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International Journal of Basic & Applied Sciences IJBAS-IJENS Vol: 12 No: 01

6

HOMOTOPY PERTURBATION SUMUDU TRANSFORM METHOD FOR ONE AND TWO DIMENSIONAL HOMOGENEOUS HEAT EQUATIONS

Hasan BULUT, H Mehmet BASKONUS and Seyma TULUCE

Department of Mathematics, University of Firat, 23119, Elazig-TURKEY

hbulut@firat.edu.tr , hmbaskonus@gmail.com , seymatuluce@gmail.com

Abstract

In this paper, we studied to obtain solutions of one-two dimensional homogeneous heat equations by homotopy perturbation sumudu transform method (HPSTM). We drew graphics of these equations by means of programming language Mathematica.

Keywords: Sumudu Transform Method, Homotopy Perturbation Sumudu Transform Method,

One-Two Dimensional Homogeneous Heat Equation.

1. Introduction

Sumudu Transform Method (STM) was first proposed by G. K. Watugala who was succesfully applied to various linear differential equations [1-3]. F. M. Belgacem and A. A. Karaballi introduced the fundamental properties of STM [4,5]. STM which are introduced in this paper is little known and not widely used in the literature [6-14].

Homotopy Perturbation Method (HPM) was first proposed by J.H.He [16-22]. HPM was shown that it accurately obtained solutions of homogeneous and nonhomogeneous problems [23, 24].

In this paper, we used HPSTM including STM and HPM in order to find solution of one-two dimensional homogeneous heat equations [15].

2.Analysis of the Methods

2.1Fundamental of the HPM

To illustrate the basic ideas of this method, we consider the following equation;

A(u) f (r ) = 0,

r Ω,

(1)

with boundary condition

 

 

 

u

r Γ,

(2)

B u,

= 0,

 

n

 

 

where A is a general differential operator, B a boundary operator,

f (r ) a known analytical

function and Γ is the boundary of the domain Ω .

 

120201-7474 IJBAS-IJENS © February 2012 IJENS

I J E N S

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7

A can be divided into two parts which are L and N ,

where L is linear and N is nonlinear.

Eq.(1) can be rewritten as following;

 

 

 

 

 

L (u ) + N (u ) f (r ) = 0 , r Ω,

 

(3)

Homotopy perturbation structure is shown as following;

 

H (v, p ) = (1- p ) L (v)

- L (u

0

) + p A(v) - f

(r ) = 0,

(4)

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

v(r, p): Ω × [0,1] .

 

 

 

(5)

In Eq. (4), p [0,1] is an embedding parameter and u0

is the first approximation that satisfies

the boundary condition. We can assume that the solution of Eq.(4) can be written as a power series in p , as following:

v = v

+ pv + p2v

2

+ p3v + ××× ,

(6)

0

1

3

 

and the best approximation for solution is

 

u = lim v = v0 + v1 + v2 + v3 +L.

(7)

p→1

 

 

 

The convergence of series Eq.(7) has been proved by J.H. He in his paper [16]. This technique can have full advantage of the traditional perturbation techniques. Convergence rate of the series

Eq.(7) depends on the non-linear operator

A(v) . The following opinions are suggested by J.H.He

[16] .

 

(1) The second derivative of N (v)

with respect to v must be small because the parameter

may be relatively large, i.e., p → 1.

 

(2) The norm of L−1 (∂N / ∂v) must be smaller than one so that the series converges.

 

2.2 Fundamental of the HPSTM

 

To illustrate the basic ideas of this method, we consider a general linear form of partial

 

differantial equations;

 

 

 

 

u ( x,t )

= Φ ( x,t )

2u ( x,t )

 

(8)

 

 

x2

 

t

 

with subject to initial condition

 

F ( x, 0) = f ( x ),

 

 

(9)

where f (r) is a known analytical function. The sumudu transform of Eq.(8),

 

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I J E N S

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8

 

d 2 F ( x, u )

 

1

F ( x, u ) +

 

 

 

1

f ( x, 0) = 0.

 

 

 

 

 

 

uΦ

( x, u )

uΦ

( x, u )

 

 

 

 

dx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

According to HPM, we construct a homotopy in the form as following;

 

 

d 2 F

d 2 f ( x, 0)

d 2 F ( x, u )

 

 

F ( x, u )

 

f ( x, 0)

 

 

(1− p)

 

 

 

 

 

 

+ p

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

= 0

 

2

dx

2

 

dx

2

 

 

 

uΦ ( x, u )

uΦ ( x, u )

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u ( x, 0) = u0 ( x, 0) = f ( x, 0)

 

 

 

 

.

 

 

 

is initial condition of Eq.(8). Therefore, the sumudu transform of Eq.(8) is

F ( x,u ) = pn Fn ( x, u ).

n=0

We can assume that the solution of Eq.(8) can be written as a power series of p,

F ( x, u ) = pn Fn ( x, u )

n=0

= F0 ( x, u ) + pF1 ( x, u ) + p2 F2 ( x, u ) + p3 F3 ( x, u ) +L.

When the limit get for p →1, the solution obtain as following;

F = lim (F + pF + p2 F + p3 F +L)

0 1 2 3 p 1

= F0 + F1 + F2 + F3 +L

= Fn .

n=0

3. The Applications of HPSTM

3.1. Application to the One-Dimensional Homogeneous Heat Equation of HPSTM

The one-dimensional homogeneous heat equation is given by

ut = uxx − 3u , 0 < x < π , t > 0.

Initial condition for Eq.(15) is

u ( x, 0) = u0 ( x, 0) = sin ( x) .

We construct a sumudu transform for Eq.(15) as following;

S

u

=

1

F ( x, u ) f ( x, 0) and

2u ( x, t )

=

d 2 F ( x, u )

t

 

x2

dx2

 

 

u

 

 

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(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

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9

 

1

(F ( x, u ) f ( x, 0)) = F " − 3F

F " − 3 +

1

F +

1

sin ( x) = 0,

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

 

 

where is F"

=

d 2 F

. According to HPM, we construct a homotopy for Eq.(17);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"

"

 

 

 

"

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1− p)

 

 

 

 

 

 

+ p F

3 +

 

F

+

 

sin ( x) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

u0

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F " u0"

+ pu0"

3 +

1

pF +

p

sin ( x) = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We suppose the solution of Eq.(18) as following;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = F0 + pF1 + p2 F2 + p3 F3 +L = pn Fn ( x, u ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F " = F0" + pF1" + p2 F2" + p3 F3" +L = pn Fn" ( x, u ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then, by substituting Eq.(19) into Eq.(18) and rearranging

according to powers of p

obtain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F " + pF

"

+ p2 F "

+ p3 F

"

u"

+ pu"

 

3 +

1

 

pF + p2 F + p3 F

 

+

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

0

0

 

 

 

 

 

0

1

 

2

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F " + pF

"

+ p2 F "

+ p3 F

"

u"

+ pu"

− 3 pF + −3 p2 F + −3 p3 F

1

pF

 

 

 

0

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

0

0

 

 

0

 

 

 

1

 

 

2

 

u

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 p3 F + 1 p sin ( x) = 0 u u

p0 : F0" u0" = 0,

p1 :F" + u"

− 3F

1

F +

1

sin ( x) = 0,

u

 

1 0

 

0

 

 

 

0

u

p2 : F " − 3F

1

F = 0,

 

 

2

1

 

u

1

 

 

 

p3 : F " − 3F

1

 

F = 0,

 

3

2

 

 

u

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

(17)

(18)

(19)

terms, we

p sin ( x) = 0

1 p2 F1 u

(20)

(21)

(22)

(23)

with solving Eq.(20-23)

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p0 : F "

u"

 

= 0

 

 

 

F

= u

0

= sin

( x ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1 : F " + u"

− 3F

1

F +

1

sin ( x) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

 

 

 

0

 

 

 

u

 

0

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

= ∫ ∫

u0" +

3F0 +

 

 

 

F0

 

 

 

 

sin ( x) dx dx

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

F1

= ∫ ∫

sin ( x) + 3sin ( x) +

 

 

 

sin ( x)

 

 

sin ( x) dx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∫ ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

4 sin ( x) dx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

= −4 sin ( x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

"

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

p

 

: F2

− 3F1

 

 

 

F1 = 0 F2 = ∫ ∫

3F1

+

 

 

 

F1

dx dx

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F2

= ∫ ∫

−12 sin ( x) +

 

 

(−4 sin ( x)) dx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

= 4

 

3 +

1

sin ( x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p3 : F "

− 3F

 

1

F = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

2

 

 

u

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F3 = ∫ ∫

3F2

+

 

 

 

F2 dx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

F3

 

= ∫ ∫

12

 

3 +

 

 

sin ( x) + 4

 

 

 

 

 

3 +

 

 

sin

( x) dx dx

 

 

 

 

u

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

= −4

 

3 +

1

2 sin ( x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M.

10

(24)

(25)

(26)

(27)

Because compounds of F4 , F5 , F6 ,L have very little value, we can not consider and then can take into consideration only F0 , F1 , F2 , F3 for solution by HPSTM. When we consider the series Eq.(19) and suppose p = 1 , we obtain sumudu transform of Eq.(15) as following;

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11

F ( x, u ) = F + pF + p2 F + p3 F +L

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

2

 

3

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

= lim

F + pF + p2 F + p3 F +L

 

 

 

 

 

 

p→1 (

0

1

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

= F0 + F1 + F2 + F3 +L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1 2

= sin ( x)

4 sin ( x) + 4

 

3 +

 

 

sin

( x) − 4

 

3

+

 

 

sin ( x) +L

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x) 1− 4 1−

3 +

1

 

+

3 +

1

 

3 +

1

 

+L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

1 3

 

 

 

 

 

1

 

= sin ( x) 1− 4

1+

 

−3 −

 

 

 

+

−3 −

 

 

+

−3 −

 

 

+L

, I1

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

1+ 3 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1444444442444444443

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x) 1−

 

4u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 4u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x)

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ 4u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore we obtain sumudu transform of Eq.(15) as following;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( x, u )

= sin ( x)

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 4u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

When we take inverse sumudu transform of Eq.(29) by using inverse transform table in solution of Eq.(15) by HPSTM as following;

=

 

u

 

1+ 4u

(28)

(29)

[4], we get

u ( x, t ) = sin ( x) e−4t .

 

 

 

 

 

(30)

 

 

0.12

 

 

 

 

 

 

 

 

0.10

 

 

 

 

 

 

 

 

0.08

 

 

 

 

 

 

 

 

0.06

 

 

 

 

 

 

 

 

0.04

 

 

 

 

 

 

 

 

0.02

 

 

 

 

 

 

 

 

0.00

 

 

 

 

 

 

 

 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

 

 

Exact Sol .

 

 

 

 

 

Figure 1. The 2D and 3D graphics for

F3

of the analytic solution u( x, t)

when t = 0.5 with initial

condition of Eq.(15) by means of HPSTM

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12

3.2. Application to the Two-Dimensional Homogeneous Heat Equation of HPSTM

The two-dimensional homogeneous heat equation is given by

 

 

ut

 

= uxx + uyy ,

0 < x, y < π , t > 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(31)

Initial condition for Eq.(31) is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u ( x, y, 0) = u0 ( x, y, 0) = sin ( x) sin ( y).

 

 

 

 

 

 

(32)

We construct a sumudu transform for Eq.(31) as following;

 

 

 

 

S u =

 

1

F

( x, y, u ) f ( x, y, 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 (F ( x, y, u ) f ( x, y, 0)) = F " + F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

" + F 1

F + 1 sin ( x)sin ( y ) = 0

 

 

1 F 1 sin ( x)sin ( y ) = F

" + F F

(33)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where are F " =

d F ( x, y,u )

 

 

 

 

 

 

 

 

d F ( x, y, u )

 

 

 

 

 

 

 

and F =

. According to HPM, we construct a

 

 

 

 

dx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy2

 

 

 

 

homotopy for Eq. (33);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"

 

"

 

"

..

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(1− p) F

 

u0

+ p F

 

+ F

 

 

F +

 

sin ( x )sin ( y ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

u

 

 

 

 

 

 

F

" u0"

+ pu0"

+ p F 1

pF + 1 p sin ( x)sin ( y ) = 0.

(34)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We suppose the solution of Eq.(34) as following;

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

..

 

 

 

 

..

 

..

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

F

= F 0

+ p F1

+ p2 F 2 + p3 F 3

+L

= pn F n ( x, y, u ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F " = F0" + pF1" + p2 F2" + p3 F3" +L = pn Fn" ( x, y, u ),

(35)

n=0

F = F0 + pF1 + p2 F2 + p3 F3 +L = pn Fn ( x, y, u ).

n=0

Then, by substituting Eq.(35) into Eq.(34) and rearranging according to powers of p terms, we obtain

F " + pF " + p2 F " + p3 F "

u"

+ pu"

+ p

..

..

+ p2

..

..

 

F 0

+ p F 1

F 2

+ p3 F 3

 

0

1

 

2

 

3

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ pF1

 

 

 

 

+ p sin ( x)sin ( y ) = 0,

 

 

 

u

p F0

+ p F2 + p F3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

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13

 

 

 

 

 

 

..

 

..

 

..

 

1

 

 

1

 

 

 

F " + pF " + p2 F " + p3 F " u"

+ pu"

+ pF

 

+ p2 F

 

+ p3 F 2

pF

p2 F

 

0

1

 

 

 

0

1

2

3

0

0

 

 

 

 

u

0

 

u

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

p3 F +

1

p sin ( x)sin ( y ) = 0.

 

 

 

u

 

2

 

u

 

 

 

 

 

 

p0 : F " u"

= 0 ,

 

 

0

 

0

 

p1 : F" +u" + F0 1 F + 1 sin(x)sin( y) = 0,

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

0

u

 

p2 : F

" + F 1

 

F = 0 ,

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

p3 : F

" + F

2 1 F = 0 ,

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

with solving Eq.(36-39)

p0 : F

" u"

 

= 0

F = u

0

= sin ( x )sin ( y ),

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p1 : F " + u"

+ F 0 1 F + 1 sin ( x )sin ( y ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

"

 

..

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ ∫ u0

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ( x )sin ( y ) dx dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

F 0

+

 

 

F0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F1

= −2 sin ( x )sin ( y ),

 

 

 

2

"

..

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

..

 

1

 

 

 

 

 

 

 

p : F2

+ F1

 

 

F1 = 0 F2 = ∫∫ F1

+

 

F1

dx dx

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

F2 = 2 1+ 1 sin ( x)sin ( y ),

u

3 "

..

1

 

 

x x

 

..

 

 

1

 

 

 

 

= ∫ ∫

 

 

 

p : F3

+ F 2

 

F2

= 0 F3

F 2

+

 

F2

dx dx

 

 

 

 

 

u

 

0 0

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

F

= −2

1+

1

2 sin ( x)sin ( y ),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

M.

When we consider Eq.(35) and suppose as following;

p = 1 , we obtain sumudu transform of Eq.(31) for Eq.(40-43)

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14

F ( x, y,u) = F + pF + p2 F + p3F +L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

F + pF + p2 F + p3F +L

 

 

 

 

 

 

 

 

p→1 (

0

1

2

3

)

 

 

 

 

 

 

 

 

= F0 + F1 + F2 + F3 +L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1 2

= sin ( x)sin ( y)

2sin ( x)sin ( y) + 2

1

+

 

sin ( x)sin ( y) − 2

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

u

Therefore, we obtain sumudu transform of Eq.(31) as following;

(44)

sin ( x)sin ( y) +L.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( x, y, u ) = sin ( x)sin ( y ) 1− 2 + 2 1+

1

 

 

 

− 2 1+

1

 

+L

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x )sin ( y ) 1− 2 + 2

1+

 

 

1 +

−1−

+

−1 −

 

 

+L

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1444442444443

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = 1+

 

−1−

1

+

 

−1−

1

2 +L =

 

1

 

 

 

 

 

=

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1+ 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

u

 

 

1

+1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x)sin ( y ) 1− 2 + 2

1+

 

1

u

 

= sin ( x)sin ( y )

−1+ 2

 

1+ u

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u 1

+ 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

1+ 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= sin ( x)sin ( y ) −1

+

 

 

 

 

 

 

= sin ( x)sin ( y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( x, y, u ) = sin ( x)sin ( y )

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

(45)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2u

 

 

 

 

 

 

 

When we take inverse sumudu transform of Eq.(45) by using inverse transform table in [4], we get solution of Eq.(31) by HPSTM as following;

u ( x, y, t ) = sin ( x)sin ( y )e−2t .

 

 

 

 

(46)

 

0.15

 

 

 

 

 

 

 

0.10

 

 

 

 

 

 

 

0.05

 

 

 

 

 

 

 

0.00

 

 

 

 

 

 

 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

 

Exact Sol .

 

 

 

 

 

Figure 2. The 2D and 3D graphics for F3

of the analytic solution u( x, y, t)

when

y = t = 0.5 with initial

condition of Eq.(31) by means of HPSTM

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International Journal of Basic & Applied Sciences IJBAS-IJENS Vol: 12 No: 01

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4. Conclusion

In this paper, we showed that the analytical solutions of one-two dimensional homogeneous heat equations were obtained by HPSTM. Then, we drew graphics for the these equations. STM was effectively used to solve one-two dimensional homogeneous heat equation, morever, it can be applied to partial differential equations in engineering and applied sciences.

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