La PizarraMatemática.

Grado en Matemáticas

Ecuación del transporte y características

Imagina una marca en una cinta que se desplaza. Su posición cambia, pero el valor escrito en ella puede mantenerse. Primero seguiremos una marca; después reconstruiremos el perfil completo. La regla de la cadena convertirá una ecuación con dos variables en una cuenta a lo largo de cada trayectoria.

Si necesitas repasar:

1. Seguir una marca combina dos cambios mediante la regla de la cadena

u(x,t) es el valor observado en la posición x y el instante t.

Si una marca ocupa x(t), su valor es v(t)=u(x(t),t).

La regla de la cadena da v′=uₜ+x′uₓ: cambia el tiempo y también el lugar donde miramos.

Para uₜ+c uₓ=0 elegimos x′=c.

Entonces v′=0: sobre esa trayectoria el valor es constante. Estas trayectorias se llaman características.

Si uₜ+c uₓ=q, la misma cuenta da v′=q a lo largo de la marca.

Comprobar una marca con una función concreta

u=(x−2t)² y x(t)=3+2t.

  1. Sustituir la trayectoria

    v(t)=(3+2t−2t)²=9.
  2. Derivadas parciales

    uₜ=−4(x−2t) y uₓ=2(x−2t).
  3. Regla de la cadena

    v′=uₜ+2uₓ=0.
Resultado

La marca que empezó en x₀=3 conserva el valor 9.

Lo comprobamos

uₜ no es cero en todos los puntos; lo que se anula es el cambio siguiendo la marca.

Una marca acumula un valor nuevo

u=4t y x(t)=−1+2t.

  1. Perfil

    En cualquier lugar el valor es 4t.

  2. Seguir la marca

    v′=4, porque uₜ=4 y uₓ=0.
  3. Interpretar

    Hay una fuente de intensidad 4, no transporte homogéneo.

Resultado

uₜ+2uₓ=4.

Lo comprobamos

Mover la marca no añade cambio espacial si el perfil es uniforme en x.

2. Retroceder la trayectoria identifica qué dato inicial llega a un punto

Con velocidad constante, integrar x′=c desde t=0 da x=x₀+ct.
Despejamos x₀=x−ct.

Esta es la etiqueta inicial de la marca que pasa por (x,t).

Como su valor se conserva, u(x,t)=f(x−ct) cuando u(x,0)=f(x).
Para conocer el valor final seguimos una característica hacia atrás
c=2 ; x=x₀+2t-2-101(3;1,5)Etiqueta inicial: x₀=x−2tSobre cada recta, el valor se conserva.
Plano espacio tiempo con cuatro rectas x igual a x inicial más dos t. El punto final x tres tiempo uno y medio está sobre la recta cuya etiqueta inicial es cero. Seguirla hacia atrás da x inicial igual a tres menos dos por uno y medio, cero. Las rectas paralelas no se cruzan.

En toda la recta y para f continuamente derivable, esta construcción da una solución clásica. La unicidad se ve sin adivinar: cualquier solución clásica debe conservar su valor al recorrer esa misma característica hacia el instante inicial.

Un punto final, una etiqueta inicial

c=2 y punto final (x;t)=(3;1,5): posición 3 y tiempo 1,5.

  1. Volver al inicio

    x₀=3−2·1,5=0.
  2. Leer el perfil

    Si f(x)=x²+1, esa marca comenzó con f(0)=1.
  3. Volver al punto

    u(3;1,5)=1.
Resultado

El dato viene de x₀=0.

Lo comprobamos

En el dibujo, el punto final y el inicial pertenecen a la misma recta inclinada.

Traducir un perfil entero

uₜ+3uₓ=0 y f(x)=x²+1.

  1. Trayectoria

    x=x₀+3t.
  2. Etiqueta

    x₀=x−3t.
  3. Valor

    u(x,t)=(x−3t)²+1; en t=0 devuelve x²+1.
Resultado

u=(x−3t)²+1.

Lo comprobamos

Al derivar, uₜ=−6(x−3t) y 3uₓ=6(x−3t); se cancelan.

3. El signo menos de la fórmula puede mover el dibujo hacia la derecha

Para localizar una cresta que empezó en a, mantenemos x−ct=a: su nueva posición es x=a+ct.

Si c>0 avanza a la derecha; si c<0 va a la izquierda.
Con c=0 el perfil permanece quieto.
El signo menos en la fórmula hace viajar la forma hacia la derecha
Un perfil viaja sin cambiar de forma13Δx=2t=0: f(x) ; t=1: f(x−2)Misma altura y anchura.
Perfil gaussiano inicial exp de menos x menos uno al cuadrado con máximo en uno, y su traslado a tiempo uno con velocidad dos, máximo en tres. La altura y la anchura son idénticas. Se dibuja una ventana finita de perfiles definidos en toda la recta.

Una traslación conserva altura y anchura. En toda la recta conserva la integral cuando f es integrable y las normas Lᵖ cuando son finitas: basta sustituir ξ=x−ct, con dx=dξ. En un intervalo fijo puede entrar o salir contenido por los extremos, y esa conservación ya no es automática.

La montaña inicial está centrada en uno

f(x)=exp(−(x−1)²), c=2.

  1. Fórmula

    u=exp(−(x−2t−1)²).
  2. En t=1

    El exponente es cero cuando x=3; allí sigue valiendo 1.

  3. Forma

    Todas las posiciones se desplazan dos unidades, sin cambiar sus alturas.

Resultado

El máximo pasa de x=1 a x=3.

Lo comprobamos

No hay difusión: el dibujo se traslada y mantiene su anchura.

Velocidad negativa

f(x)=cos x y c=−3.

  1. Signos

    x−ct=x+3t.
  2. Seguir una cresta

    La cresta que empezó en x₀=0 cumple x+3t=0.
  3. Posición

    En t=2 esa marca está en x=−6.
Resultado

u=cos(x+3t), con traslado hacia la izquierda.

Lo comprobamos

Las demás crestas también se trasladan; seguir una marca concreta evita la ambigüedad de la periodicidad.

4. Comprobamos la fórmula y distinguimos solución clásica de frente débil

Para f de clase C¹, uₜ=−c f′(x−ct) y uₓ=f′(x−ct).
Por tanto uₜ+c uₓ=0 y u(x,0)=f(x).

Comprobar ecuación y dato son dos pasos necesarios.

Si f tiene un salto, trasladarlo no lo suaviza. La fórmula sigue definiendo una solución débil para datos localmente integrables. En la identidad débil se integra u(φₜ+cφₓ) más el término inicial contra funciones de prueba de soporte compacto; el cambio ξ=x−ct reduce esa identidad a una integración temporal.

Derivar un perfil que no es un polinomio

f(x)=e^(−x²), c=2.

  1. Espacio

    uₓ=−2(x−2t)e^(−(x−2t)²).
  2. Tiempo

    uₜ=4(x−2t)e^(−(x−2t)²).
  3. Cancelar y revisar el inicio

    uₜ+2uₓ=0 y u(x,0)=e^(−x²).
Resultado

La fórmula es una solución clásica en toda la recta.

Lo comprobamos

El signo positivo de uₜ sale de dos signos negativos al usar la cadena.

Transportar un escalón

f(x)=0 para x<0 y 1 para x>0; c=2.

  1. Etiqueta

    El lado depende del signo de x−2t.

  2. Frente

    El salto está en x=2t y sigue siendo de altura 1.
  3. Sentido de solución

    La derivada espacial del salto y la temporal se cancelan en el sentido de distribuciones.

Resultado

u=0 si x<2t y u=1 si x>2t, solución débil.

Lo comprobamos

No es una solución clásica sobre el frente. Elegir un valor en esa línea no elimina el salto.

5. Con una fuente sumamos lo recibido durante el recorrido

En uₜ+c uₓ=q(x,t), la característica que termina en (x,t) ocupa x−c(t−s) en el instante s.
Sobre ella v′(s)=q(x−c(t−s),s).

Integrar desde 0 hasta t da el valor inicial más toda la fuente acumulada.

La fórmula es u(x,t)=f(x−ct)+∫₀ᵗq(x−c(t−s),s)ds.

No se sustituye siempre la posición final x dentro de q: la marca atravesó otras posiciones. Con funciones regulares podemos comprobar el resultado mediante derivadas.

Una fuente depende del lugar por donde pasas

uₜ+2uₓ=x y f=0.

  1. Lugar pasado

    En s, la marca está en x−2(t−s).

  2. Integrar

    ∫₀ᵗ(x−2t+2s)ds=xt−2t²+t².
  3. Comprobar

    u=xt−t² tiene uₜ=x−2t y 2uₓ=2t.
Resultado

u=xt−t².

Lo comprobamos

La suma es x. Usar solo q=x durante todo el recorrido habría dado xt y fallaría.

Traslado más crecimiento uniforme

uₜ+uₓ=5 y f(x)=x².

  1. Dato que llega

    f(x−t)=(x−t)².
  2. Fuente acumulada

    ∫₀ᵗ5ds=5t.
  3. Unir

    u=(x−t)²+5t.
Resultado

u=(x−t)²+5t.

Lo comprobamos

uₜ=−2(x−t)+5 y uₓ=2(x−t); la suma vale 5 y en t=0 queda x².

6. Si cambia la velocidad, resolvemos una EDO para cada trayectoria

Para uₜ+a(x,t)uₓ=q, elegimos x′(s)=a(x(s),s) y v′(s)=q(x(s),s).

Si conocemos el punto final, resolvemos la trayectoria hacia atrás. Después integramos el valor sobre ella.

Continuidad en el tiempo y regularidad local de Lipschitz en x permiten unicidad local del flujo bajo las hipótesis usuales. Dos trayectorias de ese mismo campo no se cruzan en un mismo instante mientras ambas existan. Hay que comprobar el intervalo de existencia y si la trayectoria alcanza antes el borde: no todos los campos producen un flujo global.

La velocidad depende del tiempo

uₜ+t uₓ=0, u(x,0)=f(x).

  1. Integrar posición

    x′=t da x=x₀+t²/2.
  2. Despejar

    x₀=x−t²/2.
  3. Conservar

    u=f(x−t²/2).
Resultado

El desplazamiento es t²/2.

Lo comprobamos

Derivando, uₜ=−t f′ y t uₓ=t f′, con el mismo argumento en ambas.

Las marcas se separan exponencialmente

uₜ+2x uₓ=0, u(x,0)=f(x).

  1. Resolver la EDO

    x′=2x, luego x=x₀e^(2t).
  2. Etiqueta

    x₀=xe^(−2t).
  3. Valor

    u=f(xe^(−2t)).
Resultado

El perfil se estira en lugar de trasladarse rígidamente.

Lo comprobamos

Las etiquetas no se cruzan: multiplicar por e^(2t)>0 conserva el orden de las posiciones.

7. Un valor transportado y una densidad conservada no obedecen la misma cuenta

El transporte pasivo uₜ+a uₓ=0 conserva el valor de cada marca.

Una densidad conservada cumple ρₜ+∂ₓ(aρ)=0.

Al desarrollar el producto aparece ρₜ+aρₓ=−aₓρ: la densidad cambia si las marcas se separan o comprimen.

Con a=x, las trayectorias son x=x₀eᵗ.

El valor pasivo es f(xe^(−t)), pero la densidad es e^(−t)f(xe^(−t)). En toda la recta y para datos integrables, ese factor compensa el estiramiento y conserva la masa.

Estirar un perfil sin rebajar su altura

a=x y f(x)=e^(−x²), como valor pasivo.

  1. Seguir la marca

    u(x₀eᵗ,t)=f(x₀).
  2. Fórmula

    u=e^(−x²e^(−2t)).
  3. Integral

    Con ξ=xe^(−t), dx=eᵗdξ; la integral es eᵗ√π.
Resultado

Conserva valores, pero la integral espacial aumenta.

Lo comprobamos

No había una ecuación de conservación de densidad; el espacio entre las marcas creció.

El mismo estiramiento, ahora con masa fija

ρₜ+∂ₓ(xρ)=0 y ρ(x,0)=e^(−x²).

  1. Cambio sobre una marca

    ρ′=−ρ porque aₓ=1.
  2. Resolver

    ρ=e^(−t)e^(−x²e^(−2t)).
  3. Integral

    El factor e^(−t) cancela dx=eᵗdξ.
Resultado

La masa sigue siendo √π.

Lo comprobamos

El pico baja mientras la anchura aumenta: son dos cambios que se compensan exactamente.

8. En un intervalo miramos si la característica llega al inicio o al borde

En 0<x<L con c>0, damos perfil inicial f y entrada izquierda g.

Retrocedemos desde (x,t): si t≤x/c alcanzamos t=0 en x−ct; si t>x/c alcanzamos x=0 en el tiempo t−x/c.

Por eso hay dos fórmulas.

Cada punto recibe información de la línea inicial o del borde de entrada
c=2 : el borde izquierdo aporta gg(1)f(2)0x=4Separación: t=x/2
Región espacio tiempo de cero a cuatro en x y cero a tres en t, con velocidad dos. La recta t igual a x medios separa datos provenientes del perfil inicial f y del borde izquierdo g. El punto dos dos retrocede hasta x cero tiempo uno y recibe g de uno. El punto tres un medio retrocede hasta x dos tiempo cero y recibe f de dos.
Se obtiene u=f(x−ct) en la primera región y u=g(t−x/c) en la segunda.
La continuidad en la esquina exige g(0)=f(0).
Para una unión C¹ también se necesita g′(0)=−c f′(0).

El borde derecho es salida. Si c<0, la entrada está a la derecha; c=0 requiere otro análisis porque las marcas no cruzan bordes.

Dos puntos reciben datos de sitios distintos

c=2,L=4,f(x)=x²,g(t)=t².

  1. Punto (3;0,5)

    0,5<3/2: llega al inicio en x₀=2 y vale f(2)=4.
  2. Punto (2;2)

    2>2/2: llega al borde en s=2−1=1 y vale g(1)=1.
  3. Interfaz

    Ambos datos y sus primeras derivadas valen cero en el origen; la unión es C¹.

Resultado

u=(x−2t)² si t≤x/2; u=(t−x/2)² si t>x/2.

Lo comprobamos

Cada expresión cumple uₜ+2uₓ=0 en su región y coinciden con primeras derivadas sobre t=x/2.

Invertir la velocidad invierte la entrada

uₜ−2uₓ=0 en 0<x<4, perfil inicial f y entrada u(4,t)=h(t).

  1. Retroceder

    La trayectoria hacia atrás sube su posición: x₀=x+2t.
  2. Si no alcanza 4

    Cuando t≤(4−x)/2, el dato es f(x+2t).
  3. Si toca el borde

    En otro caso, llega a x=4 en s=t−(4−x)/2 y recibe h(s).
Resultado

La entrada está en x=4; la salida está en x=0.

Lo comprobamos

La elección del extremo sale del signo de la velocidad, no de una regla fija de «dar siempre el borde izquierdo».

9. Si la velocidad depende de u, pueden juntarse las características

En Burgers uₜ+u uₓ=0, sobre cada característica el valor sigue siendo f(x₀), pero ahora su velocidad es ese propio valor: x=x₀+t f(x₀). Para recuperar x₀ necesitamos invertir esta relación.

Su derivada respecto a x₀ es 1+t f′(x₀).

Mientras no se anule y la inversión sea válida, uₓ=f′(x₀)/(1+t f′(x₀)).

Si se anula el denominador con numerador no nulo, la pendiente explota. Tras ese instante una continuación débil necesita una condición de entropía para seleccionar la solución física; no se continúa dibujando curvas cruzadas como si u siguiera siendo clásica.

Las marcas se comprimen

f(x₀)=−x₀ en toda la recta.

  1. Trayectoria

    x=x₀(1−t).
  2. Invertir antes del choque

    Para 0≤t<1, x₀=x/(1−t), y u=−x/(1−t).
  3. Pendiente

    uₓ=−1/(1−t), que diverge al acercarse a t=1.
Resultado

La solución clásica falla en t=1.

Lo comprobamos

Las marcas llegan simultáneamente a x=0. El ejemplo tiene dato no acotado, pero muestra exactamente la pérdida de inversión.

Las marcas también pueden separarse

f(x₀)=x₀ en toda la recta.

  1. Trayectoria

    x=x₀(1+t).
  2. Invertir

    Para t≥0, x₀=x/(1+t).
  3. Valor y pendiente

    u=x/(1+t), uₓ=1/(1+t).
Resultado

En tiempo futuro no se pierde la inversión en este ejemplo.

Lo comprobamos

Una ecuación no lineal puede desarrollar choques, pero no todos sus datos los producen hacia el futuro.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Transportar una onda

Resuelve uₜ+2uₓ=0, u(x,0)=sin x.

  1. Leer los datos

    La velocidad constante es c=2 y el perfil inicial es f(x)=sen x.
  2. Seguir una marca

    x′=2, de modo que x=x₀+2t.
  3. Retroceder

    La etiqueta de la marca que llega a (x,t) es x₀=x−2t.
  4. Conservar el valor

    La ecuación homogénea da d/dt u(x(t),t)=0; su valor es f(x₀).
  5. Escribir la solución

    u(x,t)=sen(x−2t).
  6. Comprobar ambos requisitos

    uₜ=−2cos(x−2t), uₓ=cos(x−2t), por tanto uₜ+2uₓ=0.
    En t=0 queda sen x.
Resultado

u=sin(x−2t).

Lo comprobamos

Por ejemplo, la marca elegida x₀=0 está en x=2t y mantiene u=sen0=0; esta comprobación sigue una característica concreta sin cambiar el dato.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una fuente

Resuelve uₜ+uₓ=3, u(x,0)=0.

  1. Separar velocidad y fuente

    c=1 y q=3; el dato inicial es cero en toda la recta.
  2. Trayectorias

    x=x₀+t y x₀=x−t.
  3. Cambio sobre una marca

    v′=uₜ+uₓ=3.
  4. Integrar

    v=3t+C(x₀); la constante puede depender de la marca.
  5. Aplicar el perfil inicial

    v(0)=0 para todas las marcas, así C(x₀)=0.
  6. Volver y comprobar

    u(x,t)=3t, con uₜ=3 y uₓ=0; cumple la ecuación y el dato inicial.
Resultado

u(x,t)=3t.

Lo comprobamos

La fuente aumenta uniformemente el valor en cada marca. La ausencia de variación espacial hace que el término de transporte sea cero.

Los símbolos que hemos usado

u(x,t)
Cantidad transportada en la posición x y el tiempo t.
c
Velocidad constante con unidades de longitud dividida por tiempo.
x₀
Posición inicial de una característica en t=0.
f(x)
Perfil inicial u(x,0), supuesto C¹ para una solución clásica.
q(x,t)
Fuente que añade cambio a la cantidad a lo largo del movimiento.
a(x,t)
Velocidad variable del campo de transporte.
Frontera de entrada
Parte del borde desde la que las características entran en el dominio al avanzar el tiempo.

Ahora te toca a ti.

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

Practicar este tema →

Para ampliar