Sturm-Liouville Applications             

 

 

Example:  Find the eigenvalues and eigenfunctions for the following problem:

 

                     y’’  +  λ y  =  0        here  p(x) = 1, q(x) = 0, and r(x) = 1

 

                     hy(0)  -  y ’(0)   =  0   ,   h  >  0       and       y(L)   =   0

 

Note:  Since both  p(x) and r(x) > 0 there are no negative eigenvalues.   So the only

Possible eigenvalues are  λ  =  0     and  λ  >  0 .  The table below contains these two

cases.  

 

 

Case 1:     λ  =  0      y(x)  =  Ax  +  B ,                  y ’  =  A   

 

              hy(0)  -  y ’(0)   =  0  =  hB  -  A  =  0   ,   A  =  hB

 

               y(L) =  0  =  AL  +  B  =  hB  +  B =  0   =  (h + 1)B  =  0

 

              Since   h  >  0,   B  =  0   and  A  =  hB  =  0

 

     So there are no eigenvalues nor eigenfunctions for  λ  =  0   .

 

 

Case  2:    λ  >  0  ,         λ  =  α2         y’’  +   α2 y  =  0

 

      y  =  A cos αx  +  B sin αx         and         y’  = ˗ sin αx  +  cos αx

 

                              hy(0)  ˗   y’(0)   =  0   =  hA ˗ ,      B  =  hA

 

    So   y  =  A cos αx  +  (hA/α) sin αx   =  A [cos αx  +  (h/α)sin αx]    ---------  (1)

 

   and    y(L)  =  0  =  A [cos αL  +  (h/α)sin αL]  for a nontrivial solution  A ≠  0

 

                                Let   βn  =  αnL   so     αn  =   βn/L     ---------------------------  (2)

 

  So                         cos βn  +  (hL/ βn)sin βn]  =  0

 

                                        tan βn  =  ˗ βn /hL    (transcendental equation for roots)

 

where the eigenvalues are      λn  =  αn2   =   (βn/L)2

 

and from (1) with (2) the eigenfunctions are   yn(x)  = βn cos βnx/L  + hLsin βnx/L

 

where    βn    is the nth positive root of     tan  x  =  ˗ x/hL   (hint:  use a plot)

 

 

 

 

 




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