x²).
  2. Centro

    En x=0, uₜ=D uₓₓ=−2D, por lo que el pico empieza bajando.
  3. Zona lateral

    En x=1, uₜ=2D/e>0: ese punto empieza subiendo.

    Recibe parte de la redistribución del perfil.

Resultado

La curvatura local explica el signo del cambio temporal.

Lo comprobamos

No se compara D con una velocidad de traslación: sus unidades son diferentes.

5. Los modos muestran qué frecuencias se atenúan y qué permite el borde

Para a(t)cos(kx), la segunda derivada espacial es −k²a(t)cos(kx).

La difusión se reduce a a′=−Dk²a y la amplitud es a(0)exp(−Dk²t).

El cuadrado de k explica por qué las variaciones espaciales rápidas decaen antes.

Una componente constante tiene k=0 y no decae en dominios compatibles. La conservación de la integral total requiere que no exista flujo neto por el borde. Un valor impuesto de Dirichlet puede permitir salida aunque el dato de valor sea cero.

Una combinación periódica pierde detalle rápido antes que el lento

En un periodo 2π, D=1/2 y dato inicial 2+cosx+(1/2)cos3x.

  1. Cada modo

    El constante queda dos, el coseno de k=1 lleva exp(−t/2) y el de k=3 lleva exp(−9t/2).

  2. Solución

    u=2+exp(−t/2)cosx+(1/2)exp(−9t/2)cos3x.
  3. Contenido

    La integral sobre un periodo sigue siendo 4π. La norma cuadrática al cuadrado es 8π+πexp(−t)+(π/4)exp(−9t), que disminuye hacia 8π.

Resultado

Conservar masa y disminuir variación cuadrática son compatibles.

Lo comprobamos

Se usa frontera periódica y ortogonalidad sobre un periodo completo.

Dirichlet cero puede permitir pérdida por flujo de frontera

En [0, π], u=exp(−Dt)sinx, con extremos cero.

  1. Masa

    M(t)=∫₀πu dx=2exp(−Dt), que disminuye.
  2. Flujos

    J=−Duₓ: J(0)=−Dexp(−Dt) y J(π)=Dexp(−Dt).
  3. Balance

    M′=−[J(π)−J(0)]=−2Dexp(−Dt).

    La pérdida coincide con el flujo exterior, sin ninguna reacción interna.

Resultado

Un valor de borde cero no equivale a un flujo cero.

Lo comprobamos

Con Neumann homogéneo compatible el balance total sería distinto.

6. Una onda necesita desplazamiento y velocidad iniciales

La ecuación uₜₜ=c²uₓₓ con c>0 es de segundo orden temporal.

En la recta, con datos f(x)=u(x,0) y g(x)=uₜ(x,0), d’Alembert da u=[f(x−ct)+f(x+ct)]/2+(1/(2c))∫ desde x−ct hasta x+ct de g(s)ds, bajo su regularidad o marco débil adecuado.

Un desplazamiento inicial puede dividirse en dos ondas viajeras
Onda con velocidad inicial cerot=0-3-2-10123t=2; c=1-3-2-10123Dos perfiles: mitad a cada ladou=[f(x−t)+f(x+t)]/2
Con pulso triangular inicial y velocidad inicial cero, la solución de ondas a velocidad uno es media copia hacia la izquierda y media hacia la derecha. En t dos, los centros están en menos dos y dos y cada altura es un medio. Se conservan escalas de posición y amplitud. Para el pulso con esquinas se usa la solución de energía o débil, clásica en las zonas suaves.

Si g=0, el desplazamiento inicial se reparte en dos copias que viajan en sentidos opuestos. Usar solo f(x−ct) seleccionaría velocidad inicial −cf′, que normalmente no es cero. La ecuación interior admite muchas ondas; los dos datos eligen la combinación.

Velocidad inicial cero reparte un pulso en dos

c=1, desplazamiento triangular f(x)=max(1−|x|,0) y g=0.

  1. Fórmula

    u=[f(x−t)+f(x+t)]/2.

    Para el pulso con esquinas se usa la solución de energía o débil, clásica donde sea suave.

  2. Tiempo dos

    Las copias tienen centros en dos y menos dos y altura 1/2 cada una.

  3. Comparar transporte

    Una sola copia f(x−t) tendría altura uno y velocidad inicial −f′. Resolvería otra elección de datos para la ecuación de ondas.

Resultado

Dos perfiles pueden aparecer a partir de una sola deformación inicial.

Lo comprobamos

En t=0 las medias copias se superponen y recuperan exactamente f.

La velocidad inicial puede generar movimiento con desplazamiento inicial cero

c=2, f=0 y g(x)=cosx.

  1. Integral

    u=(1/4)∫ desde x−2t hasta x+2t de cos s ds.
  2. Evaluar

    La diferencia de senos es 2cosx sin2t, así u=(1/2)cosx sin2t.

  3. Comprobar

    u(x,0)=0 y uₜ(x,0)=cosx.
    Además uₜₜ=−2cosx sin2t y 4uₓₓ da lo mismo.
Resultado

El segundo dato no se omite porque el primero sea cero.

Lo comprobamos

La integral lleva el factor 1/(2c), aquí un cuarto.

7. La propagación y los balances distinguen difusión de ondas

Las ondas clásicas dependen de datos dentro de un intervalo de alcance finito [x−ct, x+ct]. La difusión ideal en toda la recta tiene un núcleo gaussiano positivo para cualquier distancia cuando t>0. Son propiedades de esos modelos; no una afirmación de que un fenómeno real transporte información física ilimitadamente rápido.

La energía de onda sin pérdidas es (1/2)∫[uₜ²+c²uₓ²]dx, conservada con fronteras sin intercambio energético.

En difusión, (1/2)d∫u²/dt=−D∫uₓ² bajo las fronteras adecuadas.

La integral de u y la de u² no son la misma cantidad.

Un dato localizado se extiende de maneras diferentes

Dato inicial f=1 en [−1,1] y cero fuera; para ondas, velocidad inicial cero.

  1. Difusión

    Para t>0, u(x, t)=∫₋₁¹exp[−(x−s)²/(4Dt)]/√(4πDt) ds.
    El integrando es positivo y u>0 en cada x finito.
  2. Ondas

    La expresión [f(x−ct)+f(x+ct)]/2 solo es no nula en las dos franjas trasladadas. Fuera del alcance correspondiente queda cero.

  3. Marco

    El dato tiene saltos. La difusión es suave a tiempo positivo y la onda se interpreta débilmente; no se exigen derivadas clásicas en todos los saltos.

Resultado

Difusión y propagación finita no se representan con la misma traslación.

Lo comprobamos

La cola difusiva puede ser muy pequeña sin ser matemáticamente cero.

Una onda periódica intercambia dos partes de energía

c=2 y u(x, t)=cosx cos2t, en un periodo espacial 2π.

  1. Cinética

    uₜ=−2cosx sin2t.

    La mitad de su cuadrado integrado es 2πsin²2t.

  2. Parte espacial

    uₓ=−sinx cos2t.

    La mitad de c²uₓ² integrada es 2πcos²2t.

  3. Total

    La suma vale 2π para cualquier t. Las partes cambian, pero el total se conserva con la frontera periódica.

Resultado

La conservación energética no exige que cada parte sea constante.

Lo comprobamos

La velocidad inicial de esta solución es cero, coherente con la combinación de ondas opuestas.

8. Verificamos la función completa y podemos combinar transporte con difusión

Para una propuesta se comprueban derivadas, ecuación, dominio y datos antes de evaluar un punto. Que el residual se anule en una posición especial no demuestra una identidad en todo el espacio y tiempo.

También existen modelos que combinan mecanismos. Para coeficientes constantes en la recta, uₜ+c uₓ=D uₓₓ se reduce a difusión usando z=x−ct. La traslación mueve el centro mientras D cambia la forma. El cambio de variable se comprueba con la regla de la cadena, no sumando dos soluciones sin justificación.

Una comprobación en un cero del coseno puede esconder una tasa incorrecta

Propuesta u=exp(−t)cos2x para difusión D=1.

  1. Residual

    uₜ−uₓₓ=−u+4u=3exp(−t)cos2x.
  2. Un punto

    En x=π/4, cos2x=0 y el residual se anula para todo t.
  3. Identidad

    En x=0 no se anula.

    La propuesta no resuelve la ecuación; la tasa correcta del modo es cuatro y no uno.

Resultado

Un punto afortunado no valida toda la función.

Lo comprobamos

La tasa se deduce de k² y se confirma con derivadas, además del dato inicial.

Un perfil puede viajar y ensancharse a la vez

uₜ+2uₓ=(1/2)uₓₓ en la recta, dato exp(−x²).

  1. Coordenada viajera

    Tomar z=x−2t y u(x, t)=v(z, t).
    Entonces uₜ=vₜ−2v_z y uₓ=v_z.
  2. Reducir

    La suma uₜ+2uₓ queda vₜ.

    Basta usar la solución de difusión v=exp[−z²/(1+2t)]/√(1+2t).
  3. Interpretar

    En t=1 el centro está en x=2 y la altura es 1/√3.

    La integral sigue siendo √π; la posición y la anchura cambian por mecanismos distintos.

Resultado

La fórmula combina ambos efectos mediante un cambio probado.

Lo comprobamos

La recuperación usa x−2t completo dentro del cuadrado, con paréntesis.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Transportar un perfil

uₜ+2uₓ=0 y u(x,0)=x² en la recta. Halla u(3,1).

  1. Datos

    Transporte uₜ+2uₓ=0 en la recta, con f(x)=x².
  2. Origen

    La característica que llega a (x, t) salió de x₀=x−2t.
  3. Función

    u(x, t)=f(x−2t)=(x−2t)².
  4. Comprobar

    uₜ=−4(x−2t) y uₓ=2(x−2t), por lo que uₜ+2uₓ=0; en t=0 se recupera x².
  5. Punto pedido

    En x=3, t=1, el origen es uno y u(3,1)=1²=1.
  6. Alcance

    La fórmula usa dominio toda la recta y velocidad constante. En un intervalo habría que revisar si la característica llega a un dato de frontera.

Resultado

u(3,1)=1.

Lo comprobamos

uₜ=−4(x−2t), uₓ=2(x−2t); la ecuación se anula.

EJEMPLO RESUELTO 2

Difusión de un modo

D=1 y u(x,0)=cos(2x). Halla el factor de amplitud en t.

  1. Dato

    D=1 y perfil inicial cos2x.

    Se trabaja en la recta o con fronteras compatibles con ese modo.

  2. Separar amplitud

    Probar u=a(t)cos2x, con a(0)=1.
  3. Derivar espacio

    uₓₓ=−4a(t)cos2x.
  4. Ecuación de amplitud

    uₜ=uₓₓ exige a′=−4a.
  5. Resolver

    a=exp(−4t), así u=exp(−4t)cos2x.
  6. Control

    En t=0 se recupera el perfil y las dos derivadas coinciden. El factor k² explica la tasa cuatro; D no se interpreta como una velocidad.

Resultado

u=e^(−4t)cos(2x).

Lo comprobamos

Las frecuencias espaciales altas decaen más deprisa por el factor k².

Los símbolos que hemos usado

u(x,t)
Perfil de una magnitud espacial dependiente del tiempo.
uₜ, uₓ, uₓₓ
Derivadas parciales temporal, espacial y segunda espacial.
c
Velocidad constante de transporte o de propagación de ondas, según la ecuación.
D>0
Coeficiente de difusión, de dimensión longitud²/tiempo.
Característica
Trayectoria espacio-temporal usada para seguir información en transporte.
Modo espacial
Perfil de forma sencilla que evoluciona mediante una amplitud temporal.

Ahora te toca a ti.

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

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