Egzamin z Równań Różniczkowych, 25 VI 2013

1. godz. 9.00 Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Równanie charakterystyczne pewnego równania różniczkowego liniowego 4

y 1 = 1

rzędu o stałych współczynnikach ma pierwiastki r 1 = 0 , r 2 = − 2 , y 2 = e− 2 x

r 3 = 2 i , r 4 = − 2 i . Wyznaczyć rozwiązania szczególne tego równania różnicz-y 3 = cos 2 x

kowego tworzące fundamentalny układ rozwiązań.

y 4 = sin 2 x

2. Rozwiązać równanie:

y0 = y00 .

y = C 1 + C 2 ex

Rozwiązanie:

y00 − y0 = 0

r 2 − r = 0 = ⇒ r( r − 1) = 0

równanie charakterystyczne

r 1 = 0 = ⇒ y 1 = 1

r 2 = 1 = ⇒ y 2 = ex

∞

3. Wyznaczyć obszar zbieżności szeregu X sin n x .

x /

∈ { π + kπ; k ∈ Z }

2

n=1

Rozwiązanie:

Podstawiamy y = sin x∞

Szereg geometryczny X yn jest zbieżny ⇐⇒ y ∈ ( − 1 , 1) n=1

sin x ∈ ( − 1 , 1) ⇐⇒ x /

∈ { π + kπ; k ∈ Z }

2

4. Narysować wykres sumy szeregu Fouriera funkcji (

− 1 , x ∈ ( −π, 0)

f ( x) =

na przedziale [ −π, 2 π]

3 , x ∈ (0 , π)

Rozwiązanie:

S( x) = f ( x)

dla x ∈ ( −π, 0) ∪ (0 , π) bo f ( x) jest ciągła

S( x) = − 1

dla x ∈ ( π, 2 π)

bo S( x) jest okresowy

− 1 + 3

S( x) =

= 1

dla x ∈ {−π, 0 , π, 2 π}

warunki Dirichleta

2

1

5. Dla jakiej wartości p ∈ R krzywizna krzywej p = ±

(

5

x = p cos t

K :

t ∈ [0 , 2 π)

y = p sin t

dla t = π jest równa 5 ?

Rozwiązanie:

Krzywa K to okrąg o promieniu R = |p| . Krzywizna okręgu w każdym punkcie 1

1

jest równa κ =

=

.

R

|p|

1

1

= 5 = ⇒ p = ±

|p|

5

1

1. godz. 10.00 Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Czy funkcje f 1( x) = 1 , f 2( x) = x , f 3( x) = x 2 tworzą fundamentalny układ Tak

rozwiązań pewnego równania różniczkowego liniowego 3 rzędu o stałych współ-

czynnikach? Odpowiedź uzasadnić.

Rozwiązanie:

f 1( x) f 2( x) f 3( x) 1 x x 2

W ( x) = f 0 ( x)

f 0 ( x)

f 0 ( x) = 0 1 2 x = 2 6= 0

1

2

3

f 00( x) f 00( x) f 00( x) 0 0

2

1

2

3

− 1

2. Rozwiązać równanie

y0 = y 2 .

y = x + C

Rozwiązanie:

lub

d y

d y

= y 2 = ⇒ = ⇒

= d x

rozdzielamy zmienne

y = 0

d x

y 2

Z

d y

Z

1

− 1

=

d x = ⇒ −

= x + C = ⇒ y =

y 2

y

x + C

∞ ( − 1) nx 2 n

3. Rozwinąć w szereg Maclaurina funkcję f ( x) = e−x 2

X

n!

Rozwiązanie:

n=0

∞ ( −x 2) n

∞ ( − 1) nx 2 n

f ( x) = X

= X

, x ∈ ( −∞, ∞)

n!

n!

n=0

n=0

Korzystamy z rozwinięcia funkcji g( x) = ex 4. Dla jakiej wartości parametru p ∈ R suma szeregu Fouriera funkcji p = − 1

(

1

, x ∈ ( −π, 0)

f ( x) =

x + p , x ∈ (0 , π)

przyjmuje w punkcie x = 0 wartość równą 0 ?

Rozwiązanie:

f (0+) + f (0 −)

p + 1

S(0) =

=

= 0 = ⇒ p = − 1

2

2

5. Wyznaczyć wektor normalny główny krzywej opisanej równaniem

[ − 1 , 4 , 1]

−

→

r ( t) = [ t , t 2 , et] dla t = 0 .

Rozwiązanie:

˙

−

→

r ( t) = [1 , 2 t , et]

,

˙

−

→

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

¨

−

→

r ( t) = [0 , 2 , et]

,

¨

−

→

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

i

j

k

i

j

k

−

→

−

→

−

→

b = ˙

−

→

r × ¨

−

→

r = 1 0 1 = [ − 2 , − 1 , 2]

;

n = b × ˙

−

→

r = − 2 − 1 2 =

0 2

1

1

0

1

[ − 1 , 4 , 1]

2

2. Rozwiązać równanie:

y0 + y tg x = cos2 x

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: y0 + y tg x = 0

Rozdzielamy zmienne:

d y = − tg x d x

y

Z

d y

Z

sin x

=

−

d x

y

cos x

ln |y| = ln | cos x| + C

podstawiamy {t = cos x , d t = − sin x d x}

y = C cos x

Rozwiązujemy równanie liniowe niejednorodne:

y0 + y tg x = cos2 x

y = C( x) cos x

uzmienniamy stałą

Wtedy:

y0 = C0( x) cos x − C( x) sin x C0 cos x − C sin x + C sin x = cos2 x wstawiamy do równania

C0 = cos x

Z

C =

cos x d x = sin x + D

Stąd:

y = (sin x + D) cos x

Odpowiedź:

y = (sin x + D) cos x

3

3. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego



x + y



xy0 − y = ( x + y) ln

x



y(1) = 1

Rozwiązanie:

Jest to równanie jednorodne. Podstawiamy:

y

z( x) =

= ⇒ y = zx = ⇒ y0 = z0x + z x

x + zx

x( z0x + z) − zx = ( x + zx) ln x

xz0 = ( z + 1) ln( z + 1)

Rozdzielamy zmienne:

d z

d x

=

( z + 1) ln( z + 1)

x

Z

d z

Z

d x

=

( z + 1) ln( z + 1)

x

Z

d z

d z

Z

d t

= {t = ln( z + 1) , d t =

} =

= ln |t| = ln | ln( z + 1) |

( z + 1) ln( z + 1)

z + 1

t

ln | ln( z + 1) | = ln |x| + C

ln( z + 1) = Cx

z + 1 = eCx = ⇒ z = eCx − 1

y = x( eCx − 1)

Podstawiamy x = 1 , y = 1

1 = eC − 1 = ⇒ eC = 2 = ⇒ C = ln 2

Stąd:

y = x( ex ln 2 − 1) Odpowiedź:

y = x( ex ln 2 − 1) 4

4. Rozwiązać zagadnienie początkowe



˙ x − y = 0









˙

y + 9 x = 0

x(0) = 1









y(0) = 0

Rozwiązanie:

y = ˙ x

z pierwszego równania

˙

y = ¨

x

różniczkujemy

¨

x + 9 x = 0

podstawiamy do drugiego równania

r 2 + 9 = 0

równanie charakterystyczne

r 2 = − 9 = ⇒

r 1 = 3 i , r 2 = − 3 i x = C 1 cos 3 t + C 2 sin 3 t y = ˙ x = − 3 C 1 sin 3 t + 3 C 2 cos 3 t Podstawiamy warunki początkowe:

(

(

C 1 = 1

C

= ⇒

1 = 1

3 C 2 = 0

C 2 = 0

Odpowiedź:

(

x = cos 3 t

y = − 3 sin 3 t

5

2

Z

5. Wyznaczyć przybliżoną wartość całki

ex 2 d x

wykorzystując trzy początkowe wy-

0

razy szeregu Maclaurina funkcji y = ex 2 .

Rozwiązanie:

∞ ( x 2) n

∞ x 2 n

x 4

x 6

x 8

y = X

= X

= 1 + x 2 +

+

+

+ . . .

n!

n!

2!

3!

4!

n=0

n=0

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

x 2

x 3

x 4

ex = 1 + x +

+

+

+ . . . , x ∈ R

2!

3!

4!

Przybliżamy funkcję:

x 4

y ≈ 1 + x 2 + 2

Przybliżamy całkę:

2

2

Z

Z

x 4

h

1

1

8

16

118

y d x ≈

(1 + x 2 +

) d x = x +

x 3 +

x 5i2 = 2 +

+

=

2

3

10

0

3

5

15

0

0

Odpowiedź:

2

Z

118

y d x ≈ 15

0

6

6. Dana jest funkcja



4

dla

x ∈ ( −π , − 1)





f ( x) =

− 4

dla

x ∈ (1 , π)





0

dla

x ∈ ( − 1 , 1)

Uzupełnić tę funkcje aby w przedziale [ −π, π] spełniała warunki Dirichleta. Sporządzić wykres. Wyznaczyć szereg Fouriera tej funkcji.

Rozwiązanie:

Funkcja ma spełniać warunki Dirichleta, więc w punktach nieciągłości: f ( − 1 −) + f ( − 1+) 4 + 0

f ( − 1) =

=

= 2

2

2

f (1 −) + f (1+)

0 + 4

f (1) =

=

= 2

2

2

f ( π−) + f ( −π+)

− 4 + 4

f ( −π) = f ( π) =

=

= 0

2

2

Ponieważ funkcja jest nieparzysta, więc an = 0

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

1

π

1 Z

2 Z

2 Z

2 Z

bn =

f ( x) sin nx d x =

f ( x) sin nx d x =

0 · sin nx d x +

− 4 sin nx d x =

π

π

π

π

−π

0

0

1

− 8 − cos nx π

8(cos nπ − cos n)

=

π

n

1

nπ

Szereg Fouriera jest więc następujący:

∞ 8(cos nπ − cos n)

S( x) = X

sin nx

nπ

n=1

7