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Equação de Calor, Laplace e Ondas

Para se deduzir várias das expressões nesta página, é necessário perceber o método de soluções separáveis.

Equação do Calor

Já tínhamos visto a Equação do Calor anteriormente. Nesta página apenas vão estar as expressões mais comuns para a equação do calor, que quando memorizadas permitem simplificar os cálculos.

A Equação do Calor tem a seguinte expressão:

ut=k2ux2\frac{\partial u}{\partial t} = k \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}

A resolução desta equação vai depender das condições fronteira utilizadas. Abaixo temos alguns exemplos de condições fronteira.

Condições Fronteira de Dirichlet (Homogéneo)

Trata-se de um problema muito comum, que é descrito pelo seguinte sistema:

{ut=k2ux2t>0,x]0,L[u(t,0)=u(t,L)=0t>0u(0,x)=f(x)x]0,L[\begin{cases} \dfrac{\partial u}{\partial t} = k \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} & t > 0, x \in \left]0, L \right[\\ u(t,0 ) = u(t,L) = 0 & t>0\\ u(0,x) = f(x) & x \in \left]0, L\right[ \end{cases}

Após aplicar o método de separação de variáveis, obtemos a seguinte solução para este problema:

u(t,x)=n=1cnen2π2ktL2sin(nπxL),cnRu(t,x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n e^{-\dfrac{n^2 \pi^2 k t}{L^2}} \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \quad, \quad c_n \in \R

Para determinar sucessão cnc_n, usamos a condição inicial, pelo que

u(0,x)=n=1+cnsin(nπxL)=f(x)u(0,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} c_n \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) = f(x)

Como podemos ver, a expressão é semelhante à da série de senos. Se f(x)f(x) já estiver em forma de série de senos, é trivial descobrir os valores de cnc_n. Caso contrário, é necessário determinar a sua série de senos, cuja sucessão bnb_n é dada por

cn=bn=2L0Lf(x)sin(nπxL) ⁣dxc_n = b_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} f(x) \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \d x

Exemplo

Assumindo L=πL = \pi e as condições fronteira de Dirichlet Homogéneas, em que

f(x)=sin(2x)3sin(5x)f(x) = \sin(2x) - 3\sin(5x)

resolva a equação de calor com condições fronteiras de Dirichlet homogéneas.

Então,

u(0,x)=n=1+cnsin(nx)=sin(2x)3sin(5x)u(0,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} c_n \sin (nx) = \sin(2x) - 3\sin(5x)

Como f(x)f(x) já se encontra na forma de série de senos, a descoberta de cnc_n é trivial:

c2=1c5=3cn=0,nN\{2,5}\begin{darray}{l} c_2 = 1\\ c_5 = -3\\ c_n = 0 &, \forall n \in \N \backslash \{2,5\} \end{darray}

Então, a solução final da equação do calor é:

u(t,x)=e4ktsin(2x)3e25ktsin(5x)u(t,x) = e^{-4kt} \sin(2x) - 3 e^{-25 kt} \sin(5x)
Exemplo (f(x)f(x) não está na forma de Série de Senos)

Considerando L=πL=\pi e a condição inicial

f(x)=π2xπ2={xse 0xπ2πxse π2<xπf(x) = \frac{\pi}{2} - \left|x - \frac{\pi}{2}\right| = \begin{cases} x & \text{se } 0 \leq x \leq \frac{\pi}{2} \\ \pi - x & \text{se } \frac{\pi}{2} < x \leq \pi \end{cases}

resolva a equação de calor com condições fronteiras de Dirichlet homogéneas.

Então,

u(0,x)=n=1cnsin(nx)=π2π2xu(0,x) = \sum_{n=1}^{\infty}c_n\sin(nx) = \frac{\pi}{2} - \left|\frac{\pi}{2} - x\right|

Como f(x)f(x) não se encontra na forma de série de senos, temos de a determinar.

Ssinf(x)=n=1bnsin(nx)S_{\sin}f(x) = \sum_{n=1}^{\infty}b_n\sin(nx)

tal que

bn=2π0πf(x)sin(nx) ⁣dx=2π[0π2xsin(nx) ⁣dx+π2π(πx)sin(nx) ⁣dx]=4πn2sinnπ2\begin{aligned} b_n &= \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}f(x)\sin(nx)\d x\\ &= \frac{2}{\pi}\left[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}x\sin(nx)\d x + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}(\pi - x)\sin(nx)\d x\right]\\ &= \frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2} \end{aligned}

Determinamos assim a série de senos de f(x)f(x):

f(x)=π2xπ2=n=14πn2sinnπ2sin(nx)f(x) = \frac{\pi}{2} - \left|x - \frac{\pi}{2}\right| = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}\sin(nx)

Então, como podemos observar que cn=bnc_n = b_n, temos que

cn=4πn2sinnπ2c_n = \frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}

Assim, a solução da equação de calor é

u(t,x)=n=14πn2sinnπ2en2Ktsin(nx)u(t, x) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{4}{\pi n^2}\sin\frac{n\pi}{2}e^{-n^2Kt}\sin(nx)

Condições Fronteira de Neumann

Consideremos o seguinte problema:

{ut=k2ux2t>0,x]0,π[ux(t,0)=ux(t,L)=0t>0u(0,x)=f(x)x]0,π[\begin{cases} \dfrac{\partial u}{\partial t} = k \dfrac{\partial^2 u}{\partial x^2} & t > 0, x \in \left]0, \pi \right[\\ \frac{\partial u}{\partial x}(t,0 ) = \frac{\partial u}{\partial x}(t,L) = 0 & t>0\\ u(0,x) = f(x) & x \in \left]0, \pi\right[ \end{cases}

Fisicamente, este problema representa a propagação de calor numa barra de comprimento LL em que não há troca de calor com o exterior pelas suas extremidades (daí as derivadas serem nulas).

Também pelo método de separação de variáveis é possível chegar a uma solução, apresentada abaixo:

u(t,x)=c0+n=1cnen2π2ktL2cos(nπxL),cnRu(t,x) = c_0 + \sum_{n=1}^{\infty} c_n e^{- \dfrac{n^2 \pi^2 kt}{L^2}} \cos \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \quad, \quad c_n \in \R

Semelhantemente às as condições de Dirichlet, podemos determinar a sucessão cnc_n através da expressão

u(0,x)=c0+n=1cncos(nπxL)=f(x)u(0,x) = c_0 + \sum_{n=1}^{\infty} c_n \cos \left(\frac{n\pi x}{L}\right) = f(x)

que é semelhante a uma série de cossenos. Novamente, se f(x)f(x) já estiver na forma de série de cossenos, é trivial descobrir os valores de cnc_n. Caso contrário, é necessário determinar a série de cossenos da função, que é dada por:

c0=a02=1L0Lf(x) ⁣dxcn=an=2L0Lf(x)cos(nπxL) ⁣dx\begin{aligned} c_0 &= \frac{a_0}{2} = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} f(x) \d x\\ c_n &= a_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} f(x) \cos \left(\frac{n\pi x}{L} \right) \d x \end{aligned}

Equação de Laplace

A Equação de Laplace homogénea tem a seguinte forma:

2ux2+2uy2=0\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = 0

Tal como fizemos para as Equações do Calor, podemos determinar uma solução através do método de soluções separáveis.

Pegando num problema mais completo (que provavelmente não é relevante decorar),

{2ux2+2uy2=0u(x,0)=f1(x)(1)u(0,y)=f2(y)(2)u(x,b)=f3(x)(3)u(a,y)=f4(y)(4)\begin{cases} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = 0\\ u(x,0) = f_1(x)& (1)\\ u(0,y) = f_2(y)& (2)\\ u(x,b) = f_3(x)& (3)\\ u(a,y) = f_4(y)& (4) \end{cases}

Vamos dividir isto em 4 problemas:

Problema 1:

2u1x2+2u1y2=0\frac{\partial^2 u_1}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_1}{\partial y^2} = 0
u1(x,0)=f1(x)u1(0,y)=0u1(x,b)=0u1(a,y)=0\begin{darray}{l} u_1(x,0) = f_1(x)\\ % I u_1(0,y) = 0\\ % II u_1(x,b) = 0\\ % III u_1(a,y) = 0 % IV \end{darray}

Problema 2:

2u2x2+2u2y2=0\frac{\partial^2 u_2}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_2}{\partial y^2} = 0
u2(x,0)=0u2(0,y)=f2(x)u2(x,b)=0u2(a,y)=0\begin{darray}{l} u_2(x,0) = 0\\ % I u_2(0,y) = f_2(x)\\ % II u_2(x,b) = 0\\ % III u_2(a,y) = 0 % IV \end{darray}

Problema 3:

2u3x2+2u3y2=0\frac{\partial^2 u_3}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_3}{\partial y^2} = 0
u3(x,0)=0u3(0,y)=0u3(x,b)=f3(x)u3(a,y)=0\begin{darray}{l} u_3(x,0) = 0\\ % I u_3(0,y) = 0\\ % II u_3(x,b) = f_3(x)\\ % III u_3(a,y) = 0 % IV \end{darray}

Problema 4:

2u4x2+2u4y2=0\frac{\partial^2 u_4}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u_4}{\partial y^2} = 0
u4(x,0)=0u4(0,y)=0u4(x,b)=0u4(a,y)=f4(x)\begin{darray}{l} u_4(x,0) = 0\\ % I u_4(0,y) = 0\\ % II u_4(x,b) = 0\\ % III u_4(a,y) = f_4(x) % IV \end{darray}

Nota do Autor

Abaixo mostram-se imediatamente as soluções dos problemas.
Não é necessário decorar estas soluções, visto que conseguem facilmente ser obtidas através do método de separação de variáveis, como ilustrado no exemplo abaixo.
Estas soluções apenas se encontram aqui para referência.

Resolvendo agora cada um dos problemas, omitindo os cálculos (mais abaixo irá estar um exemplo passo a passo):

u1=n=1+c1,nsin(nπax)sh(nπa(by))u_1 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{1,n} \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \sh \left(\frac{n\pi}{a}(b-y)\right)
u2=n=1+c2,nsh(nπb(ax))sin(nπby)u_2 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{2,n} \sh \left(\frac{n\pi}{b}(a-x)\right) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right)
u3=n=1+c3,nsin(nπax)sh(nπay)u_3 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{3,n} \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \sh \left(\frac{n\pi}{a}y\right)
u4=n=1+c4,nsh(nπbx)sin(nπby)u_4 = \sum_{n=1}^{+\infty} c_{4,n} \sh \left(\frac{n\pi}{b}x\right) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right)

E cada uma das sucessões:

c1,n=2ash(nπab)0af1(x)sin(nπax) ⁣dxc_{1,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{a}b\right)} \int_{0}^{a} f_1(x) \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \d x
c2,n=2ash(nπba)0af2(x)sin(nπby) ⁣dxc_{2,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{b}a\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) \d x
c3,n=2ash(nπab)0af2(x)sin(nπax) ⁣dxc_{3,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{a}b\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{a}x \right) \d x
c4,n=2ash(nπba)0af2(x)sin(nπby) ⁣dxc_{4,n} = \frac{2}{a \sh \left(\frac{n\pi}{b}a\right)} \int_{0}^{a} f_2(x) \sin \left(\frac{n\pi}{b}y \right) \d x

Finalmente,

u=u1+u2+u3+u4u = u_1 + u_2 + u_3 + u_4

Exemplo

Recorrendo ao método de separação de variáveis determine uma solução para o seguinte problema de valor na fronteira:

{2ux2+2uy2=uu(x,0)=u(x,1)=u(0,y)=0u(1,y)=y\begin{cases} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = u\\ u(x,0) = u(x,1) = u(0,y) = 0\\ u(1,y) = y \end{cases}

para 0x10 \leq x \leq 1 e 0y10 \leq y \leq 1.

Como sempre, começamos por aplicar o método de soluções separáveis:

u(x,y)=X(x)Y(y)u(x,y) = X(x)Y(y)

Já vimos anteriormente na equação de calor que é possível trabalharmos as condições fronteira para obter:

u(x,0)=0    X(x)Y(0)=0    X(x)=0Y(0)=0    Y(0)=0u(x,1)=0    X(x)Y(1)=0    X(x)=0Y(1)=0    Y(1)=0u(0,y)=0    X(0)Y(y)=0    X(0)=0Y(y)=0    X(0)=0\begin{aligned} u(x,0) = 0 & \implies X(x)Y(0) = 0 \implies X(x) = 0 \lor Y(0) = 0 \implies Y(0) = 0\\ u(x,1) = 0 & \implies X(x)Y(1) = 0 \implies X(x) = 0 \lor Y(1) = 0 \implies Y(1) = 0\\ u(0,y) = 0 & \implies X(0)Y(y) = 0 \implies X(0) = 0 \lor Y(y) = 0 \implies X(0) = 0 \end{aligned}

Substituindo na expressão inicial e efetuando os cálculos segundo o método,

X(x)Y(y)+X(x)Y(y)=X(x)Y(y)X(x)Y(y)=X(x)Y(y)X(x)Y(y)X(x)Y(y)X(x)=Y(y)Y(y)X(x)X(x)=1Y(y)Y(y)Y(y)Y(y)=1X(x)X(x)=λ\begin{darray}{rl} &X''(x) Y(y) + X(x) Y''(y) = X(x) Y(y)\\\\ \Leftrightarrow & X''(x) Y(y) = X(x) Y(y) - X(x) Y''(y)\\\\ \Leftrightarrow & \frac{X''(x) Y(y)}{X(x)} = Y(y) - Y''(y)\\\\ \Leftrightarrow & \frac{X''(x)}{X(x)} = 1 - \frac{Y''(y)}{Y(y)}\\\\ \Leftrightarrow & \frac{Y''(y)}{Y(y)} = 1 - \frac{X''(x)}{X(x)} = \lambda \end{darray}

Pegando em Y(y)Y(y), já conhecemos esta equação, com condições fronteira de Dirichlet, pelo que podemos evitar certos cálculos.

Y(y)λY(y)=0Y''(y) - \lambda Y(y) = 0

Como vimos na Equação do Calor, a única solução não nula ocorre quando λ<0\lambda < 0, em que

Y(y)=c1sin(nπy)λ=n2π2\begin{darray}{cc} Y(y) = c_1 \sin(n \pi y) & \lambda = - n^2 \pi^2 \end{darray}

De seguida, pegamos em X(x)X(x), que já temos de efetuar alguns cálculos:

X(x)X(x)=λ1    X(x)+(λ1)X(x)=0    X(x)+(n2π21)X(x)=0    X(x)(n2π2+1)X(x)=0\begin{aligned} - \frac{X''(x)}{X(x)} = \lambda - 1 &\implies X''(x) + (\lambda - 1) X(x) = 0\\ &\implies X''(x) + (- n^2 \pi^2 - 1) X(x) = 0\\ &\implies X''(x) - (n^2 \pi^2 + 1) X(x) = 0 \end{aligned}

Logo, resolvendo a equação de ordem superior,

X(x)=c2e1+n2π2x+c3e1+n2π2xX(x) = c_2 e^{\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} + c_3 e^{-\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x}

Pela condição fronteira u(0,y)=0u(0,y) = 0, obtemos o seguinte: X(0)=0X(0) = 0, pelo que

X(0)=0    c2e0+c3e0=0    c2+c3=0    c3=c2\begin{aligned} X(0) = 0 &\implies c_2 e^{0} + c_3 e^{0} = 0\\ &\implies c_2 + c_3 = 0\\ &\implies c_3 = - c_2 \end{aligned}

Substituindo em X(x)X(x), obtemos

X(x)=c2(e1+n2π2xe1+n2π2x)X(x) = c_2 \left(e^{\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} - e^{-\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x} \right)

Relembrando que sinh(ax)=eaxeax2\sinh(ax) = \frac{e^{ax} - e^{-ax}}{2}, obtemos que

X(x)=c3sinh(1+n2π2x)X(x) = c_3 \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)

Assim, finalmente, obtemos a expressão geral para a função u(x,y)u(x,y).

u(x,y)=X(x)Y(y)=c4sinh(1+n2π2x)sin(nπy)u(x,y)=X(x)Y(y) = c_4 \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y)

E, como existem infinitas soluções,

u(x,y)=n=1+dnsinh(1+n2π2x)sin(nπy)u(x,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y)

Finalmente, vamos determinar dnd_n, de acordo com a condição inicial u(1,y)u(1,y):

u(1,y)=n=1+dnsinh(1+n2π2)sin(nπy)=yu(1,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})\sin(n \pi y) = y

Novamente, isto relembra-nos uma série de senos, mas com uma pequena diferença:

dnsinh(1+n2π2)=bn=2101ysin(nπy) ⁣dy=2(1)n+1nπd_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}) = b_n = \frac{2}{1} \int_{0}^{1} y \sin(n\pi y) \d y = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi}
dnsinh(1+n2π2)=2(1)n+1nπ    dn=2(1)n+1nπsinh(1+n2π2)d_n \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}) = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi} \implies d_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})}

Assim, a solução do problema é:

u(x,y)=n=1+2(1)n+1nπsinh(1+n2π2)sinh(1+n2π2x)sin(nπy)u(x,y) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2})} \sinh(\sqrt{1 + n^2 \pi^2}x)\sin(n \pi y)

Equação das Ondas

A equação das ondas tem a forma de

2ut2=c22ux2\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}

Outra notação possível para este problema (e para outros vistos anteriormente) é a seguinte:

utt=c2uxxu_{tt} = c^2 u_{xx}

Mais genericamente, o problema pode ser definido por

{uxx=c2uttu(t,0)=0u(t,L)=0u(0,x)=u0(x)ut(0,x)=v0(x)\begin{cases} u_{xx} = c^2 u_{tt}\\ u(t,0) = 0\\ u(t,L) = 0\\ u(0,x) = u_0 (x)\\ \frac{\partial u}{\partial t} (0, x) = v_0(x) \end{cases}

Pelo método de separação de variáveis conseguimos chegar à seguinte solução geral:

u(t,x)=n=1+(Ancos(cπnLt)+Bnsin(cπnLt))sin(πnLx)u(t,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left(A_n \cos\left(\frac{c\pi n}{L}t\right) + B_n \sin\left(\frac{c\pi n}{L}t\right)\right) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right)
An=2L0Lu0(x)sin(πnLx) ⁣dxA_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} u_0(x) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) \d x
Bn=2cπn0Lv0(x)sin(πnLx) ⁣dxB_n = \frac{2}{c\pi n} \int_{0}^{L} v_0(x) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right) \d x

Obviamente, se Bn=0B_n = 0

u(t,x)=n=1+Ancos(cπnLt)sin(πnLx)u(t,x) = \sum_{n=1}^{+\infty} A_n \cos\left(\frac{c\pi n}{L}t\right) \sin\left(\frac{\pi n}{L}x\right)

No entanto, como podemos reparar, esta expressão é muito confusa e complicada. Por esta razão, existe outra fórmula, que nos permite expressar a equação das ondas de uma forma mais simples.

Fórmula de D'Alembert

Esta forma vem-nos simplificar a equação das ondas. Novamente, tendo o problema

{uxx=c2uttu(0,x)=f(x)ut(0,x)=g(x)\begin{cases} u_{xx} = c^2 u_{tt}\\ u(0,x) = f(x)\\ \frac{\partial u}{\partial t} (0, x) = g(x) \end{cases}

é possível descrever a sua solução segundo duas funções pp e qq:

u(x,t)=p(x+ct)+q(xct)u(x,t) = p(x+ct) + q(x-ct)

A Fórmula de D'Alembert diz-nos que a solução da equação será

u(x,t)=f(xct)+f(x+ct)2+12cxctx+ctg(s) ⁣dsu(x,t) = \frac{f(x-ct) + f(x+ct)}{2} + \frac{1}{2c} \int_{x-ct}^{x+ct} g(s) \d s
Demonstração da Fórmula de D'Alembert

Exemplo

Resolva o seguinte problema

2ut2=c22ux2u(x,0)=cos(x)1ut(x,0)=0,0x2πu(0,t)=0u(2π,t)=0\begin{darray}{ll} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}\\ u(x,0) = \cos(x) - 1 & \frac{\partial u}{\partial t} (x,0) = 0, 0 \leq x \leq 2\pi\\ u(0,t) = 0 & u(2\pi,t) = 0 \end{darray}

Vamos aplicar a Fórmula de D'Alembert para resolver este problema:

f(x)=cos(x)1g(x)=0\begin{darray}{cc} f(x) = \cos(x) - 1 & g(x) = 0 \end{darray}

Pelo que

u(x,t)=cos(x+ct)1+cos(xct)12=cos(x+ct)+cos(xct)22\begin{aligned} u(x,t) &= \frac{\cos(x+ct) - 1 + \cos(x-ct) - 1}{2}\\ &= \frac{\cos(x+ct) + \cos(x-ct) - 2}{2} \end{aligned}

Aplicando agora a condição fronteira,

u(0,t)=0cos(ct)+cos(ct)22=0cos(ct)+cos(ct)=22cos(ct)=2cos(ct)=1ct=2πnnZ\begin{aligned} u(0,t) = 0 & \Leftrightarrow \frac{\cos(ct) + \cos(ct) - 2}{2} = 0\\ & \Leftrightarrow \cos(ct) + \cos(ct) = 2\\ & \Leftrightarrow 2 \cos(ct) = 2\\ & \Leftrightarrow \cos(ct) = 1\\ & \Leftrightarrow ct = 2\pi n & n \in \Z \end{aligned}

Substituindo na solução obtida, ficamos com

u(x,t)=cos(x+ct)+cos(xct)22=cos(x+2πn)+cos(x2πn)22=cos(x)+cos(x)22=2cos(x)22=cos(x)1\begin{aligned} u(x,t) &= \frac{\cos(x+ct) + \cos(x-ct) - 2}{2}\\ &= \frac{\cos(x+2 \pi n) + \cos(x-2 \pi n) - 2}{2}\\ &= \frac{\cos(x) + \cos(x) - 2}{2}\\ &= \frac{2\cos(x) - 2}{2}\\ &= \cos(x) - 1 \end{aligned}

A solução do problema é u(x,t)=cos(x)1u(x,t) = \cos(x) - 1