Egzamin z Równań Różniczkowych, 21 VI 2007, godz. 9.00

1. Rozwiązać równanie



xy





 y0 +

= x

1 + x 2





 y(0) = 13

a następnie narysować wyznaczoną krzywą całkową.

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne: xy

y0 +

= 0

1 + x 2

Rozdzielamy zmienne:

d y

xy

= −

d x

1 + x 2

d y

x d x

= −

y

1 + x 2

Całkujemy obie strony

Z d y

Z

x d x

= −

y

1 + x 2

Całkę z prawej strony liczmy przez podstawienie: (

)

t = 1 + x 2

d t = 2 x d x

Z

x d x

Z d t

1

1

=

=

ln |t| + C =

ln | 1 + x 2 | + C

1 + x 2

2 t

2

2

Rozwiązanie równania liniowego jednorodnego: ln |y| = − 1 ln | 1 + x 2 | + C

2

Po uproszczeniu:

C

y = √ 1 + x 2

Rozwiązujemy równanie liniowe niejednorodne: xy

y0 +

= x

1 + x 2

Szukamy rozwiązania w postaci:

C( x)

y = √ 1 + x 2

Wtedy

C0

2 xC

y0 = √

−

√

1 + x 2

2( 1 + x 2)3

Po podstawieniu do równania:

C0

√

= x

1 + x 2

√

C0 = x 1 + x 2

Z

√

C =

x 1 + x 2 d x

Podstawiamy:

(

)

t = 1 + x 2

d t = 2 x d x

Z 1 √

1 √

1 √

C =

t d t = ( t)3 + D = ( 1 + x 2)3 + D

2

3

3

Rozwiązanie ogólne równania:

√

1 ( 1 + x 2)3 + D

1

1

D

y = 3

√

=

+ x 2 + √

1 + x 2

3

3

1 + x 2

Postawiamy waruknek początkowy: x = 0, y = 13

1 = 1 + D

3

3

D = 0

Szukane rozwiązanie:

y = 1 + 1 x 2

3

3

Jest to parabola.

2. Rozwiązać równanie różniczkowe

y000 + 2 y00 + y0 + 2 y = 18 e 2 x Rozwiązanie:

Rozwiąznujemy najpierw równanie liniowe jednorodne: y000 + 2 y00 + y0 + 2 y = 0

Szukamy pierwiastków równania charakterystycznego: r 3 + 2 r 2 + r + 2 = 0

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

r 1 = − 2 , r 2 = i , r 3 = −i Rozwiąznie ogólne równania jednorodnego: y = C 1 e− 2 x + C 2 cos x + C 3 sin x Szukamy rozwiązania szczególnego równania liniowego niejednorodnego metodą przewidy-wań

ys = Ae 2 x

y0 = 2 Ae 2 x

s

y00 = 4 Ae 2 x

s

y000 = 8 Ae 2 x

s

Po podstawieniu do równania:

20 Ae 2 x = 18 e 2 x Czyli A = 9

10

A więc rozwiąznie szczególne:

ys = 9 e 2 x

10

Rozwiaznie ogólne równania jest więc równe: y = C 1 e− 2 x + C 2 cos x + C 3 sin x + 9 e 2 x 10

3. Wyznaczyć zakres zbieżności szeregu:

∞

X cos nπ

√ ( x − 1) n

n n

n=1

Rozwiązanie:

cos nπ = ( − 1) n

Szukamy promienia zbieżności szeregu. W tym celu liczymy granicę: v

q

u

u ( − 1) n

√

lim n |a

n

t

√ = lim ( n n) − 32 = 1

n→∞

n| = lim

n→∞

n n

n→∞

Promień zbieżności jest więc równy:

R = 1 = 1

1

Szereg jest zbieżny dla |x − 1 | < 1 czyli dla x ∈ (0 , 2) Sprawdzamy zbieżność na brzegu obszaru: x = 0

∞

X ( − 1) n

∞

X 1

√ ( − 1) n =

n n

n=1

n=1 n 32

Ten szereg jest zbieżny (harmoniczny z α = 3 > 1) 2

x = 2

∞

X ( − 1) n

∞

X ( − 1) n

√ (1) n =

n n

n=1

n=1

n 32

Badamy zbieżność szeregu

∞

X

∞

( − 1) n

X 1

=

n=1

n 32

n=1 n 32

Ten szereg jest zbieżny, a więc szereg bez wartości bezwzględnej też jest zbiezny.

Odpowiedź:

Szereg jest zbiezny dla x ∈< 0 , 2 > 4. Napisać szereg Maclaurina funkcji f ( x) = xe−x 2 a następnie z postaci szeregu obliczyć pochodną f (23)(0)

Rozwiązanie:

x

x 2

x 3

x 4

ex = 1 +

+

+

+

+ . . . , x ∈ ( −∞, ∞) 1!

2!

3!

4!

( −x 2)

( −x 2)2

( −x 2)3

( −x 2)4

x 2

x 4

x 6

x 8

e−x 2 = 1 +

+

+

+

+ · · · = 1 −

+

−

+

+ . . . ,

1!

2!

3!

4!

1!

2!

3!

4!

x ∈ ( −∞, ∞)

x 3

x 5

x 7

x 9

xe−x 2 = x −

+

−

+

+ . . . , x ∈ ( −∞, ∞) 1!

2!

3!

4!

Współczynnik przy x 23 jest równy: 1

a 23 = − 11!

Więc

23!

f (23)(0) = a 23(23!) = − 11!

5. Wyznaczyć torsję w dowolnym punkcie krzywej K : x = cos t, y = sin t, z = 4 t .

...

( ˙ ~r, ¨

~r, ~r)

τ = |˙ ~r × ¨ ~r| 2

Rozwiązanie:

˙ ~r = [ − sin t, cos t, 4]

¨

~r = [ − cos t, − sin t, 0]

...

~r = [sin t, − cos t, 0]

i

j

k

˙ ~rר ~r =

− sin t

cos t

4 = − 4 j cos t+ k sin2 t+ k cos2 t+ i 4 sin t = [4 sin t, − 4 cos t, 1]

− cos t − sin t 0

...

( ˙ ~r, ¨

~r, ~r ) = [4 sin t, − 4 cos t, 1] · [sin t, − cos t, 0] = 4 sin2 t + 4 cos2 t = 4

A więc

4

4

τ = √

=

( 16 sin2 t + 16 cos2 t + 1)2

17

6. Dana jest funkcja:

( 0 dla x ∈ ( −π,− 1) ∪ (1 ,π) f ( x) =

1 dla x ∈ ( − 1 , 1) Uzupełnić tę funkcję aby w przedziale < −π, π > spełniała warunki Dirichleta. Wyznaczyć szereg Fouriera tej funkcji.

Rozwiązanie:

Aby fukcja spełniała warunki Dirichleta musi mieć wartości (średnie arytmetyczne granic obustronnych):

f ( −π) = 12

f ( π) = 12

f ( − 1) = 12

f (1) = 12

Funkcja jest parzysta, więc współczynniki bn = 0 dla n = 1 , 2 , 3 , . . . .

π

π

1

1 Z

2 Z

2 Z

2

2

a 0 =

f ( x) d x =

f ( x) d x =

1 d x =

[ x]1 =

π

π

π

π

0

π

−π

0

0

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

1

1 Z

2 Z

2 Z

2 sin nx1

an =

f ( x) cos nx d x =

f ( x) cos nx d x =

cos nx d x =

=

π

π

π

π

n

0

−π

0

0

2 sin n

nπ

Szereg Fouriera dla funkcji f ( x) jest więc następujący: a

∞

X

f ( x) = 0 +

a

2

n cos nx

n=1

1

∞

X 2 sin n

f ( x) =

+

cos nx

π

nπ

n=1