Egzamin z Równań Różniczkowych, 28 VI 2012 godz. 9.00

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Dla jakiej wartości parametru p ∈ R funkcje: y = sin 3 x oraz y = cos 3 x są p = 9

rozwiązaniami szczególnymi równania:

y00 + py = 0

Rozwiązanie:

r 1 = 3 i , r 2 = − 3 i pierwiastki wielomianu charakterystycznego ( r − 3 i)( r + 3 i) = r 2 + 9

wielomian charakterystyczny

y00 + 9 y = 0

2. Wyznaczyć równanie różniczkowe rodziny krzywych y 2 = 2 Cx + C 2

y 2 = 2 yy0x + ( yy0)2

Rozwiązanie:

2 yy0 = 2 C

różniczkujemy równanie

C = yy0

y 2 = 2 yy0x + ( yy0)2

eliminujemy stałą

∞

3. Obliczyć sumę szeregu X( − 1) nxn dla x = 1

2

2

3

n=0

Rozwiązanie:

∞

1

2

X ( − 1) nxn =

=

1 + x

3

n=0

Korzystamy ze wzoru na sumę szeregu geometrycznego dla ilorazu q = −x 1

4. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego y =

(

ln |x 2 − 1 | + 1

( x 2 − 1) y0 + 2 xy 2 = 0

y(0) = 1

Rozwiązanie:

d y

d y

− 2 x

( x 2 − 1)

= − 2 xy 2 = ⇒

=

d x

rozdzielamy zmienne

d x

y

x 2 − 1

1

1

−

= − ln |x 2 − 1 | + C = ⇒ y =

całkujemy

y

ln |x 2 − 1 | − C

1

1 =

= ⇒ C = − 1

podstawiamy warunek początkowy

−C

1

5. Jaką wartość w punkcie x = 1 ma suma szeregu Fouriera funkcji: (

2

x dla x ∈ [ −π, − 1] ∪ [1 , π]

f ( x) =

0 dla x ∈ ( − 1 , 1) Rozwiązanie:

f (1 −) + f (1+)

0 + 1

1

S(1) =

=

=

2

2

2

1

2. Rozwiązać równanie:

xy

√

y0 +

= x y

1 − x 2

Rozwiązanie:

Jest to równanie Bernoulliego. Jednym z rozwiązań jest y = 0. Dzielimy obie strony

√

przez

y: √

y0

x y

√ +

= x

y

1 − x 2

Podstawiamy:

√

y0

z( x) =

y , wtedy z0 = √

2 y

xz

xz

x

2 z0 +

= x = ⇒ z0 +

=

wstawiamy do równania

1 − x 2

2(1 − x 2)

2

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: xz

z0 +

= 0

2(1 − x 2)

Rozdzielamy zmienne:

d z

x

Z

d z

Z

x

=

d x = ⇒

=

d x

z

2( x 2 − 1)

z

2( x 2 − 1)

Zastosowaliśmy podstawienie: {t = x 2 − 1 ; d t = 2 x d x}

1

ln |z| =

ln |x 2 − 1 | + C

4

√

z = C 4 x 2 − 1

Rozwiązujemy równanie liniowe niejednorodne: xz

x

z0 +

=

2(1 − x 2)

2

√

z = C( x) 4 x 2 − 1

uzmienniamy stałą

Wtedy:

√

2 x

z0 = C0 4 x 2 − 1 + C √

3

4 4 x 2 − 1

√

x

x

x

C0 4 x 2 − 1 + C √

− C √

=

wstawiamy do równania

3

3

2 4 x 2 − 1

2 4 x 2 − 1

2

x √

C0 =

4 x 2 − 1

2

Z

x √

Z

1 √

1

4 5

C =

4 x 2 − 1 d x = {t = x 2 − 1 , d t = 2 x d x} =

4 t d t =

·

t 4 + D =

2

4

4

5

1 √

4

5

x 2 − 1 + D

5

Stąd:

√

√

1

5

z =

4 x 2 − 1 + D 4 x 2 − 1

5

Odpowiedź:

√

1

5

2 √

y =

4 x 2 − 1 + D

x 2 − 1 oraz y = 0

5

2

3. W jakim punkcie krzywizna krzywej K : y 2 = 2 x − 1 osiąga wartość największą. Wyznaczyć równanie okręgu ściśle stycznego.

|¨

x ˙

y − ¨

y ˙ x|

Wskazówka: Krzywizna krzywej płaskiej jest równa: κ = √ ˙ x 2 + ˙ y 23

Rozwiązanie:

t 2 + 1

Parametryzujemy krzywą: y = t , x =

, t ∈ ( −∞ , ∞)

2

Wtedy:

˙ x = t

,

¨

x = 1

˙

y = 1

,

¨

y = 0

| 1 − 0 |

1

κ = √

= √

3

3

t 2 + 1

t 2 + 1

Krzywizna jest największa dla t = 0 . Wtedy κ = 1. Promień okręgu ściśle stycznego: 1

R =

= 1

κ

Dla t = 0 mamy: x = 1 , y = 0 . Punkt P ( 1 , 0) jest wierzchołkiem paraboli. Wektor 2

2

−

→

normalny do paraboli w wierzchołku: n = [1 , 0]. Wektor ten jest skierowany do środka okręgu ściśle stycznego.

Stąd:

−→

−

→

n

P O =

· R = [1 , 0]

|−

→

n |

Środke okręgu ściśle stycznego: P ( 3 , 0).

2

( x − 3 )2 + y 2 = 1

równanie okręgu ściśle stycznego

2

Odpowiedź:

Krzywizna jest największa w punkcie P ( 1 , 0).

2

Równanie okręgu ściśle stycznego: ( x − 3 )2 + y 2 = 1

2

3

4. Wykorzystując rozwinięcie funkcji podcałkowej w szereg Maclaurina wyrazić całkę 2

Z

ex 2 d x

0

za pomocą szeregu liczbowego. Obliczyć przybliżoną wartość całki wykorzystując trzy początkowe wyrazy tego szeregu.

Rozwiązanie:

Korzystamy z rozwinięcia funkcji ex:

∞ ( x 2) n

∞ x 2 n

ex 2 = X

= X

, x ∈ ( −∞ , ∞)

n!

n!

n=0

n=0

Całkujemy szereg potęgowy:

2

2 ∞

∞

2

Z

Z

x 2 n

Z

x 2 n

ex 2 d x =

X

d x = X

d x

n!

n!

0

0

n=0

n=0 0

Obliczamy całki:

2

Z

x 2 n

1 x 2 n+1 2

22 n+1

d x =

=

n!

n! 2 n + 1 0

(2 n + 1) n!

0

Odpowiedź:

2

∞

Z

22 n+1

ex 2 d x = X (2 n + 1) n!

0

n=0

Przyblizona wartość całki:

2

Z

21

23

25

8

16

118

ex 2 d x ≈

+

+

= 2 +

+

=

1

3 · 1!

5 · 2!

3

5

15

0

4

5. Rozwiązać zagadnienie początkowe: y00 + 2 y0 + 5 y = 26 e 2 x y(0) = 5 , y0(0) = 1

Rozwiązanie:

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

y00 + 2 y0 + 5 y = 0

r 2 + 2 r + 5 = 0

równanie charakterystyczne

√

∆ = 4 − 20 = − 16 = ⇒

∆ = ± 4 i

− 2 + 4 i

r 1 =

= − 1 + 2 i , r 2 = − 1 − 2 i 2

y = C 1 e−x cos 2 x + C 2 e−x sin 2 x rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y00 + 2 y0 + 5 y = 26 e 2 x Ponieważ r = 2 nie jest pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego, więc rozwią-

zanie szczególne przewidujemy w postaci:

ys = Ae 2 x

y0 = 2 Ae 2 x

s

y00 = 4 Ae 2 x

s

Wstawiamy do równania:

4 Ae 2 x + 4 Ae 2 x + 5 Ae 2 x = 26 e 2 x = ⇒ 13 A = 26 = ⇒ A = 2

ys = 2 e 2 x

Rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego: y = C 1 e−x cos 2 x + C 2 e−x sin 2 x + 2 e 2 x Wstawiamy warunki początkowe:

5 = C 1 + 2 = ⇒ C 1 = 3

y0 = −C 1 e−x cos 2 x − 2 C 1 e−x sin 2 x − C 2 e−x sin 2 x + 2 C 2 e−x cos 2 x + 4 e 2 x 1 = −C 1 + 2 C 2 + 4 = ⇒ 1 = − 3 + 2 C 2 + 4 = ⇒ C 2 = 0

Odpowiedź:

y = 3 e−x cos 2 x + 2 e 2 x 5

6. Wyznaczyć przedział zbieżności szeregu

∞

3 n

X √ ( x − 1) n

n

n=1

Rozwiązanie:

Jest to szereg potęgowy.

3 n

an = √

, x 0 = 1

n

Obliczamy:

q

3

ρ = lim n |an| = lim

√

= 3

n→∞

n→∞ q n n

1

R =

promień zbiezności szeregu

3

Szereg jest zbieżny dla x ∈ ( x 0 − R , x 0 + R) = ( 2 , 4 ) . Sprawdzamy zbieżność na 3

3

końcach przedziału:

2

Dla x =

:

3

∞

3 n 2

∞

3 n

1

∞ ( − 1) n

X √ ( − 1) n = X √ ( − ) n = X √

n 3

n

3

n

n=1

n=1

n=1

1

Niech: bn = √n

1

lim bn = lim √ = 0

n→∞

n→∞

n

1

1

√

¬ √

= ⇒ bn+1 ¬ bn

n + 1

n

Z kryterium Leibniza wynika, że szereg jest zbieżny.

4

Dla x =

:

3

∞

3 n 4

∞

3 n 1

∞

1

X √ ( − 1) n = X √ ( ) n = X √

n 3

n 3

n

n=1

n=1

n=1

1

Jest to szereg harmoniczny dla α =

. Szereg ten jest rozbieżny.

2

Odpowiedź:

Przedział zbieżności: < 2 , 4 ) 3

3

6