background image

Egzamin z Równań Różniczkowych, 20 VI 2008, godz. 9.00

1. Rozwiązać równanie

y

0

+ 2xy xe

−x

2

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie jednorodne:

y

0

+ 2xy = 0

Rozdzielamy zmienne

dy

y

2dx

Z

dy

y

=

Z

2dx

ln |y| −x

2

C

Ce

−x

2

Uzmienniamy stałą:

C(x)e

−x

2

y

0

C

0

e

−x

2

− 2xCe

−x

2

Podstawiamy do równania niejednorodnego

C

0

e

−x

2

− 2xCe

−x

2

+ 2xCe

−x

2

xe

−x

2

C

0

x

=

Z

d=

1
2

x

2

D

Rozwiązanie równania:

= (

1
2

x

2

D)e

−x

2

2. Podać definicję zagadnienia Cauchy’ego dla równania różniczkowego zwyczajnego rzędu

pierwszego. Wyznaczyć całkę szczególną równania:

y

0

=

1

y

y(0) = 0

Rozwiązanie

Podstawiamy

x

Wtedy

z

0

y

0

+ 1

Podstawiamy

z

0

− 1 =

1
z

z

0

=

+ 1

z

Jest to równanie o zmiennych rozdzielających się. Rozdzielamy zmienne

dz

+ 1

= dx

background image

Całkujemy obie strony

Z

dz

+ 1

=

Z

dx

Z

(1 

1

+ 1

) dC

z − ln |z + 1C

x − ln |y + 1C

y − ln |y + 1C

Podstawiamy warunek początkowy: = 0 , = 0

= 0

Stąd mamy rozwiązanie:

y − ln |y + 1= 0

3. Wyznaczyć całkę ogólną równania

y

00

+ 2y

0

= 3e

−x

Rozwiązanie:

Rozwiązujemy najpierw równanie liniowe jednorodne:

y

00

+ 2y

0

= 0

Szukamy pierwiastków równania charakterystycznego:

r

2

+ 2+ 1 = 0

(+ 1)

2

= 0

r

1

1 , r

2

1

Rozwiązanie ogólne równania jednorodnego:

C

1

e

−x

C

2

xe

−x

Szukamy rozwiązania szczególnego równania liniowego niejednorodnego metodą prze-
widywań

y

s

Ax

2

e

−x

y

0

s

= 2Axe

−x

− Ax

2

e

−x

= (−Ax

2

+ 2Ax)e

−x

y

00

s

= (2Ax + 2A)e

−x

− (−Ax

2

+ 2Ax)e

−x

= (Ax

2

− 4Ax + 2A)e

−x

Po podstawieniu do równania niejednorodnego:

(Ax

2

− 4Ax + 2A)e

−x

+ 2(−Ax

2

+ 2Ax)e

−x

Ax

2

e

−x

= 3e

−x

2= 3

Czyli =

3
2

A więc rozwiązanie szczególne:

y

s

=

3
2

x

2

e

−x

Rozwiaznie ogólne równania jest więc równe:

C

1

e

−x

C

2

xe

−x

+

3
2

x

2

e

−x

background image

4. Wyznaczyć wersory trójścianu Freneta dla krzywej ~r(t) = [sin t, t cos t, te

t

] w poczatku

układu współrzednych. Napisac równanie płaszczyzny ściśle stycznej do krzywej w tym
punkcie.

Rozwiązanie:

Początek uładu współrzednych (000) jest dla = 0

Obliczamy:

˙

= [sin cos t, cos t − t sin t, e

t

te

t

]

˙

(0) = [011]
¨

= [cos + cos t − t sin t, − sin t − sin t − t cos t, e

t

e

t

te

t

]

¨

(0) = [202]

Wektor styczny:

= ˙

= [011]

Wersor styczny:

s

|−

s |

=

[011]

2

=

"

0,

1

2

,

1

2

#

Wektor binormalny:

= ˙

r × ¨

= [011] × [202] = [22, −2]

Wersor binormalny:

b

|

b |

=

[22, −2]

2

3

=

"

1

3

,

1

3

, −

1

3

#

Wektor normalny:

=

b × −

= [2− 2] × [011] = [4, −22]

Wersor normalny:

b

|

b |

=

[4, −22]

2

6

=

"

2

6

, −

1

6

,

1

6

#

Napisac równanie płaszczyzny ściśle stycznej do krzywej:

2+ 2y − 2= 0

5. Całkę

1
2

Z

0

e

−x

2

dwyrazić za pomocą szeregu liczbowego.

Rozwiązanie:

Rozwiajmy funkcję (x) = e

−x

2

w szereg Maclaurina:

Korzystamy z rozwinięcia w szereg funkcji:

e

x

= 1 + +

x

2

2!

+

x

3

3!

+

x

4

4!

. . . x ∈ (−∞, ∞)

e

−x

2

= 1 − x

2

+

x

4

2!

x

6

3!

+

x

8

4!

. . . x ∈ (−∞, ∞)

Mamy:

background image

1
2

Z

0

e

−x

2

d=

1
2

Z

0

(1 − x

2

+

x

4

2!

x

6

3!

+

x

8

4!

. . . ) d=

1
2

Z

0

1 dx −

1
2

Z

0

x

2

d+

1
2

Z

0

x

4

2!

dx −

1
2

Z

0

x

6

3!

d+

1
2

Z

0

x

8

4!

d· · · = [x]

1
2

0

"

x

3

3

#

1
2

0

+

"

x

5

2! · 5

#

1
2

0

"

x

7

3! · 7

#

1
2

0

+

"

x

9

4! · 9

#

1
2

0

· · · =

1
2

1

2

3

· 3

+

1

2

5

· · 2!

1

2

7

· · 3!

+

1

2

9

· · 4!

. . .

Zapisując szereg w innej postaci:

=

X

n=0

(1)

n

(2+ 1)2

2n+1

n!

6. Na przedziale < −π, π > dana jest funkcja:

(x) =

0

dla

x ∈< −π, −>

1

dla

x ∈ (1>

1

dla

x ∈ (0>

0

dla

x ∈ (1, π >

Wyznaczyć szereg Fouriera tej funkcji. Jak funkcja jest jego sumą. Sporządzić wykres
sumy dla x ∈< −π, π >

Rozwiązanie:

Funkcja jest nieparzysta, więc współczynniki a

n

= 0 dla = 0123, . . . .

Dla = 12. . .

b

n

=

1

π

π

Z

−π

(x) sin nx d=

2

π

π

Z

0

(x) sin nx d=

2

π

1

Z

0

sin nx d=

2

π

cos nx

n

1

0

=

2(1 − cos n)

Szereg Fouriera dla funkcji (x) jest więc następujący:

S(x) =

X

n=1

b

n

sin nx

S(x) =

X

n=1

2(1 − cos n)

sin nx

Szereg ten jest zbieżny do funkcji na zbiorze: (−π, −1) ∪ (10) ∪ (01) ∪ (1, π)
(punkty ciągłości )

oraz: S(0) = S(1) = S(1) = S(π) = S(−π) = 0 (średnia arytmetyczna granic
lewostronnej i prawostronnej).