Capítulo 2 - Problemas de Valores Fronteira para Equações Diferenciais Ordinárias

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1 Capítulo 2 - Problemas de Valores Fronteira para Equações Diferenciais Ordinárias Departamento de Matemática balsa@ipb.pt Mestrados em Engenharia da Construção Métodos de Aproximação em Engenharia 1 o Semestre 2011/2012 Métodos de Aproximação em Engenharia 1/ 35

2 Sumário Problemas com Valores de Fronteira Métodos Numéricos para PVFs Método das Tentativas Método das Diferenças Finitas Método dos Elementos Finitos Método de Galerkin Considerações Finais Métodos de Aproximação em Engenharia 2/ 35

3 Problemas com Valores (ou condições) de Fronteira Condições laterais indicando a solução ou o valor da derivada em determinados pontos são necessários para tornar a solução única Para problemas de valor inicial todas as condições laterais são especificadas num único ponto t 0 Para Problemas com Valores de Fronteira(PVF) as condições laterais são especificadas em mais de um ponto EDO de ordem k, ou o sistema de primeira ordem correspondente, necessita de k condições laterais Para EDOs as condições laterais são tipicamente especificadas nos extremos do intervalo [a, b], resultando num problema com valores de fronteira em dois pontos com Condições de Fronteira (CF) em dois pontos a e b Métodos de Aproximação em Engenharia 3/ 35

4 Problemas com Valores de Fronteira, continuação Genericamente um PVF em dois pontos tem a seguinte forma com CF y = f (t, y), a t b g = (y(a), y(b)) = 0 com f : IR n+1 IR n e g : IR 2n IR n Condições de fronteira são separadas se qualquer componente de g envolver apenas valores da solução em a ou em b, mas não em ambos Condições de fronteira são lineares se tiverem a forma com B a, B b IR n n e c IR n B a y(a) + B b y(b) = c PVF é linear se a EDO e as CF forem ambas lineares Métodos de Aproximação em Engenharia 4/ 35

5 Exemplo 1: Condições de fronteira separadas e lineares PVF em dois pontos para uma EDO de segunda ordem com CF u = f (t, u, u ), a t b u(a) = α, u(b) = β é equivalente ao sistema de EDOs de primeira ordem [ ] [ ] y 1 y = 2, a t b f (t, y 1, y 2 ) y 2 com CF separadas e lineares [ ] [ ] [ 1 0 y1 (a) y 2 (a) 1 0 ] [ y1 (b) y 2 (b) ] [ α = β ] Métodos de Aproximação em Engenharia 5/ 35

6 Métodos Numéricos para PVFs Nos PVI as condições iniciais fornecem toda a informação necessária para iniciar a resolução numérica passo a passo a partir do ponto inicial Nos PVFs não temos informação suficiente para iniciar a resolução numérica passo a passo a partir do ponto inicial, pelo que os métodos numéricos para a resolução de PVFs são um pouco mais complexos Os métodos numéricos mais comuns para a resolução de PVFs em dois pontos pertencem aos seguintes tipos Tentativas Diferenças Finitas Elementos Finitos Métodos de Aproximação em Engenharia 6/ 35

7 Método das Tentativas Métodos das Tentativas Ao definir o PVF em dois pontos indicamos o valor de u(a) Se conhecêssemos também o valor de u (a) teríamos um PVI que poderíamos resolver por um dos métodos estudados anteriormente Sem esta informação, estimamos sequencialmente valores cada vez mais correctos até encontrar o valor de u (a) para o qual a resolução do PVI correspondente tenha por solução em t = b o valor de fronteira pretendido u(b) = β Métodos de Aproximação em Engenharia 7/ 35

8 Método das Tentativas Exemplo 2: Métodos das Tentativas Considere o PVF em dois pontos para uma EDO de segunda ordem u = 6t, 0 t 1 com CF u(0) = 0, u(1) = 1 Para cada estimativa de u (0) vamos integrar o PVI resultante com o método de Runge-Kutta de 4 a ordem para determinar a proximidade da solução obtida da solução pretendida em t = 1 Para simplificar vamos usar um passo h = 0.5 para integrar o PVI de t = 0 até t = 1 em apenas dois passos Em primeiro lugar transformamos a EDO de segunda ordem num sistema equivalente de primeira ordem y = [ ] y 1 (t) y 2 (t) = [ y2 6t ] Métodos de Aproximação em Engenharia 8/ 35

9 Método das Tentativas Exemplo 2, continuação Começamos [ ] por arbitrar o declive inicial y 2 (0) = 1, i.e, 0 y(0) = e resolvemos o PVI correspondente 1 y 1 = y 0 + h 6 (D 1 + 2D 2 + 2D 3 + D 4 ) = [ y 2 = y 1 + h [ ] 2 6 (D 1 + 2D 2 + 2D 3 + D 4 ) = 4 Obtemos y 1 (1) = 2 em vez do valor desejado y 1 (1) = 1 ] Métodos de Aproximação em Engenharia 9/ 35

10 Método das Tentativas Exemplo 2, continuação Tentamos novamente agora com a estimativa do declive inicial y 2 (0) = 1 e obtemos [ ] [ ] y 1 = e y = 2 Obtemos assim y 1 (1) = 0 em vez do valor desejado y 1 (1) = 1, mas agora sabemos que o declive inicial está compreendido entre 1 e 1 Métodos de Aproximação em Engenharia 10/ 35

11 Método das Tentativas Exemplo 2, continuação Tentando novamente agora com a estiva do declive inicial y 2 (0) = 0 obtemos [ ] [ ] y 1 = e y = 3 Obtemos assim a solução alvejada y 1 (1) = 1 Métodos de Aproximação em Engenharia 11/ 35

12 Método das Tentativas Exemplo 2, continuação Os resultados das três tentativas são ilustrados na figura seguinte 2 1ª tentativa 2ª tentativa 3ª tentativa y t Métodos de Aproximação em Engenharia 12/ 35

13 Método das Diferenças Finitas Diferenciação Numérica Dada uma função f : IR IRe os passos h e h, para aproximar a primeira e a segunda derivada em x expandimos em séries de Taylor e f (x + h) = f (x) + hf (x) + h2 2 f (x) + h3 6 f (x)... f (x h) = f (x) hf (x) + h2 2 f (x) h3 6 f (x)... Resolvendo em ordem a f (x) na primeira série obtemos a formula da diferença em avanço f f (x + h) f (x) (x) = f (x) h 2 h +... f (x + h) f (x), h de primeira ordem pois o maior termo desprezado é O (h). Métodos de Aproximação em Engenharia 13/ 35

14 Método das Diferenças Finitas Diferenciação Numérica, continuação Da mesma maneira, a partir da segunda série derivamos a formula da diferença em atraso f f (x) f (x h) (x) = + f (x) h 2 h +... f (x) f (x h), h que também é de primeira ordem pois o maior termo desprezado é igualmente O (h). Métodos de Aproximação em Engenharia 14/ 35

15 Método das Diferenças Finitas Diferenciação Numérica, continuação Subtraindo a segunda série à primeira obtemos a formula da diferença centrada f f (x + h) f (x h) (x) = f (x) 2h 6 h f (x + h) f (x h), 2h que é de segunda ordem pois o maior termo desprezado é O ( h 2). Métodos de Aproximação em Engenharia 15/ 35

16 Método das Diferenças Finitas Diferenciação Numérica, continuação Finalmente, adicionando as duas séries obtemos a formula da diferença centrada para a segunda derivada f f (x + h) 2f (x) + f (x h) (x) = h 2 f (x + h) 2f (x) + f (x h) h 2, cuja exactidão é também de segunda ordem. f (iv) (x) 12 h Métodos de Aproximação em Engenharia 16/ 35

17 Método das Diferenças Finitas Método das Diferenças Finitas Método das diferenças finitas converte PVF em sistemas de equações algébricas substituindo todas as derivadas por aproximações baseadas em diferenças finitas Por exemplo, para resolver o PVF em dois pontos u = f (t, u, u ), a < t < b com condições de fronteira u (a) = α, u (b) = β introduzimos uma malha de pontos = a + ih, i = 0, 1,..., n + 1, com h = (b a) / (n + 1) Das condições de fronteira sabemos que y 0 = u(a) = α e y n+1 = u(b) = β e procuramos valores aproximados da solução y i u( ) em cada ponto interior da malha, i = 1, 2,..., n Métodos de Aproximação em Engenharia 17/ 35

18 Método das Diferenças Finitas Método das Diferenças Finitas, continuação Substituímos as derivadas por aproximações baseadas em diferenças finitas tais como u ( ) y i+1 y i 1 2h u ( ) y i+1 2y i + y i 1 h 2 Isto conduz a sistemas de equações da forma y i+1 2y i + y i 1 h 2 = f (, y i, y ) i+1 y i 1 2h que devem ser resolvidas em ordem às incógnitas y i, i = 1,..., n Sistemas de equações podem ser ou não lineares conforme f ser ou não linear Métodos de Aproximação em Engenharia 18/ 35

19 Método das Diferenças Finitas Método das Diferenças Finitas, continuação Nestes casos particulares (EDO escalares de segunda ordem) os sistemas a resolver são tri-diagonais, permitindo poupar quer na quantidade de trabalho quer na quantidade de dados a armazenar em comparação com sistemas de equações genéricos Estas propriedades verificam-se geralmente no método das diferenças finitas: conduzem a sistemas esparsos porque cada equação envolve apenas um número reduzido de variáveis Métodos de Aproximação em Engenharia 19/ 35

20 Método das Diferenças Finitas Exemplo 3: Método das Diferenças Finitas Consideramos novamente o PVF em dois pontos com CF u = 6t, 0 t 1 u(0) = 0 e u(1) = 1 Para reduzir ao mínimo os cálculos, calculamos o valor aproximado da solução em apenas num ponto interior da malha, t = 0.5, no intervalo [0, 1] Incluindo os pontos fronteira, temos uma malha com três pontos: t 0 = 0, t 1 = 0.5 e t 2 = 1 Das condições de fronteira sabemos que u 0 = u(t 0 ) = 0 e u 2 = u(t 2 ) = 1 e procuramos o valor aproximado da solução u 1 u(t 1 ) Métodos de Aproximação em Engenharia 20/ 35

21 Método das Diferenças Finitas Exemplo 3, continuação Substituindo as derivadas em t 1 pelas formulas das diferenças finitas habituais ( u 2 2u 1 + u 0 h 2 = f t 1, u 1, u ) 2 u 0 2h Substituindo valores fronteira, espaçamento da malha e segundo membro obtemos para este exemplo ou tal que 1 2u (0.5) 2 = 6t 1 4 8u 1 = 6(0.5) = 3 u(0.5) u 1 = 1/8 = Métodos de Aproximação em Engenharia 21/ 35

22 Método das Diferenças Finitas Exercício 1: Método das Diferenças Finitas Considere o PVF em dois pontos y = 3t + 4y, 0 t 1 com CF y(0) = 0 e y(1) = 1 resolva EDO no intervalo 0 t 1 por diferenças finitas usando h = 0.2 Métodos de Aproximação em Engenharia 22/ 35

23 Método dos Elementos Finitos Método dos elementos finitos consiste em aproximar a função implícita na equação diferencial por uma função polinomial Domínio discretizado em elementos (rectas ou curvas entre os nós) Aproxima-se a função de maneira a minimizar o resíduo ao longo de cada elemento Métodos de Aproximação em Engenharia 23/ 35

24 Método dos Elementos Finitos, continuação Para resolver o PVF u = f (t), com condições de fronteira u (a) = α, a < t < b u (b) = β introduzimos uma malha de pontos = a + ih, i = 0, 1,..., n + 1, com h = (b a) / (n + 1) Das condições de fronteira sabemos que y 0 = u(a) = α e y n+1 = u(b) = β e procuramos valores aproximados da solução y i u( ) em cada ponto interior da malha, i = 1, 2,..., n Aproximamos a função u ao longo de cada elemento através de um polinómio do primeiro grau (recta), u(t) y(t) = a 0 + a 1 t Métodos de Aproximação em Engenharia 24/ 35

25 Método dos Elementos Finitos, continuação Como esta função deve respeitar as condições de fronteira do elemento i tem de se verificar y i = a 0 + a 1 y i+1 = a 0 + a 1 +1 Solução deste sistema de equações pode ser obtida através do método de Cramer, por exemplo, a 0 = y i+1 y i+1 +1 e a 1 = y i+1 y i +1 Substituindo esta solução e reagrupando os termos obtemos a função de aproximação y(t) = φ 1 y i + φ 2 y i+1, com φ 1 = +1 t e φ 2 = t +1 Métodos de Aproximação em Engenharia 25/ 35 +1

26 Método dos Elementos Finitos, continuação Como a função de aproximação é linear podemos derivá-la ou integrá-la facilmente Derivada: du dt dφ 1 dt y i + dφ 2 y i+1 = 1 y i + 1 y i+1 = y i + y i+1 dt Integral definido: u dt (φ 1 y i + φ 2 y i+1 ) dt = y i + y i+1 2 (+1 ) Métodos de Aproximação em Engenharia 26/ 35

27 Método de Galerkin Método de Galerkin Equação diferencial original pode ser reescrita como u f (t) = 0 Substituindo nesta equação u pela solução aproximada y, o lado direito deixa de ser zero mas sim igual a um resíduo: y f (t) = R Método de Galerkin: minimizar soma dos resíduos ponderados Rφ j dt = 0, j = 1, 2 [y f (t)] φ j dt = 0, j = 1, 2 y φ j dt = Métodos de Aproximação em Engenharia 27/ 35 f (t) φ j dt, j = 1, 2

28 Método de Galerkin Método de Galerkin, continuação Integrando por partes o lado esquerdo da equação anterior y φ j dt = [φ j y ] +1 y φ j dt, j = 1, 2 Sabendo que φ 1 (+1 ) = 0, φ 1 ( ) = 1, φ 2 (+1 ) = 1 e φ 2 ( ) = 0 [φ 1 y ] +1 = y ( ) e [φ 2 y ] +1 = y (+1 ) Substituindo na equação original e reorganizando para j = 1 e j = 2 obtemos as duas equações relativas ao elemento i y φ 1 dt = y ( ) f (t) φ 1 dt y φ 2 dt = y (+1 ) f (t) φ 2 dt Métodos de Aproximação em Engenharia 28/ 35

29 Método de Galerkin Formulação Matricial Aplicando as formulas de derivação e primitivação que vimos anteriormente y φ y i y i+1 1 dt = (+1 ) 2 dt = 1 (+1 ) (y i y i+1 ) y φ 2 dt = y i + y i+1 (+1 ) 2 dt = 1 (+1 ) ( y i + y i+1 ) Substituindo nas equações relativas ao elemento i 1 (+1 ) (y i y i+1 ) = y ( ) 1 (+1 ) ( y i + y i+1 ) = y (+1 ) f (t) φ 1 dt f (t) φ 2 dt Métodos de Aproximação em Engenharia 29/ 35

30 Método de Galerkin Formulação Matricial, continuação As duas equações anteriores podem ser representadas matricialmente [ ] [ ] [ ] [ yi y = ti+1 ] ( ) (+1 ) 1 1 y i+1 y t i f (t) φ 1 dt (+1 ) ti+1 } {{ } } {{ } f (t) φ 2 dt } {{ } Matriz de rigidez Cond. de fronteira Efeitos Externos Sistema relativo ao nó i, para obter o sistema completo (incluindo todos os nós) devemos incluir todos os n elementos nos quais o domínio foi decomposto Para obter a solução aproximada y i, para i = 0, 1, 2,..., n + 1 será necessário resolver um sistema com n + 1 equações e n + 1 incógnitas, resultante da junção dos n sistemas semelhantes ao anterior Métodos de Aproximação em Engenharia 30/ 35

31 Método de Galerkin Exemplo 4: Método dos Elementos Finitos Consideramos novamente o PVF com CF u = 6t, 0 t 1 u(0) = 0 e u(1) = 1 Para reduzir ao mínimo os cálculos, calculamos o valor aproximado da solução em apenas num ponto interior da malha, t = 0.5, no intervalo [0, 1] Incluindo os pontos fronteira, temos uma malha com três pontos que corresponde a dois elementos, um que liga t 0 = 0 a t 1 = 0.5 e outro que liga t 1 = 0.5 a t 2 = 1 Das condições de fronteira sabemos que y 0 = u(t 0 ) = 0 e y 2 = u(t 2 ) = 1 e procuramos o valor aproximado da solução y 1 u(t 1 ) Métodos de Aproximação em Engenharia 31/ 35

32 Método de Galerkin Exemplo 4, continuação As duas equações relativas ao primeiro elemento são [ ] [ ] [ ] [ y0 y = t1 (t 0 ) (t 1 t 0 ) 1 1 y 1 y t 0 f (t) φ 1 dt (t 1 ) t1 t 0 f (t) φ 2 dt [ ] [ ] [ ] [ ] 2 2 y0 u = (t 0 ) y 1 u (t 1 ) 0.50 As equações relativas ao segundo elemento são [ ] [ ] [ ] [ y1 y = t2 (t 1 ) (t 2 t 1 ) 1 1 y 2 y t 1 f (t) φ 1 dt (t 2 ) t2 t 1 f (t) φ 2 dt [ ] [ ] [ ] [ ] 2 2 y1 u = (t 1 ) y 2 u (t 2 ) 1.25 ] ] Métodos de Aproximação em Engenharia 32/ 35

33 Método de Galerkin Exemplo 4, continuação Juntando os dois sistemas num só obtemos y 0 u (t 0 ) y 1 = y 2 u (t 2 ) 1.25 Como y 0 e y 2 são conhecidos, mas não conhecemos u (t 0 ) e u (t 2 ), o sistemas pode ser reescrito como u (t 0 ) y 1 = u (t 2 ) 3.25 solução deste sistema é u (t 0 ) = 0, y 1 = e u (t 2 ) = 3 Métodos de Aproximação em Engenharia 33/ 35

34 Métodos Disponíveis na NMLibforOctave Método das Tentativas: [...] = ode_shoot(...) Método das Diferenças Finitas: [...] = ode_finit_diff(...) Métodos de Aproximação em Engenharia 34/ 35

35 Bibliografia Exposição baseada essencialmente no capítulo 10 de Michael T. Heath. "Scientific Computing an Introductory Survey". McGraw-Hill, New York, e no capítulo 31 de Steven C. Chapra e Raymond P. Canale, "Métodos Numéricos para Engenharia", McGraw-Hill, São Paulo, Métodos de Aproximação em Engenharia 35/ 35