Egzamin z Równań Różniczkowych, 22 VI 2011

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Sprawdzić, czy funkcje f ( x) = 1 + x oraz g( x) = 2 − x tworzą układ funda-tak

mentalny rozwiązań pewnego równania różniczkowego rzędu drugiego(tzn. czy są liniowo niezależne)

Rozwiązanie:

f

g

1 + x 2 − x

W ( x) =

=

= − 1 − x − 2 + x = − 3 6= 0

f 0 g0

1

− 1

2. Rozwiązać równanie: y0 = cos2 y y = arc tg( x + C)

Rozwiązanie:

d y

= d x = ⇒ tg y = x + C

rozdzielamy zmienne

cos2 y

tg y = x + C

całkujemy

y = arc tg( x + C) + kπ , k ∈ Z

3. Wyznaczyć linie ortogonalne do rodziny krzywych tworzących całkę ogólną y 2 = 2 x + C

równania różniczkowego y0 + y = 0

Rozwiązanie:

1

−

+ y = 0

równanie linii ortogonalych

y0

y d y = d x

rozdzielamy zmienne

y 2 = x + C = ⇒ y 2 = 2 x + C

całkujemy

2

−

→

4. Wyznaczyć wektor binormalny do krzywj o równaniu r = [ t , t 2 , et] , dla

[ − 2 , − 1 , 2]

t = 0

Rozwiązanie:

˙

−

→

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

,

˙

−

→

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

¨

−

→

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

,

¨

−

→

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

−

→

b = ˙

−

→

r × ¨

−

→

r = [1 , 0 , 1] × [0 , 2 , 1] = [ − 2 , − 1 , 2]

wektor binormalny

∞

p

5. Dla jakich wartości parametru p zachodzi równość X

= 6

p = 3

2 n

n=0

Rozwiązanie:

∞

p

p

X

=

= 2 p

suma szeregu geometrycznego

2 n

1 − 1

n=0

2

2 p = 6 = ⇒ p = 3

1

2. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego

(

y0 + y tg x = sin 2 x

y( π) = 1

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

y = C cos x

Rozwiązujemy równanie niejednorodne:

y0 + y tg x = sin 2 x

y = C( x) cos x

uzmienniamy stałą

Wtedy:

y0 = C0 cos x − C sin x sin x

C0 cos x − C sin x + C cos x ·

= sin 2 x

wstawiamy do równania

cos x

C0 cos x = 2 sin x cos x C0 = 2 sin x

Z

C =

2 sin x d x = − 2 cos x + C

Stąd:

y = ( − 2 cos x + C) cos x = − 2 cos2 x + C cos x y( π) = − 2 − C = 1 = ⇒ C = − 3

y = − 2 cos2 x − 3 cos x Odpowiedź:

y = − 2 cos2 x − 3 cos x 2

3. Rozwiązać równanie: ( y0)2 + sin2 3 x = 1

Rozwiązanie:

( y0)2 = 1 − sin2 3 x

( y0)2 = cos2 3 x

y0 = ± cos 3 x

d y = ± cos 3 x d x

rozdzielamy zmienne

Z

sin 3 x

y = ±

cos 3 x d x = ±

+ C

całkujemy: podstawienie liniowe t = 3 x

3

Odpowiedź:

sin 3 x

y = ±

+ C

3

3

4. Rozwiązać równanie: y000 − 4 y0 = x + e 3 x Rozwiązanie:

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

y000 − 4 y0 = 0

r 3 − 4 r = 0

równanie charakterystyczne

r( r 2 − 4) = 0 = ⇒ r( r − 2)( r + 2) = 0

r 1 = 0 , r 2 = 2 , r 3 = − 2

y = C 1 + C 2 e 2 x + C 3 e− 2 x rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego

Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y000 − 4 y0 = x

Ponieważ r = 0 jest pierwiastkiem jednokrotnym wielomianu charakterystycznego, więc rozwiązanie szczególne przewidujemy w postaci: ys = ( Ax + B) x = Ax 2 + Bx y0 = 2 Ax + B

s

y00 = 2 A

s

y000 = 0

s

Wstawiamy do równania:

− 8 Ax − 4 B = x

(

−

(

8 A = 1

A = − 1

= ⇒

8

− 4 B = 0

B = 0

ys = − 1 x 2

8

Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y000 − 4 y0 = e 3 x

Ponieważ r = 3 nie jest pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego, więc rozwią-

zanie szczególne przewidujemy w postaci:

ys = Ae 3 x

y0 = 3 Ae 3 x

s

y00 = 9 Ae 3 x

s

y000 = 27 Ae 3 x

s

Wstawiamy do równania:

27 Ae 3 x − 12 Ae 3 x = Ae 3 x 15 A = 1 = ⇒ A = 1

15

ys = 1 e 3 x

15

Odpowiedź:

y = C 1 + C 2 e 2 x + C 3 e− 2 x − 1 x 2 + 1 e 3 x 8

15

4

5. Korzystając z odpowiednich twierdzeń o całkowaniu i różniczkowaniu funkcji rozwinąć w szereg Maclaurina funkcję f ( x) = x arc tg x. Wyznaczyć zakres zbieżności szeregu.

Rozwiązanie:

g( x) = arc tg x

1

g0( x) = 1 + x 2

1

1

=

= 1 + ( −x 2) + ( −x 2)2 + ( −x 2)3 + ( −x 2)4 + · · · =

1 + x 2

1 − ( −x 2)

1 − x 2 + x 4 − x 6 + x 8 + . . .

Przedział zbieżności tego szeregu: −x 2 ∈ ( − 1 , 1) = ⇒ x ∈ ( − 1 , 1) Skorzystaliśmy z rozwinięcia w szereg funkcji:

1

= 1 + x + x 2 + x 3 x 4 + . . . , x ∈ ( − 1 , 1) 1 − x

Stąd:

Z

Z

Z

Z

Z

g( x) =

g0( x) d x =

1 − x 2 + x 4 − x 6 + x 8 + . . . d x =

d x +

( −x 2) d x +

x 4 d x +

Z

Z

x 3

x 5

x 7

x 9

( −x 6) d x +

x 8 d x + · · · = x −

+

−

+

+ · · · + C

3

5

7

9

Promień zbieżności tego szeregu jest taki sam, więc x ∈ ( − 1 , 1) Podstawiamy x = 0

g(0) = C = ⇒ arc tg 0 = C = ⇒ C = 0

x 3

x 5

x 7

x 9

g( x) = x −

+

−

+

+ . . .

3

5

7

9

Stąd:

x 3

x 5

x 7

x 9

x 4

x 6

x 8

x 10

f ( x) = xg( x) = x x −

+

−

+

+ . . .

= x 2 −

+

−

+

+ . . .

3

5

7

9

3

5

7

9

x ∈ ( − 1 , 1)

5

6. Wyznaczyć szereg Fouriera samych sinusów, którego suma na przedziale (0 , π) przyj-

π

muje wartości identyczne z funkcją f ( x) =

. Wypisać sumę trzech pierwszych wy-

4

razów szeregu. Wykorzystując otrzymany szereg, obliczyć sumę szeregu liczbowego:

∞ sin(2 n − 1)

X

2 n − 1

n=1

Rozwiązanie:

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

π

2 Z

2 Z π

1 Z

1 − cos nx π

bn =

f ( x) sin nx d x =

· sin nx d x =

sin nx d x =

=

π

π

4

2

2

n

0

0

0

0

1

1 − ( − 1) n

− cos nπ + 1 =

2 n

2 n

Szereg Fouriera sinusów jest więc następujący:

∞

∞ 1 − ( − 1) n

S( x) = X b

X

n sin nx =

sin nx

2 n

n=1

n=1

Suma trzech pierwszych wyrazów szeregu:

1 − ( − 1)

1 − ( − 1)2

1 − ( − 1)3

S 3( x) =

sin x +

sin 2 x +

sin 3 x =

2

4

6

1

1

sin x + 0 sin 2 x +

sin 3 x = sin x +

sin 3 x

3

3

1

Widać, że współczynniki parzyste: b 2 k = 0, a nieparzyste b 2 k− 1 =

. Stąd

2 k − 1

∞ sin(2 k − 1) x

S( x) = X

2 k − 1

k=1

Podstawiamy x = 1

∞ sin(2 k − 1)

S(1) = X

2 k − 1

k=1

Stąd suma szeregu liczbowego:

∞ sin(2 k − 1)

π

X

= S(1) = f (1) =

2 k − 1

4

k=1

6