R ´

OWNANIA R ´

O ˙

ZNICZKOWE ZWYCZAJNE, SEMESTR LETNI 2012/2013

WYK LAD I ´

CWICZENIA W TYGODNIU ZACZYNAJA

ÇYM SIE

¸ 04.03.2013

Wyk lad

1. Dokończenie rozwi¸

azania równania liniowego o zmiennych wspó lczynnikach metod¸

a czynnika ca lkuj¸

acego.

2. Przyk lady różnych równań (historyczny rys), np. równanie problemu brachistochrony, równanie Bernoul-liego, równanie o zmiennych rozdzielonych, równanie jednorodne, równanie Jacobiego, równanie zupe lne.

3. Równanie o zmiennych rozdzielonych - ogólna procedura i konkretny przyk lad (rozwi¸

azanie w postaci

uwik lanej).

4. Równania autonomiczne i dynamika populacji.

5. Równania zupe lne i ich rozwi¸

azywanie metod¸

a czynnika ca lkuj¸

acego.

Sugerowane zadania do przerobienia na ´

cwiczeniach

(niekt´

ore zadania mog¸

a by´

c opuszczone, inne za´

s dodane)

1. Znaleźć rozwi¸

azanie ogólne równania y′ − 2 y = 4 − t.

{ ty′ + 2 y = 4 t 2

2. Rozwi¸

azać problem pocz¸

atkowy

y(1)

=

2

{ 2 y′ + ty = 2

3. Rozwi¸

azać problem pocz¸

atkowy

y(0)

=

1

dy

3 x 2 + 4 x + 2

4. Rozwi¸

azać problem pocz¸

atkowy

=

,

y(0) = − 1, i wyznaczyć przedzia l na którym dx

2( y − 1)

rozwi¸

azanie istnieje.

dy

4 x − x 3

5. Rozwi¸

azać równanie

=

i podać rozwi¸

azanie które przechodzi przez punkt (0 , 1). Znaleźć dx

4 + y 3

przedzia l na którym to konkretne rozwi¸

azanie istnieje.

( y − 3) cos x

6. Znaleźć rozwi¸

azanie, które jest funkcj¸

a sta l¸

a, nast¸epuj¸

acego równania y′ =

.

1 + 2 y 2

dy

y − 4 x

7. Rozwi¸

azać równanie

=

. Jest to tzw. równanie jednorodne, gdzie prawa strona zależy dx

x − y

jedynie od y/x. Zastosować zamian¸

e zmiennej v = y/x i sprowadzić je do równania o zmiennych rozdzielonych.

8. W czasie t = 0 zbiornik zawiera Q 0 kg soli rozpuszczonej w 100 L wody. Przypuśćmy, że woda zawieraj¸

aca 1 kg/L soli wplywa do zbiornika z szybkości¸

a r L/min i po dobrym wymieszaniu, mieszanka 4

wyp lywa ze zbiornika z tak¸

a sam¸

a szybkości¸

a. Sformu lować problem pocz¸

atkowy opisuj¸

acy ten proces

przep lywu.

9. Przypuśćmy, że pewna suma pieni¸

edzy jest z lożona w banku, który p laci odsetki, r% w skali roku. W

zależności od banku, s¸

a one naliczane co rok lub co miesi¸

ac lub co tydzień lub codziennie; rzadko kiedy w sposób ci¸

ag ly. Niech pocz¸

atkowa suma wp lacona b¸edzie S 0, a S( t) oznacza wysokość depozytu w czasie t. Sformu lować problem pocz¸

atkowy jeśli odsetki s¸

a wyp lacane w sposób ci¸

ag ly. Jaki b¸edzie

depozyt w sytuacji kiedy odsetki s¸

a naliczane m-razy do roku? W którym przypadku depozyt b¸edzie wyższy: jeśli odsetki naliczane s¸

a m razy do roku czy jeśli naliczane s¸

a w sposób ci¸

ag ly?

10. Niech dany b¸edzie bardzo duży basen, który zawiera 107 litrów czystej wody.

Woda zawieraj¸

aca

niepoż¸

adane chemikalia wp lywa do basenu z szybkości¸

a 5 milionów litrów/rok, i po dok ladnym wymieszaniu wyp lywa z t¸

a sam¸

a szybkości¸

a. Koncentracja γ( t) chemikaliów we wp lywaj¸

acej wodzie zmienia si¸e

okresowo z czasem tak jak w wyrażeniu γ( t) = 2 + sin 2 t g/L. Skonstruować model matematyczny procesu przep lywu.

Zadania domowe

1. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania ty′ + 3 y = t 2.

2. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania y′ + 3 y = t + e− 2 t.

3. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania y′ + (1 /t) y = 3 cos 2 t, t > 0.

4. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania ty′ + 2 y = sin t, t > 0.

5. Rozwi¸

azać problem pocz¸

atkowy

ty′ + 2 y = t 2 − t + 1, y(1) = 1 ,

t > 0. (Znalezienie rozwi¸

azania

2

ogólnego równania by lo w pracy domowej z tygodnia 25.02) 6. Rozwi¸

azać problem pocz¸

atkowy

y′ + (2 /t) y = (cos t) /t 2, y( π) = 0,

t > 0.

7. Znaleźć tak¸

a wartość pocz¸

atkow¸

a y 0 dla której rozwi¸

azanie problemu pocz¸

atkowego y′ − y = 1 + 3 sin t, y(0) = y 0 pozostaje skończone gdy t → ∞.

8. Skonstruować takie równanie różniczkowe zwyczajne dla którego wszystkie rozwi¸

azania maj¸

a granice

3 gdy t → ∞.

9. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania y′ = x 2 /y.

10. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania y′ = (cos2 x)(cos22 y).

11. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania xy′ = (1 − y 2)1 / 2.

x − e−x

12. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie równania y′ =

.

y + ey

13. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie problemu pocz¸

atkowego xdx + ye−xdy = 0, y(0) = 1, oraz wyznaczyć

przedzia l na którym rozwi¸

azanie istnieje.

1 + 3 x 2

14. Znaleźć ogólne rozwi¸

azanie problemu pocz¸

atkowego

y′ =

,

y(0) = 1, oraz wyznaczyć

3 y 2 − 6 y

przedzia l na którym rozwi¸

azanie istnieje.

dy

4 y − 3 x

15. Rozwi¸

azać równanie

=

.

dx

2 x − y

dy

x 2 − 3 y 2

16. Rozwi¸

azać równanie

=

.

dx

2 xy

17. Zbiornik o pojemności 500 litrów zawiera 200 litrów wody z rozpuszczon¸

a w niej 10 kg soli. Woda

zawieraj¸

aca 0 . 1 kg soli w litrze wp lywa do zbiornika z szybkości¸

a 3 L/min i po dok ladnym wymieszaniu, mieszanka wyp lywa z szybkości¸

a 2 L/min. Obliczyć ilość soli w zbiorniku w każdym czasie t zanim mieszanka zacznie si¸e przelewać ze zbiornika.

18. Populacja komarów w pewnym miejscu wzrasta proporcjonalnie do bież¸

acej populacji. Przy braku

innych czynników, populacja komarów podwaja si¸

e każdego tygodnia. Pocz¸

atkowa populacja komarów

wynosi 200,000 a drapieżnicy (ptaki, nietoperze itp) zjadaj¸

a 20,000 komarów/dzień. Obliczyć jaka jest populacja komarów w czasie t.

19. Prawo Newtona o ch lodzeniu mówi, że temperatura obiektu zmienia si¸e z szybkości¸

a proporcjonaln¸

a

do różnicy mi¸

edzy temperatur¸

a obiektu a temperatur¸

a otoczenia. Przypuśćmy, że temperatura kawy wynosi 100oC a po jednej minucie och ladza si¸e do 97oC w temperaturze pokojowej 20oC. Obliczyć kiedy temperatura kawy osi¸

agnie 50oC?

20. Skoczek spadochronowy waż¸

acy z oporz¸

adeniem 100 kg spada pionowo w dó l z wysokości 5000 m i otwiera spadochron po 10 sekundach swobodnego spadania. Przypuśćmy, że si la oporu powietrza wynosi 0 . 75 |v| kiedy spadochron jest zamkni¸ety i 12 |v| kiedy spadochron jest otwarty.

(a) obliczyć szybkość skoczka w momencie otworzenia si¸

e spadochronu.

(b) Obliczyć jaka jest odleg lość skoczka do ziemi w momencie otworzenia si¸e spadochronu.

(c) Obliczyć jak d lugo skoczek by l w powietrzu od momentu otworzenia si¸e spadochronu.