The one-dimensional wave equation is given by

(1)

In order to specify a wave, the equation is subject to boundary conditions

			(2)
			(3)

and initial conditions

			(4)
			(5)

The one-dimensional wave equation can be solved exactly by d'Alembert's solution, using a Fourier transform method, or via separation of variables.

d'Alembert devised his solution in 1746, and Euler subsequently expanded the method in 1748. Let

			(6)
			(7)

By the chain rule,

			(8)
			(9)

The wave equation then becomes

(10)

Any solution of this equation is of the form

(11)

where  and  are any functions. They represent two waveforms traveling in opposite directions,  in the negative direction and  in the positive  direction.

The one-dimensional wave equation can also be solved by applying a Fourier transform to each side,

(12)

which is given, with the help of the Fourier transform derivative identity, by

(13)

where

			(14)
			(15)

This has solution

(16)

Taking the inverse Fourier transform gives

			(17)
			(18)
			(19)
			(20)

where

			(21)
			(22)

This solution is still subject to all other initial and boundary conditions.

The one-dimensional wave equation can be solved by separation of variables using a trial solution

(23)

This gives

(24)

(25)

So the solution for  is

(26)

Rewriting (25) gives

(27)

so the solution for  is

(28)

where . Applying the boundary conditions  to (◇) gives

(29)

where  is an integer. Plugging (◇), (◇) and (29) back in for  in (◇) gives, for a particular value of ,

			(30)
			(31)

The initial condition  then gives , so (31) becomes

(32)

The general solution is a sum over all possible values of , so

(33)

Using orthogonality of sines again,

(34)

where  is the Kronecker delta defined by

{1 m=n; 0 m!=n, " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/WaveEquation1-Dimensional/NumberedEquation17.gif" style="height:41px; width:109px" />

(35)

gives

			(36)
			(37)
			(38)

so we have

(39)

The computation of s for specific initial distortions is derived in the Fourier sine series section. We already have found that , so the equation of motion for the string (◇), with

(40)

is

(41)

where the  coefficients are given by (◇).

A damped one-dimensional wave

(42)

given boundary conditions

			(43)
			(44)

initial conditions

			(45)
			(46)

and the additional constraint

(47)

can also be solved as a Fourier series.

(48)

where

			(49)
			(50)
		{int_0^Lsin((npix)/L)[g(x)+(v^2b)/2f(x)]dx}." src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/WaveEquation1-Dimensional/Inline104.gif" style="height:42px; width:262px" />	(51)

REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Wave Equation in Prolate and Oblate Spheroidal Coordinates." §21.5 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 752-753, 1972.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 124-125 and 271, 1953.

Zwillinger, D. (Ed.). CRC Standard Mathematical Tables and Formulae. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 417, 1995.

Zwillinger, D. Handbook of Differential Equations, 3rd ed. Boston, MA: Academic Press, p. 130, 1997.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

قسم حفظ النظام ينهي استعداداته الخاصة بحفل تخرج طالبات الجامعات العاشر

العتبة العباسية المقدسة تنشر أكاليل الزهور ومظاهر الفرح بمناسبة ذكرى ولادة أمير المؤمنين (عليه السلام)

مجمع الشيخ الكليني يواصل تحضيراته لاستقبال المشاركات في حفل تخرج طالبات الجامعات العاشر

وصول المشاركات في فعاليات مهرجان روح النبوة الثقافي النسوي العالمي الثامن إلى كربلاء

المزيد

الآخبار الصحية

ماذا يحدث لجسمك عند تناول الوجبات السريعة يوميا؟

لصحة عظام المرأة.. الشاي أفضل أم القهوة؟

لبناء العضلات وإنقاص الوزن.. ما أفضل توقيت لتناول البيض؟

أطعمة صحية تساعد على التعافي من "الإنفلونزا الخارقة"

المزيد

الآخبار التكنلوجية

دراسة تكشف قدرة الحيتان على سماع الأصوات منخفضة وعالية التردد من مسافة بعيدة

تجربة جديدة: الأسفلت المدعوم بالطحالب يقاوم الحفر ويقلل الانبعاثات الكربونية

تسريبات تكشف ملامح أول هاتف قابل للطي من "أبل"

رصد نوع نادر من القطط في تايلاند للمرة الأولى منذ عقود

المزيد