Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

Formulação Variacional

LNCC - Laboratório Nacional de Computação Científica

Problema de Poisson

Considere o problema de Poisson em um domínio ΩRd\Omega \subset \mathbb{R}^d, d=1,2d = 1, 2:

{2u=fem Ω,u=gem Ω,\begin{cases} -\nabla^2 u = f & \text{em } \Omega, \\ u = g & \text{em } \partial\Omega, \end{cases}

onde:

Formulação Fraca

Multiplicando a equação diferencial por uma função teste vH01(Ω)v \in H^1_0(\Omega) e integrando por partes:

Ωuvdx=Ωfvdx\int_\Omega \nabla u \cdot \nabla v \, dx = \int_\Omega f v \, dx

O espaço de funções é:

V={vH1(Ω):v=0 em Ω}V = \{ v \in H^1(\Omega) : v = 0 \text{ em } \partial\Omega \}

Para condições de contorno não-homogêneas, buscamos uH1(Ω)u \in H^1(\Omega) tal que u=gu = g em Ω\partial\Omega e:

a(u,v)=L(v),vVa(u, v) = L(v), \quad \forall v \in V

onde:

a(u,v)=Ωuvdx,L(v)=Ωfvdxa(u, v) = \int_\Omega \nabla u \cdot \nabla v \, dx, \quad L(v) = \int_\Omega f v \, dx

Discretização por Elementos Finitos

Substituindo VV por um espaço de dimensão finita VhVV_h \subset V:

Vh=span{φ1,,φN}V_h = \text{span}\{\varphi_1, \ldots, \varphi_N\}

A solução aproximada é:

uh=j=1Nujφju_h = \sum_{j=1}^N u_j \varphi_j

Testando com as funções de base φi\varphi_i:

j=1Na(φj,φi)uj=L(φi),i=1,,N\sum_{j=1}^N a(\varphi_j, \varphi_i) u_j = L(\varphi_i), \quad i = 1, \ldots, N

Isso resulta no sistema linear:

Au=b\mathbf{A} \mathbf{u} = \mathbf{b}

onde:

Aij=a(φj,φi)=ΩφjφidxA_{ij} = a(\varphi_j, \varphi_i) = \int_\Omega \nabla \varphi_j \cdot \nabla \varphi_i \, dx
bi=L(φi)=Ωfφidxb_i = L(\varphi_i) = \int_\Omega f \varphi_i \, dx