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

Math 1470: Review Questions for Final Exam

1. Find the real and complex Fourier series of the following functions (on [−π, π]). For what values of x ∈ R does each series converge? Graph the function that it converges to. Do you get uniform convergence? Explain your answers.

(1) sin2 x.

(2)  |x| .

(3)  | sin x| .

(4)  e-x.

2.  Construct and graph the even and odd 2π periodic extensions of the function

A(f):(1) )xE(.)ven(Wh)e(a)xten(t are)si(t)on(he):(i)r1i c(?)x(o);(n)co(ver)n(g)verge(ence)s(o)u(f)nifor(each.)mly to

2π periodic extension of theunction f (x) = 1 |x| .

(2) Odd extension:  4 2π  sii(2)i1)x +  sini2ix ; converges uniformly to

2π periodic extension of the function f (x) = sgnx(1  |x|).

3.  Find the Fourier sine and cosine series of the following functions.   Graph the function to which the series converges.

(a) 1;    (b)  cos x;    (c) x(π x).

Answer:  (a) Sine:  π(4)  sin i11)x; cosine:  1.

(b) Sine:   44i2(i si)1(i)x ; cosine: cos x.

(c) Sine:  π(8)  sii(2)3)x ; cosine:  6(π)2   coi(s)2(2)ix.

4.  Suppose f (x) is periodic with period P > 0 and integrable.  Prove that, for any a ∈ R,

(1) la a+P f (x) dx = l0 P f (x) dx;        (2) l0 P f (x + a) dx = l0 P f (x) dx.

Answer: (1) 1aa+P f (x) dx =10P f (x) dx 10a f (x) dx +1P(a)+P f (x) dx

5.  Consider the heat equation ut   =  uxx  on 0  < x  <  1 with  initial temperature u(0, x) = f (x).  Find the series solution to the initial-boundary value problem when

(1) the left end of the bar is held at 0 degree and the other end is insulated.

Answer: u(t, x) =  dn exp l − (n + 2 π 2t] sin (n + πx, where dn  = 2 l0 1 f (x) sin (n + πxdx.

(2) both ends are insulated.

Answer: u(t, x) =  +  an exp (n2 π 2t,cos nπx,

where an  = 2 l0 1 f (x) cos nπxdx.

6. Write down the solutions to the following initial-boundary value problems for the wave equation on [0, π], in the form of a Fourier series:

(1) utt  = uxx ,    u(t, 0) = u(t, π) = 0,    u(0, x) = 0,    ut (0, x) = 1.

Answer: u(t, x) =    .

(2) utt  = 3uxx ,    u(t, 0) = u(t, π) = 0,    u(0, x) = sin3 x,    ut (0, x) = 0. Answer: u(t, x) =  cos tsin x  cos 3 3tsin 3x.

Answer: u(t, x) =   1)n+1  (cos 2nt    .

7.  Solve the following boundary value problems for Laplaces equation on the square [0, π]2 .

(1) u(x, 0) = sin3 x,    u(x, π) = u(0, y) = u(π, y) = 0.

Answer: u(x, y) = 3 sin 4(x)s(s)i(i)n(n)h(h)(π(π) y) sin 3x4(s)π(π) 3y) .

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

Answer: u(x, y) = π(4)  sij++1n(s)h(i) y .

y (x, π) = u(0, y) = ux (π, y) = 0.

Answer: u(x, y) = sin 2(x) cc(o)o(s)s(h)π y) .

8.  Use separation of variables to solve the following boundary value problem in the unit square [0, 1]2 .

∆u + 2ux  = 0,    u(x, 0) = f (x),    u(x, 1) = u(0, y) = u(1, y) = 0.

o

Answer: u(x, y) =  bne-x sinh  1 + n2 π 2 x sinnπy ,

where bn  = 1 f (y) sinnπydy.


9.  Solve the following boundary value problems for Laplace’s equation in the unit disk x2 + y2  < 1.

(1) u = x3  on x2  + y2 + 1.

   .

(2)   = x on x2 + y2  = 1.

Answer: u(x, y) = x.

10. Let u be harmonic in the unit disk and u = x2  on the boundary.  Find u(0, 0). Answer: 1/2.

11.  Solve the mixed boundary value problem for Laplace equation on the pie wedge 0 ≤ θ ≤ π/4, 0 ≤ r ≤ 1, with Dirichlet boundary data u(1, θ) = cos4 (2θ) on the curved portion of its boundary and homogeneous Neumann condition on the two straight wedges.

Answer: u(r, θ) =  + r4 cos(4θ) + r8 cos(8θ).

12. Write out the series solution to the boundary value problem u(1, θ) = 0, u(2, θ) =

h(θ) for Laplace equation on an annulus 1 < r < 2.

Answer:

u(r, θ) = 2(A)0 l(l)o(o)g(g) 2(r)  +  2n(rn)  2(r)-(-)n(n) (An cos nθ + Bn sinnθ) ,

where An , Bn  are the usual Fourier coefficients of h(θ).

 the constant Dirichlet boundary conditions u = a on r  .  Answer: u should be radially symmetric and hence a linear combination of log r and 1. A short computation shows that

u = l(b)2(a) log r + b = 2(b)l2(a) log(x2  + y2 ) + b.