Grupo3 - Ondas2: mudanças entre as edições
| Linha 45: | Linha 45: | ||
onde <math>U = \begin{pmatrix}k\\s\end{pmatrix},\quad \textrm{e}\quad F(U) =\begin{pmatrix}0 & -v\\-v & 0\end{pmatrix}</math> | onde <math>U = \begin{pmatrix}k\\s\end{pmatrix},\quad \textrm{e}\quad F(U) =\begin{pmatrix}0 & -v\\-v & 0\end{pmatrix}</math> | ||
== O Problema Fìsico == | |||
===A Corda Ideal=== | |||
Para uma primeira abordagem da equação da onda, podemos primeiro dividir o comprimento <math>L</math> da corda em <math>K</math> intervalos de comprimentos iguais, dessa forma <math>\Delta x = \frac{L}{K}</math>. Cada intervalo é discretizado, portanto, como <math>x_i</math>, <math>i=0,1,...,K</math>. Também podemos dividir o tempo em intervalos iguais <math>\Delta t</math> e denotá-los como <math>t_n</math>, <math>n =0,1...</math>. | |||
Tendo feita a discretização das variáveis, podemos aproximar a equação da onda por diferenciação finita: | |||
<math>\frac{u(i,n+1)-2u(i,n)+u(i,n-1)}{(\Delta t^2)} = v^2 \frac{u(i+1,n)-2u(i,n)+u(i-1,n)}{(\Delta x)^2}</math>. | |||
Sabendo que essa discretização da equação da onda pode ser verificada como sendo o método Leapfrog (ver seção do método de Leapfrog), podemos resolver a equação para <math>u(i,n+1)</math> para sabermos o deslocamento de uma partição da corda no momento de tempo seguinte, assim obtendo | |||
<math>u(i,n+1) = 2(1-r^2)u(i,n) + r^2[u(i+1,n)+u(i-1,n)]-u(i,n-1)</math>, | |||
onde <math>r = v \frac{\Delta t}{\Delta x}.</math> | |||
===Um Quadro Mais Realístico=== | |||
Para nos aproximarmos de um modelo mais real, podemos adicionar um termo à equação original da onda que corresponde ao efeito de fricção em uma corda. De acordo com [1], a equação da onda mais geral com efeito de fricção pode ser escrita como | |||
<math>\frac{\partial² y}{\partial t²} = v² \left( \frac{\partial² y}{\partial x²} - \epsilon L² \frac{\partial^4 y}{\partial x^4} \right),</math> | |||
onde <math>v</math> é a velocidade transversal de propagação do pulso na corda, dada pela relação <math>v = \sqrt[]{\frac{T}{\rho}}</math> (sendo <math>T</math> a tensão na corda e <math>\rho</math> a densidade linear da mesma), <math>\epsilon</math> é um parâmetro adimensional de fricção que representa a rigidez da corda e <math>L</math> o comprimento da corda. | |||
O parâmetro <math>\epsilon</math> é dado por | |||
<math>\epsilon = \kappa² \frac{E S}{T L²}</math>, | |||
onde <math>\kappa</math> é o raio da corda, <math>E</math> é o Módulo de Young e <math>S</math> a área da secção da corda. | |||
Ao discretizarmos a equação da onda em uma corda com fricção e a resolvendo para $u_i^{n+1}$ obtemos: | |||
<math> u_i^{n+1}=[2-2r^2-6\epsilon r^2N^2]u_i^n - u_i^{n-1} +r^2[1+4\epsilon N^2][u_{i+1}^n+u_{i-1}^n]-\epsilon r^2N^2[u_{i+2}^n + u_{i-2^n}].</math> | |||
O fato de essa discretização depender do deslocamento da corda em posições <math>i-2</math> e <math>i+2</math> implica em precisarmos simular "pontos fantasmas" quando integramos os extremos das cordas. Para fazermos isso, podemos ou utilizar a aproximação <math>u_{-1}^n = -u_{+1}^n</math> ou podemos considerar esses "pontos fantasmas" como pontos presos e, portanto, sempre iguais a zero. | |||
== Os Métodos Utilizados == | |||
Foi realizada uma abordagem ao problema da corda real a partir de três métodos diferentes de integração numérica. Os três são métodos para fins de resolução de equações diferenciais parciais da forma apresentada anteriormente. | |||
O método mais básico é chamado de FTCS (Forward-Time-Centered-Space) e consiste em duas expansões de Taylor ao redor do ponto <math>x_j</math>: | |||
<math>u(x_j + \Delta x,t^n) = u(x_j,t^n) + \frac{\partial u}{\partial x}(x_j,t^n)\Delta x + \frac{1}{2} \frac{partial² u}{\partial x²}(x_j,t^n)\Delta x² + \mathcal{O}(\Delta x³),</math> | |||
<math>u(x_j - \Delta x,t^n) = u(x_j,t^n) - \frac{\partial u}{\partial x}(x_j,t^n)\Delta x + \frac{1}{2} \frac{partial² u}{\partial x²}(x_j,t^n)\Delta x² + \mathcal{O}(\Delta x³).</math> | |||
Subtraindo as duas expressões, encontramos a expressão | |||
<math>\frac{\partial u}{\partial x} \rvert_j^n = \frac{u^n_{j+1} - u^n_{j-1}}{2 \Delta x} + \mathcal{O}(\Delta x²)</math>, | |||
A qual podemos substituir na equação da onda, juntamente com a discretização da derivada parcial temporal. Temos então que, para um sistema linear de equações hiperbólicas: | |||
<math>\textbf{U}^{n+1}_j = \textbf{U}^n_j - \frac{\Delta t}{2 \Delta x} [\textbf{F}^n_{j+1} - \textbf{F}^n_{j-1}] + \mathcal{O}(\Delta t², \Delta x² \Delta t)</math> | |||
Edição das 21h47min de 24 de outubro de 2017
Introdução
Equações diferenciais parciais (EDP's) hiperbólicas geralmente podem ser formuladas a partir de teoremas de conservação. Um exemplo é a equação do tipo:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial \vec{U}}{\partial t} + \nabla \cdot \vec{F}(U) = \vec{S}(U)} ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{U}} é o vetor de densidades da quantidade conservada, i.e., Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{U} = (U_1,...,U_n)} , Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{F}} é o fluxo de densidade e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{S}} é um termo genérico representando fontes ou sumidouros.
Uma classe especial de equações hiperbólicas são as chamadas equações de adveção, na qual a derivada temporal da quantidade conservada Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{U}(\vec{x},t)} é proporcional à sua derivada espacial. Nesses casos, Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{F}(U)} é diagonal e dada por:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{F}(U) = v \vec{I} \cdot \vec{U}} ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{I}} é a matriz identidade.
Considerando apenas uma dimensão e com Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{U} \equiv u} , temos a equação de adveção:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial u}{\partial t} + v \frac{\partial u}{\partial x} = 0} ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} é a velocidade de propagação do pulso gerado. A equação admite uma solução analítica da forma Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u = f(x - vt)} , representando uma onda se movendo na direção Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} .
A equação da onda em uma dimensão é uma EDP hiperbólica de segunda ordem dada por
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial² u}{\partial t²} = v² \frac{\partial² u}{\partial x²}. }
E admite duas soluções, representadas por pulsos, Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f(x + vt)} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f(x - vt)} .
Assumindo que Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v \neq v(x)} na equação da onda, nos restringimos a problemas lineares. Além disso, se escrevermos
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle k = v \frac{\partial u}{\partial x} } , Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle s = \frac{\partial u}{\partial t}, }
então a equação da onda pode ser escrita como um sistema de três equações diferenciais de primeira ordem:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{cases}\frac{\partial k}{\partial t} = v\frac{\partial s}{\partial x} \\ \frac{\partial s}{\partial t} = v\frac{\partial k}{\partial x} \\ \frac{\partial u}{\partial t} = s \end{cases} }
Em notação vetorial, o sistema acima pode ser reescrito na forma conservativa como: Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial U}{\partial t}+ \frac{\partial F(U)}{\partial x} = 0 } ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U = \begin{pmatrix}k\\s\end{pmatrix},\quad \textrm{e}\quad F(U) =\begin{pmatrix}0 & -v\\-v & 0\end{pmatrix}}
O Problema Fìsico
A Corda Ideal
Para uma primeira abordagem da equação da onda, podemos primeiro dividir o comprimento Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L} da corda em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle K} intervalos de comprimentos iguais, dessa forma Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta x = \frac{L}{K}} . Cada intervalo é discretizado, portanto, como Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x_i} , Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i=0,1,...,K} . Também podemos dividir o tempo em intervalos iguais Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta t} e denotá-los como Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t_n} , Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n =0,1...} .
Tendo feita a discretização das variáveis, podemos aproximar a equação da onda por diferenciação finita:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{u(i,n+1)-2u(i,n)+u(i,n-1)}{(\Delta t^2)} = v^2 \frac{u(i+1,n)-2u(i,n)+u(i-1,n)}{(\Delta x)^2}} .
Sabendo que essa discretização da equação da onda pode ser verificada como sendo o método Leapfrog (ver seção do método de Leapfrog), podemos resolver a equação para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u(i,n+1)} para sabermos o deslocamento de uma partição da corda no momento de tempo seguinte, assim obtendo
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u(i,n+1) = 2(1-r^2)u(i,n) + r^2[u(i+1,n)+u(i-1,n)]-u(i,n-1)} ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r = v \frac{\Delta t}{\Delta x}.}
Um Quadro Mais Realístico
Para nos aproximarmos de um modelo mais real, podemos adicionar um termo à equação original da onda que corresponde ao efeito de fricção em uma corda. De acordo com [1], a equação da onda mais geral com efeito de fricção pode ser escrita como
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial² y}{\partial t²} = v² \left( \frac{\partial² y}{\partial x²} - \epsilon L² \frac{\partial^4 y}{\partial x^4} \right),}
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} é a velocidade transversal de propagação do pulso na corda, dada pela relação Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v = \sqrt[]{\frac{T}{\rho}}} (sendo Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle T} a tensão na corda e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \rho} a densidade linear da mesma), Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \epsilon} é um parâmetro adimensional de fricção que representa a rigidez da corda e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle L} o comprimento da corda.
O parâmetro Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \epsilon} é dado por
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \epsilon = \kappa² \frac{E S}{T L²}} ,
onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \kappa} é o raio da corda, Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle E} é o Módulo de Young e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle S} a área da secção da corda.
Ao discretizarmos a equação da onda em uma corda com fricção e a resolvendo para $u_i^{n+1}$ obtemos:
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_i^{n+1}=[2-2r^2-6\epsilon r^2N^2]u_i^n - u_i^{n-1} +r^2[1+4\epsilon N^2][u_{i+1}^n+u_{i-1}^n]-\epsilon r^2N^2[u_{i+2}^n + u_{i-2^n}].}
O fato de essa discretização depender do deslocamento da corda em posições Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i-2} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i+2} implica em precisarmos simular "pontos fantasmas" quando integramos os extremos das cordas. Para fazermos isso, podemos ou utilizar a aproximação ou podemos considerar esses "pontos fantasmas" como pontos presos e, portanto, sempre iguais a zero.
Os Métodos Utilizados
Foi realizada uma abordagem ao problema da corda real a partir de três métodos diferentes de integração numérica. Os três são métodos para fins de resolução de equações diferenciais parciais da forma apresentada anteriormente.
O método mais básico é chamado de FTCS (Forward-Time-Centered-Space) e consiste em duas expansões de Taylor ao redor do ponto :
Falhou ao verificar gramática (erro de sintaxe): {\displaystyle u(x_j + \Delta x,t^n) = u(x_j,t^n) + \frac{\partial u}{\partial x}(x_j,t^n)\Delta x + \frac{1}{2} \frac{partial² u}{\partial x²}(x_j,t^n)\Delta x² + \mathcal{O}(\Delta x³),}
Falhou ao verificar gramática (erro de sintaxe): {\displaystyle u(x_j - \Delta x,t^n) = u(x_j,t^n) - \frac{\partial u}{\partial x}(x_j,t^n)\Delta x + \frac{1}{2} \frac{partial² u}{\partial x²}(x_j,t^n)\Delta x² + \mathcal{O}(\Delta x³).}
Subtraindo as duas expressões, encontramos a expressão
Falhou ao verificar gramática (função desconhecida '\rvert'): {\displaystyle \frac{\partial u}{\partial x} \rvert_j^n = \frac{u^n_{j+1} - u^n_{j-1}}{2 \Delta x} + \mathcal{O}(\Delta x²)} ,
A qual podemos substituir na equação da onda, juntamente com a discretização da derivada parcial temporal. Temos então que, para um sistema linear de equações hiperbólicas:
Falhou ao verificar gramática (erro de sintaxe): {\displaystyle \textbf{U}^{n+1}_j = \textbf{U}^n_j - \frac{\Delta t}{2 \Delta x} [\textbf{F}^n_{j+1} - \textbf{F}^n_{j-1}] + \mathcal{O}(\Delta t², \Delta x² \Delta t)}