Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

Math 1470 Midterm Take-home Exam

Due June 4, 2023 at 11:59 pm.

Instructions

● There are six problems in test.  Only FIVE will be graded.  Please indicated clearly which ones you want to be graded, or else I will pick the first five. Work independently.

● You may use your notes and textbook, but no searching online.

● You may not talk to, or communicate with by any method, any person other than me about the content of this exam.

● Indicate clearly your answers to the problems, and write legibly.  Solutions with- out sufficient details will not be granted full credit.

● When you finish, please have your answer scanned/pictured and converted to a single .pdf file, and submitted to Canvas.

● Please include a photo of your student ID along with your answers when upload- ing to Canvas.

Good luck!

Problem 1.  (20 points)

(1)  Consider the initial value problem

 

Find the solution to the above problem.

(2)  Consider the initial-boundary value problem

 

Sketch the characteristic curves and find the solution.

Problem 2.  (20 points)

An infinite bar with thermal diffusivity equal to 4 is initially at zero degrees. A con- centrated unit heat source is then continually applied at the origin.  The corresponding PDE is

ut  = 4uxx +  (x);    u(0; x) = 0;    x ∈ R;

where   isa Dirac delta function characterized by'a(b) f (y)  (y · c) dy = f (c) if a < c < b

and zero else where (for arbitrary, continuous function f).

(1) Write down an integral formula for the solution. Simplify the integral involving , but do NOT evaluate the integral.

(2) Is the temperature of the bar at the origin (i) always increasing, (ii) always de- creasing, (iii) constant, (iv) first increasing, then decreasing, or (v) periodically oscillating? Justify your answer by writing an explicit formula for the tempera- ture.

Problem 3.  (20 points)

Consider a semi-infinite bar with unit thermal diffusivity with the left end kept at temperature 1.  Suppose that initially the temperature is 0.  Write down the initial- boundary value problem that governs the temperature in the bar, and solve it.  Express your solution in terms of the error function Erf(x) = x e p2    dp.

Problem 4.  (20 points)

Solve the non homogeneous initial-value problem

 

for u(t; x). Simplify your answer. Is u(0; t) periodic in t?

Problem 5.  (20 points)

Consider the transport equation on a finite interval

ut · 2ux  = 0;    t > 0;   x ∈ (a; b):

with boundary conditions u(t; a) = u(t; b) = 0 and initial data u(0; x) = (x · a)(x · b).

(1) Prove that E(t) = lab u2 (t; x) dx is constant. (10 points)

(2) Find the total mass M (t) = la b u(t; x) dx. (10 points)

Problem 6.  (20 points)

Let u(t; x) be a solution to the heat equation on [0; L] subject to homogeneous Dirichlet boundary conditions. Let

M (t) = max{u(t; x) :  0 L}:

Prove that M (t) is a non-increasing function when t > 0.