Egzamin z Równań Różniczkowych, 27 VI 2011

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Rozwiązać równanie: xy0 = y y = Cx

Rozwiązanie:

d y

d y

d x

x

= y = ⇒

=

rozdzielamy zmienne

d x

y

x

ln |y| = ln |x| + C

całkujemy

y = Cx

2. Rozwiązać równanie: y00 − 4 y = 0

y = C 1 e 2 x + C 2 e− 2 x Rozwiązanie:

r 2 − 4 = 0 = ⇒ r 2 = 4 = ⇒ r = ± 2

równaniec harakterystyczne

y = C 1 e 2 x + C 2 e− 2 x

∞

n!

3. Zbadać zbieżność szeregu X

rozbieżny

2 n

n=1

Rozwiązanie:

a

( n+1)!

n+1

2 n( n + 1)!

n + 1

lim

= lim 2 n+1 = lim

= lim

= ∞ > 1

n→∞

a

n→∞

n!

n→∞

n→∞

n

2 n+1 n!

2

2 n

Z kryterium d‘Alamberta wynika, że szereg jest rozbieżny.

4. Rozwinąć w szereg Maclaurina f ( x) = e−x i obliczyć f (100)(0) .

1

Rozwiązanie:

( −x)2

( −x)3

( −x)4

x 2

x 3

x 4

f ( x) = 1 + ( −x) +

+

+

+ · · · = 1 − x +

−

+

+ . . .

2!

3!

4!

2!

3!

4!

, x ∈ ( −∞, inf ty)

1

a 100 =

= ⇒ f (100)(0) = a 100 · 100! = 1

100!

−

→

5. Wyznaczyć wektor styczny do krzywej r ( t) = [ e 2 t , et , 4 t] , dla t = 0

[2 , 1 , 4]

Rozwiązanie:

˙

−

→

r ( t) = [2 e 2 t , et , 4]

˙

−

→

r (0) = [2 , 1 , 4]

1

2 x + y

2. Rozwiązać równanie: y0 =

x

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe.

y

y0 −

= 2

x

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: y

y0 −

= 0

x

Rozdzielamy zmienne:

d y

1

=

d x

y

x

Z

d y

Z

1

=

d x

y

x

ln |y| = ln |x| + C

y = Cx

Rozwiązujemy równanie niejednorodne:

y

y0 −

= 2

x

y = C( x) x

uzmienniamy stałą

Wtedy:

y0 = C0x + C

C0x + Cx − Cx = 2

wstawiamy do równania

C0x = 2

2

C0 = x

Z

2

C =

d x = 2 ln |x| + D

x

Stąd:

y = (2 ln |x| + D) x = 2 x ln |x| + Dx Odpowiedź:

y = 2 x ln |x| + Dx 2

3. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego : y00 + y0 = 2 x + 1 , y(0) = 5 , y0(0) = − 3

Rozwiązanie:

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: y00 + y0 = 0

r 2 + r = 0

równanie charakterystyczne

r( r + 1) = 0

r 1 = 0 , r 2 = − 1

y = C 1 + C 2 e−x rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y00 + y0 = 2 x + 1

Ponieważ r = 0 jest pierwiastkiem jednokrotnym wielomianu charakterystycznego, więc rozwiązanie szczególne przewidujemy w postaci: ys = ( Ax + B) x = Ax 2 + Bx y0 = 2 Ax + B

s

y00 = 2 A

s

Wstawiamy do równania:

A + 2 Ax + B = 2 x + 1

(

(

2 A = 2

A = 1

= ⇒

2 A + B = 1

B = − 1

ys = x 2 − x

y = C 1 + C 2 e−x + x 2 − x rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego y(0) = C 1 + C 2

y0 = −C 2 e−x + 2 x − 1

y0(0) = −C 2 − 1

Rozwiązujemy układ równań:

(

C 1 + C 2 = 5

= ⇒ C

−C

2 = 2 = ⇒ C 1 = 3

2 − 1 = − 3

Odpowiedź:

y = 3 + 2 e−x + x 2 − x 3

4. Znaleźć funkcje x( t) i y( t) będące rozwiązaniem układu równań: (

˙ x = y + 1

˙

y = −x + 2 t

Rozwiązanie:

y = ˙ x − 1

z pierwszego równania

˙

y = ¨

x

różniczkujemy

¨

x = −x + 2 t

podstawiamy do drugiego równania

¨

x + x = 2 t

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

¨

x + x = 0

r 2 + 1 = 0

równanie charakterystyczne

r 2 = − 1

r 1 = i , r 2 = −i

x = C 1 cos t + C 2 sin t rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego:

¨

x + x = 2 t

Ponieważ r = 0 nie jest pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego, więc rozwią-

zanie szczególne przewidujemy w postaci: xs = At + B

˙ xs = A

¨

xs = 0

Wstawiamy do równania:

At + B = 2 t

(

A = 2

B = 0

xs = 2 t

x = C 1 cos t + C 2 sin t + 2 t

˙ x = −C 1 sin t + C 2 cos t + 2

y = −C 1 sin t + C 2 cos t + 1

Odpowiedź:

(

x = C 1 cos t + C 2 sin t + 2 t y = −C 1 sin t + C 2 cos t + 1

4

x

5. Rozwinąć w szereg Maclaurina funkcję f ( x) =

. Wyznaczyć zakres zbieżności

1 − 2 x

szeregu.

Rozwiązanie:

x

1

= x

= x(1 + (2 x) + (2 x)2 + (2 x)3 + (2 x)4 + · · · =

1 − 2 x

1 − (2 x)

x + 2 x 2 + 22 x 3 + 23 x 4 + . . .

Przedział zbieżności tego szeregu: 2 x ∈ ( − 1 , 1) = ⇒ x ∈ ( − 1 , 1 ) 2

2

Skorzystaliśmy z rozwinięcia w szereg funkcji: 1

= 1 + x + x 2 + x 3 x 4 + . . . , x ∈ ( − 1 , 1) 1 − x

5

6. Wyznaczyć szereg trygonometryczny Fouriera funkcji:



0 dla −π < x < − 1





f ( x) =

2 dla

− 1 < x < 1





0 dla

1 < x < π

Rozwiązanie:

Funkcja f ( x) jest parzysta, więc bn = 0 dla n = 1 , 2 , 3 . . .

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

1

1 Z

2 Z

2 Z

4 sin nx 1

an =

f ( x) cos nx d x =

f ( x) cos nx d x =

2 cos nx d x =

=

π

π

π

π

n

0

−π

0

0

4 sin n

nπ

Korzystamy z parzystości funkcji podcałkowej: f ( x) cos nx .

π

π

1

1 Z

2 Z

2 Z

4

4

a 0 =

f ( x) d x =

f ( x) d x =

2 d x =

[ x]1 =

π

π

π

π

0

π

−π

0

0

Szereg Fouriera f ( x) jest więc następujący: a

∞

2

∞ 4 sin n

S

0

( x) =

+ X a

X

n cos nx =

+

cos nx

2

π

nπ

n=1

n=1

6