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Maths 361: Partial Dierential Equations

Assignment 2, due Friday, 12th May, 11:59pm

Full marks:  50 marks.

1.  (15 marks) Consider the following PDE:

utt  = u北北 ,    -10 < x < 10,    t > 0

u(-10, t) = 0,    u (10, t) = 0,    t > 0

u(x, 0) =

ut (x, 0) = 0,    -10 < x < 10.

(a)  Solve using separation of variables.   You may leave the eigenfunction expansion

coefficients in inner product form.

(b) Explain how the behaviour can be understood using d’Alembert’s general solution

taking account of the boundary conditions; sketch the solution.

(c)  Sketch the solution to

utt  = u北北 ,    -o < x < o,    t > 0

u(x, 0) =

ut (x,0) = 0,    -o < x < o.

(d) Explain how the solution is altered if the problem becomes

utt  = u北北 ,    -o < x < o,    t > 0

, 1,  x [-1, 1]

u(x, 0) =    ,  x [-4, -3]

 0,  otherwise

ut (x,0) = 0,    -o < x < o.

2.  (15 marks) Consider the following PDE:

ut  = u北北 + γu,    0 < x < 1,    t > 0

u(0, t) = 0,    u(1, t) = 0,    t > 0

u(x,0) = 1,    0 < x < 1

with the parameter γ ∈ R.

(a)  Solve using separation of variables.   You may leave the eigenfunction expansion

coefficients in inner product form.

(b) Explain how γ affects the behaviour of the solution.

3.  (10 marks) Using separation of variables, solve the PDE

u北北 + uuu  = 0

on x ∈ [0, 2], y ∈ [0, 3] with the boundary conditions

u(x, 0) = 0,                                         u(x,3) = 0,

u (0, y) = sin(πy),                               u(2, y) = 0.

Plot the solution that you obtain.

4.  (10 marks) Consider the equation

^xu + uu  = 0, 0 < x < o, 0 < y < o

u(0, y) = eu , u(x, 0) = 1

(a) If you wanted to use Laplace transforms to solve the above PDE, which coordinate

should I transform in? Why?

(b) Laplace transform the PDE above, and solve the ODE in the new coordinate system

to find U .  (You will need to rearrange and use integrating factors.  Your nal solution will include two terms, one purely dependent on s, and the other with a  constant” of integration C(s)).

(c) Use the initial value of your PDE to determine the remaining constant” C(s).

(d) Finally, use your table of Laplace transforms to nd u(x, y).