Egzamin z Równań Różniczkowych, 17 IX 2010

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Napisać równanie różniczkowe, którego całka ogólna ma postać: y00 − 6 y0 + 9 y = 0

y = C 1 e− 3 x + C 2 xe− 3 x Rozwiązanie:

r 1 = r 2 = − 3

pierwiastki wielomianu charakterystycznego

( r − 3)2 = r 2 − 6 r + 9

wielomian charakterystyczny

y00 − 6 y0 + 9 y = 0

równanie różniczkowe

2. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego

y = e sin x

(

y0 = y cos x

y(0) = 1

Rozwiązanie:

d y = cos x d x = ⇒ ln |y| = sin x + C

rozdzielamy zmienne

y

y = Ce sin x

y(0) = 1 = ⇒ 1 = C = ⇒ C = 1

∞ 2 n + 3 n

7

3. Wyznaczyć sumę szeregu X

6 n

2

n=0

Rozwiązanie:

∞ 2 n + 3 n

∞

∞

1 n

1 n

1

1

7

X

= X

+ X

=

+

=

6 n

3

2

1 − 1

1 − 1

2

n=0

n=0

n=0

3

2

Korzystamy ze wzoru na sumę szeregu geometrycznego 4. Wyznaczyć styczną do krzywej o równaniu: x = t + 1 ; y =

−

→

t

r ( t) = [1 − sin t , 1 − cos t , 4 sin ] dla t = π

2 ; z = 4

2

Rozwiązanie:

−

→

r ( π) = [1 , 2 , 4]

˙

−

→

t

r ( t) = [ − cos t , sin t , 2 cos ]

,

˙

−

→

r ( π) = [1 , 0 , 0]

2

x = t + 1 ; y = 2 ; z = 4

prosta styczna

5. Wyznaczyć równanie rózniczkowe rodziny krzywych y = Cx 2 + x− 1 , C ∈ R xy0 = 2 y − x + 2

Rozwiązanie:

y0 = 2 Cx + 1

rózniczkujemy równanie rodziny

C = y0− 1

eliminujemy stałą C

2 x

y = y0− 1 · x 2 + x − 1 = ⇒ 2 y = xy0 − x + 2 x − 2 = ⇒ xy0 = 2 y − x + 2

2 x

1

2. Rozwiązać równanie:

y0 + xy = xy− 3

Rozwiązanie:

Jest to równanie Bernoulliego. Mnożymy obie strony przez y 3: y 3 y0 + xy 4 = x Podstawiamy: z( x) = y 3( x) , wtedy z0 = 4 y 3 y0

1 z0 + xz = x

4

z0 + 4 xz = 4 x

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: z0 + 4 xz = 0

Rozdzielamy zmienne:

d z = − 4 x d x

z

Z

d z

Z

=

− 4 x d x

z

ln |z| = − 2 x 2 + C

z = Ce− 2 x 2

Rozwiązujemy równanie niejednorodne:

z0 + 4 xz = 4 x

z = C( x) e− 2 x 2

uzmienniamy stałą

Wtedy:

z0 = C0e− 2 x 2 − 4 xCe− 2 x 2

C0e− 2 x 2 − 4 xCe− 2 x 2 + 4 xCe− 2 x 2 = 4 x wstawiamy do równania

C0 = 4 xe 2 x 2

Z

Z

C =

4 xe 2 x 2 d x = {t = 2 x 2 ; d t = 4 x d x} =

et d t = et + D = e 2 x 2 + D

Stąd:

z = ( e 2 x 2 + D) e− 2 x 2 = 1 + De− 2 x 2

√

√

y = 4 z = 4 1 + De− 2 x 2

Odpowiedź:

√

y = 4 1 + De− 2 x 2

2

3. Rozwiązać równanie:

y(4) − y00 = 2 x

Rozwiązanie:

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

y(4) − y00 = 0

r 4 − r 2 = 0

równanie charakterystyczne

r 2( r 2 − 1) = 0 = ⇒ r 2( r − 1)( r + 1) = 0

r 1 = r 2 = 0 , r 3 = 1 , r 4 = − 1

y = C 1 + C 2 x + C 3 ex + C 4 e−x rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y(4) − y00 = 2 x

Ponieważ r = 0 jest pierwiastkiem dwukrotnym wielomianu charakterystyczneg, więc rozwiązanie szczególne przewidujemy w postaci:

ys = ( Ax + B) x 2 = Ax 3 + Bx 2

y0 = 3 Ax 2 + 2 Bx

s

y00 = 6 Ax + 2 B

s

y000 = 6 A

s

y(4) = 0

s

Wstawiamy do równania:

− 6 Ax − 2 B = 2 x

(

−

(

6 A = 2

A = − 1

= ⇒

3

− 2 B = 0

B = 0

ys = − 1 x 3

3

Odpowiedź:

y = C 1 + C 2 x + C 3 ex + C 4 e−x − 1 x 3

3

3

4. Wyznaczyć rozwiązanie układu równań (

y0 = 3 y

1

1 + 2 y 2 + 1

y0 = 8 y

2

1 + 3 y 2

spełniające warunek początkowy y 1(0) = − 1 , y 2(0) = 2

Rozwiązanie:

y 2 = 1 y0 − 3 y

z pierwszego równania

2 1

2 1 − 1

2

y0 = 1 y00 − 3 y0

2

2 1

2 1

1 y00 − 3 y0 = 8 y

y0 − 9 y

podstawiamy do drugiego równania

2 1

2 1

1 + 3

2 1

2 1 − 3

2

y00 − 6 y0 − 7 y

1

1

1 = − 3

Równanie liniowe jednorodne:

y00 − 6 y0 − 7 y

1

1

1 = 0

r 2 − 6 r − 7 = 0

∆ = 64

r 1 = − 1 , r 2 = 7

y 1 = C 1 e−x + C 2 e 7 x Przewidujemy rozwiązanie szczególne równania liniowego niejednorodnego: y 1 s = A

y0 = 0

1 s

y00 = 0

1 s

− 7 A = − 3 = ⇒ A = 37

y 1 s = 37

Rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego: y 1 = C 1 e−x + C 2 e 7 x + 37

y0 = −C

1

1 e−x + 7 C 2 e 7 x

y 2 = 1 ( −C

( C

) − 1 = − 2 C

2

1 e−x + 7 C 2 e 7 x) − 3

2

1 e−x + C 2 e 7 x + 3

7

2

1 e−x + 2 C 2 e 7 x − 8

7

Podstawiamy warunki początkowe:

(

−

(

(

1 = C 1 + C 2 + 3

C

C

7

= ⇒

1 + C 2 = − 10

7

= ⇒

1 = − 3

2

2 = − 2 C 1 + 2 C 2 − 8

−C

C

7

1 + C 2 = 11

7

2 = 1

14

Odpowiedź:

y 1 = − 3 e−x + 1 e 7 x + 3

2

14

7

y 2 = 3 e−x + 1 e 7 x − 8

7

7

4

5. Wyznaczyć szereg Maclaurina funkcji f ( x) = xe−x 2+1 . Określić przedział zbieżności tego szeregu. Wyznaczyć wartość f (10)(0) .

Rozwiązanie:

( −x 2)2

( −x 2)3

( −x 2)4

f ( x) = xe · e−x 2 = xe 1 + ( −x)2 +

+

+

. . .

=

2!

3!

4!

∞

x 4

x 6

x 8

ex 5

ex 7

ex 9

( − 1) nex 2 n+1

xe 1 − x 2 +

−

+

. . .

= ex − ex 3 +

−

+

· · · = X

2!

3!

4!

2!

3!

4!

n!

n=0

Przdział zbiezności tego szeregu: x ∈ ( −∞ , ∞) Skorzystaliśmy z rozwinięcia w szereg funkcji:

x 2

x 3

x 4

ex = 1 + x +

+

+

+ . . . , x ∈ R

2!

3!

4!

f (10)(0)

Ponieważ a 10 = 0 oraz a 10 =

więc

10!

f (10)(0) = 0

5

6. Rozwinąć w szereg Fouriera funkcję: (

0

dla

x ∈ ( −π , 0)

f ( x) =

−x

dla

x ∈ [0 , π}

Wyznaczyć i naszkicować funkcję f , która jest sumą szeregu.

Rozwiązanie:

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

π

π

1

0

Z

1 Z

1 Z

1 Z

sin nx

an =

f ( x) cos nx d x =

0 · cos nx d x+

−x cos nx d x =

−x

d x =

π

π

π

π

n

−π

0

0

0

π

1 −x sin nx π

Z

sin nx

1

− cos nx π

− cos nπ + 1

1 − ( − 1) n

+

d x

=

0 +

=

=

π

n

0

n

π

n 2

0

πn 2

πn 2

0

π

π

π

1

"

# π

Z

1 Z

1 Z

1

x 2

π

a 0 =

f ( x) d x =

0 · d x +

−x d x =

−

= −

π

π

π

π

2

2

−π

0

0

0

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

π

π

1 Z

1 Z

1 Z

1 Z

− cos nx 0

bn =

f ( x) sin nx d x =

0 · sin nx d x+

−x sin nx d x =

−x

d x =

π

π

π

π

n

−π

0

0

0

π

1 x cos nx π

Z

cos nx

1 π cos nπ

sin nx π

cos nπ

( − 1) n

−

d x

=

−

=

=

π

n

0

n

π

n

n 2

0

n

n

0

Szereg Fouriera jest więc następujący:

a

∞

∞

S

0

( x) =

+ X a

X

n cos nx +

bn sin nx

2

n=1

n=1

∞ 1 − ( − 1) n

∞ ( − 1) n

S( x) = − π + X

cos nx + X

sin nx

4

πn 2

n

n=1

n=1

Szereg ten jest zbieżny do funkcji f na zbiorze: ( −π, π) .

0 + −π

π

S( −π) = S( π) =

2

= −

2

4

6