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Lição 22 — Equação de Onda em 1D — Fórmula de d'Alembert

Equação de onda 1D: fórmula de d'Alembert para condições iniciais gerais, domínio infinito e semi-infinito, reflexão de ondas, conservação de energia e velocidade de propagação.

Usado em: Cálculo 3 — Unidade 3 · USP MAT0216 · ITA MA-013

utt=c2uxx;u(x,t)=f(x+ct)+f(x−ct)2+12c∫x−ctx+ctg(s) dsu_{tt} = c^2 u_{xx};\quad u(x,t)=\frac{f(x+ct)+f(x-ct)}{2}+\frac{1}{2c}\int_{x-ct}^{x+ct}g(s)\,ds

A fórmula de d'Alembert resolve a equação de onda com dados iniciais u(x,0)=f(x)u(x,0)=f(x) e ut(x,0)=g(x)u_t(x,0)=g(x). A solução é a superposição de duas ondas viajando em sentidos opostos com velocidade cc.

Escolha sua porta

Notação rigorosa, derivação completa, hipóteses

Derivação e fórmula de d'Alembert

Mudança de variáveis características

Com ξ=x+ct\xi = x+ct, η=x−ct\eta = x-ct (L21, Ex.):

uξη=0⇒u=F(ξ)+G(η)=F(x+ct)+G(x−ct)u_{\xi\eta} = 0 \Rightarrow u = F(\xi)+G(\eta) = F(x+ct)+G(x-ct)

Solução geral: toda solução suave de utt=c2uxxu_{tt} = c^2 u_{xx} escreve-se como superposição de onda direita e onda esquerda.

Problema de Cauchy no domínio infinito

utt=c2uxx,x∈R,  t>0u_{tt} = c^2 u_{xx},\quad x\in\mathbb{R},\;t>0 u(x,0)=f(x),ut(x,0)=g(x)u(x,0) = f(x),\quad u_t(x,0) = g(x)

Fórmula de d'Alembert: u(x,t)=f(x+ct)+f(x−ct)2+12c∫x−ctx+ctg(s) dsu(x,t) = \frac{f(x+ct)+f(x-ct)}{2}+\frac{1}{2c}\int_{x-ct}^{x+ct}g(s)\,ds

Derivação: de u=F(ξ)+G(η)u = F(\xi)+G(\eta):

u(x,0)=F(x)+G(x)=f(x)u(x,0) = F(x)+G(x) = f(x);

ut(x,0)=cF′(x)−cG′(x)=g(x)⇒F(x)−G(x)=1c∫x0xg(s) ds+Cu_t(x,0) = cF'(x)-cG'(x) = g(x) \Rightarrow F(x)-G(x) = \frac{1}{c}\int_{x_0}^x g(s)\,ds+C.

Resolvendo: F(x)=f(x)2+12c∫x0xgF(x) = \frac{f(x)}{2}+\frac{1}{2c}\int_{x_0}^x g, G(x)=f(x)2−12c∫x0xgG(x) = \frac{f(x)}{2}-\frac{1}{2c}\int_{x_0}^x g. Substituindo: fórmula de d'Alembert.

Cone de dependência

u(x0,t0)u(x_0, t_0) depende apenas de ff e gg no intervalo [x0−ct0,x0+ct0][x_0-ct_0, x_0+ct_0] — o cone de dependência da onda no ponto (x0,t0)(x_0,t_0).

Velocidade de propagação finita: perturbações viajam com velocidade exatamente cc.

Energia conservada

E(t)=12∫−∞+∞(ut2+c2ux2) dx=E(0)(conservac¸a˜o)E(t) = \frac{1}{2}\int_{-\infty}^{+\infty}(u_t^2 + c^2u_x^2)\,dx = E(0)\quad\text{(conservação)}

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Fórmula de d'Alembert

Bloco B — Domínio semi-infinito e energia

Bloco C — Nível ITA/USP

Para continuar

  • Strauss, W.A. — Partial Differential Equations, §2.1–2.3 — Wiley, 2ª ed.
  • Kreyszig, E. — Advanced Engineering Mathematics, §21.2 — Wiley, 10ª ed.
  • Iório, V. — EDP — Um Curso de Graduação, §3.1 — IMPA, 2ª ed.
  • Churchill, R.V. & Brown, J.W. — Fourier Series and Boundary Value Problems, §10 — McGraw-Hill, 8ª ed.
  • Evans, L.C. — Partial Differential Equations, §2.4 — AMS, 2ª ed.

Atualizado em 2026-05-28 · Autor(es): Clube da Matemática

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