Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2015
Autor(a) principal: Dalmas, Sergio
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Estadual de Campinas
Guarapuava
Brasil
Departamento de Energia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
UNICAMP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2162
Resumo: Apart from simple problems of heat conduction in which the temperature depends only on the time or just on a position coordinate, the others lead to partial differential equations, which have solutions in terms of series obtained from various methods such as separation variables, superposition, the Green's function, the technique of integral transform, the Laplace transform and Duhamel's theorem. These solutions depend on eigenvalues, which are obtained from the roots of transcendental equations that in most cases cannot be expressed in closed form, but they can be obtained from tables, approximate expressions and iterative expressions. The objective of this study is to find new expressions for these roots, which are simpler or have more accuracy than the existing ones. The three transcendental equations that are considered here are the most frequently used among those that have not closed solution, and appear when the boundary conditions are convective. A new family of iterative functions is proposed, which includes several classical functions and, in particular, the entire family of Householder methods. A new method is obtained which has faster convergence to the present equations. Although the tables of roots present values with various significant digits, real problems hardly lead to a value of the independent variable that can be directly found, making it necessary to use interpolation. Then, the accuracy of the roots obtained from these tables is limited by the accuracy of the interpolation, which can be compared with the approximate expressions. Existing expressions are analyzed using the root properties. An approximate expression developed for the first root of the three equations is based on the fixed point method, another is obtained from the application of the concept of MiniMax to readjust expressions of others authors, and the last one has an algebraic form. The MiniMax concept is not obtained through any method that can be considered elementary, and two new methods are developed to apply it. Modern computer algebra systems are used to generate new approximate expressions for the first root, but it is found that they can be improved by analytical methods. Expansion in continuous fractions is adopted and the Padé approximation to obtain expressions of greater accuracy. Expressions leading to good results for the first root are generalized so that they serve for the other roots. Finally, a comparison is made considering all approximate expressions, indicating what are considered the best.
id UTFPR-12_c355eadf176e26b7df39bac64f1ae794
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/2162
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivasRaízes numéricasAutovaloresMatemáticaRoots, NumericalEigenvaluesMathematicsCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICAMatemáticaApart from simple problems of heat conduction in which the temperature depends only on the time or just on a position coordinate, the others lead to partial differential equations, which have solutions in terms of series obtained from various methods such as separation variables, superposition, the Green's function, the technique of integral transform, the Laplace transform and Duhamel's theorem. These solutions depend on eigenvalues, which are obtained from the roots of transcendental equations that in most cases cannot be expressed in closed form, but they can be obtained from tables, approximate expressions and iterative expressions. The objective of this study is to find new expressions for these roots, which are simpler or have more accuracy than the existing ones. The three transcendental equations that are considered here are the most frequently used among those that have not closed solution, and appear when the boundary conditions are convective. A new family of iterative functions is proposed, which includes several classical functions and, in particular, the entire family of Householder methods. A new method is obtained which has faster convergence to the present equations. Although the tables of roots present values with various significant digits, real problems hardly lead to a value of the independent variable that can be directly found, making it necessary to use interpolation. Then, the accuracy of the roots obtained from these tables is limited by the accuracy of the interpolation, which can be compared with the approximate expressions. Existing expressions are analyzed using the root properties. An approximate expression developed for the first root of the three equations is based on the fixed point method, another is obtained from the application of the concept of MiniMax to readjust expressions of others authors, and the last one has an algebraic form. The MiniMax concept is not obtained through any method that can be considered elementary, and two new methods are developed to apply it. Modern computer algebra systems are used to generate new approximate expressions for the first root, but it is found that they can be improved by analytical methods. Expansion in continuous fractions is adopted and the Padé approximation to obtain expressions of greater accuracy. Expressions leading to good results for the first root are generalized so that they serve for the other roots. Finally, a comparison is made considering all approximate expressions, indicating what are considered the best.Excluídos problemas simples de condução de calor nos quais a temperatura depende apenas do tempo ou apenas de uma coordenada de posição, os demais levam a equações diferenciais parciais, as quais tem soluções em termos de séries obtidas de vários métodos como a separação de variáveis, a superposição, a função de Green, a técnica da transformada integral, a transformada de Laplace e o teorema de Duhamel. Estas soluções dependem de autovalores que são obtidos das raízes de equações transcendentais que na maioria dos casos não podem ser expressas em forma fechada, mas podem ser obtidas de tabelas, expressões aproximadas, e expressões iterativas. O objetivo desse estudo é encontrar novas expressões para estas raízes, que sejam mais simples ou que tenham mais exatidão do que as já existentes. As três equações transcendentais que são consideradas aqui são as mais frequentemente utilizadas entre as que não tem solução fechada, e surgem quando as condições de contorno são convectivas. Uma nova família de funções iterativas é obtida, a qual inclui várias funções clássicas e, em particular, toda a família de métodos de Householder. Um novo método obtido é o que tem convergência mais rápida para as presentes equações. Apesar das tabelas de raízes apresentarem valores com vários dígitos significativos, problemas reais dificilmente levam a um valor da variável independente que pode ser diretamente encontrado, tornando-se necessário o uso de interpolação. Então, a exatidão de raízes obtidas por estas tabelas é limitada pela exatidão da interpolação, a qual pode ser comparada com a das expressões aproximadas. As expressões existentes são analisadas utilizando propriedades das raízes. Uma expressão aproximada desenvolvida para a primeira raiz das três equações é baseada no método do ponto fixo, outra é obtida da aplicação do conceito de MiniMax para se reajustar expressões de outros autores, e uma final tem forma algébrica. O conceito de MiniMax não é obtido através de algum método que possa ser considerado elementar, e dois novos métodos são desenvolvidos para aplicá-lo. Modernos sistemas algébricos computacionais são utilizados para gerar novas expressões aproximadas para a primeira raiz, mas encontrou-se que elas podem ser melhoradas através de métodos analíticos. Expansão em frações contínuas e novamente a aproximação de Padé são utilizadas para se obter expressões de grande exatidão. Expressões que levam a bons resultados para a primeira raiz são generalizadas para que elas sirvam para as demais raízes. Finalmente, uma comparação é feita considerando todas expressões aproximadas, indicando quais são consideradas as melhores.Universidade Estadual de CampinasGuarapuavaBrasilDepartamento de EnergiaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNICAMPMilanez, Luiz Fernandohttp://lattes.cnpq.br/6836144033010861Milanez, Luiz FernandoAltemani, Carlos Alberto CarrascoWolf, William RobertoMoreira, Jose Roberto SimoesDalmas, Sergio2017-06-27T15:16:09Z2017-06-27T15:16:09Z2015-08-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfDALMAS, Sergio. Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas. 2015. 149 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, 2015.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2162porhttp://repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/265778info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2017-06-27T15:16:24Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/2162Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2017-06-27T15:16:24Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
title Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
spellingShingle Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
Dalmas, Sergio
Raízes numéricas
Autovalores
Matemática
Roots, Numerical
Eigenvalues
Mathematics
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA
Matemática
title_short Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
title_full Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
title_fullStr Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
title_full_unstemmed Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
title_sort Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas
author Dalmas, Sergio
author_facet Dalmas, Sergio
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Milanez, Luiz Fernando
http://lattes.cnpq.br/6836144033010861
Milanez, Luiz Fernando
Altemani, Carlos Alberto Carrasco
Wolf, William Roberto
Moreira, Jose Roberto Simoes
dc.contributor.author.fl_str_mv Dalmas, Sergio
dc.subject.por.fl_str_mv Raízes numéricas
Autovalores
Matemática
Roots, Numerical
Eigenvalues
Mathematics
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA
Matemática
topic Raízes numéricas
Autovalores
Matemática
Roots, Numerical
Eigenvalues
Mathematics
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA
Matemática
description Apart from simple problems of heat conduction in which the temperature depends only on the time or just on a position coordinate, the others lead to partial differential equations, which have solutions in terms of series obtained from various methods such as separation variables, superposition, the Green's function, the technique of integral transform, the Laplace transform and Duhamel's theorem. These solutions depend on eigenvalues, which are obtained from the roots of transcendental equations that in most cases cannot be expressed in closed form, but they can be obtained from tables, approximate expressions and iterative expressions. The objective of this study is to find new expressions for these roots, which are simpler or have more accuracy than the existing ones. The three transcendental equations that are considered here are the most frequently used among those that have not closed solution, and appear when the boundary conditions are convective. A new family of iterative functions is proposed, which includes several classical functions and, in particular, the entire family of Householder methods. A new method is obtained which has faster convergence to the present equations. Although the tables of roots present values with various significant digits, real problems hardly lead to a value of the independent variable that can be directly found, making it necessary to use interpolation. Then, the accuracy of the roots obtained from these tables is limited by the accuracy of the interpolation, which can be compared with the approximate expressions. Existing expressions are analyzed using the root properties. An approximate expression developed for the first root of the three equations is based on the fixed point method, another is obtained from the application of the concept of MiniMax to readjust expressions of others authors, and the last one has an algebraic form. The MiniMax concept is not obtained through any method that can be considered elementary, and two new methods are developed to apply it. Modern computer algebra systems are used to generate new approximate expressions for the first root, but it is found that they can be improved by analytical methods. Expansion in continuous fractions is adopted and the Padé approximation to obtain expressions of greater accuracy. Expressions leading to good results for the first root are generalized so that they serve for the other roots. Finally, a comparison is made considering all approximate expressions, indicating what are considered the best.
publishDate 2015
dc.date.none.fl_str_mv 2015-08-25
2017-06-27T15:16:09Z
2017-06-27T15:16:09Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv DALMAS, Sergio. Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas. 2015. 149 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, 2015.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2162
identifier_str_mv DALMAS, Sergio. Obtenção de autovalores de soluções em série de problemas de condução de calor com condições de contorno convectivas. 2015. 149 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, 2015.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2162
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.none.fl_str_mv http://repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/265778
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Estadual de Campinas
Guarapuava
Brasil
Departamento de Energia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
UNICAMP
publisher.none.fl_str_mv Universidade Estadual de Campinas
Guarapuava
Brasil
Departamento de Energia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
UNICAMP
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
instname_str Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron_str UTFPR
institution UTFPR
reponame_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
collection Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
repository.mail.fl_str_mv riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br
_version_ 1850498328147525632