Egzamin z Równań Różniczkowych, 16 IX 2008, godz. 9.00

1. Wyznaczyć całkę ogólną równania

( x + y) y0 − y = 0

Rozwiązanie:

Jest to równanie jednorodne.

y

y0 = x + y

y

y0 =

x

1 + yx

Podstawiamy:

z( x) = y( x)

x

Wtedy

y = zx

y0 = z0x + z

Czyli

z

z0x + z = 1 + z

Rozdzielamy zmienne

z 2

z0x = − 1 + z

1 + z

d x

d z = −

z 2

x

Z

1

1

Z

d x

(

+ ) d z =

−

z 2

z

x

− 1 + ln |z| = − ln |x| + C

z

−x + ln | y | = − ln |x| + C

y

x

x = y(ln |y| + C) 2. Rozwiązać zagadnienie Cuchy’ego

( y0 + 2 xy = xe−x 2

y(0) = 1

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie jednorodne: y0 + 2 xy = 0

Rozdzielamy zmienne:

d y = − 2 x d x

y

Z d y

Z

=

− 2 x d x

y

ln |y| = −x 2 + C

y = Ce−x 2

Rozwiązujemy równanie niejednorodne: y0 + 2 xy = xe−x 2

uzmienniamy stałą:

y = C( x) e−x 2

Wtedy:

y0 = C0e−x 2 − 2 xCe−x 2

Podstawiamy do równania:

C0e−x 2 − 2 xCe−x 2 + 2 xCe−x 2 = xe−x 2

C0 = x

Z

x 2

C =

x d x =

+ D

2

Wtedy

x 2

y = (

+ D) e−x 2

2

Podstawiamy warunek początkowy: x = 0 , y = 1

1 = D

Odpowiedź:

x 2

y = (

+ 1) e−x 2

2

3. Rozwiązać równanie:

y0 + y + exy 4 = 0

Rozwiązanie:

Jest to równanie Bernoulliego. Dzielimy obie strony przez y 4: y0

1

+

= −ex

y 4

y 3

Podstawiamy:

z( x) = y− 3( x) wtedy

z0 = − 3 y− 4 y0

Mamy:

z0

−

+ z = −ex

3

z0 − 3 z = 3 ex

Jest to równanie liniowe. Rozwiązujemy równanie jednorodne: z0 − 3 z = 0

Rozdzielamy zmienne:

d z = 3d x

z

Z d z

Z

=

3 d x

z

ln |z| = 3 x + C

z = Ce 3 x

Rozwiązujemy równanie niejednorodne:

z0 − 3 z = 3 ex

uzmienniamy stałą:

z = C( x) e 3 x Wtedy:

z0 = C0e 3 x + 3 Ce 3 x C0e 3 x + 3 Ce 3 x − 3 Ce 3 x = 3 ex C0 = 3 e− 2 x

Z

3

C =

3 e− 2 x d x = − e− 2 x + D

2

Stąd:

3

3

z = ( − e− 2 x + D) e 3 x = − ex + De 3 x 2

2

Czyli

1

y = s 3

3 − ex + De 3 x

2

4. Rozwiązać równanie:

y00 + y = x + sin 2 x Rozwiązanie

Jest to równanie liniowe rzędu 2. Rozwiązujemy równanie jednorodne: y00 + y = 0

Równanie charakterystyczne:

r 2 + 1 = 0

Pierwiastki równania charakterystycznego:

r 1 = i , r 2 = −i Rozwiązanie ogólne równania jednorodnego:

y = C 1 cos x + C 2 sin x Rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego szukamy metodą przewidywań: Dla x

y00 + y = x

ys = Ax + B

y0 = A

s

y00 = 0

s

Podstawiamy do równania:

Ax + B = x

Stąd: A = 1 , B = 0

ys = x

Dla sin 2 x

y00 + y = sin 2 x

ys = A cos 2 x + B sin 2 x Wtedy:

y0 = − 2 A sin 2 x + 2 B cos 2 x s

y00 = − 4 A cos 2 x − 4 B sin 2 x s

Podstawiamy do równania:

− 3 A cos 2 x − 3 B sin 2 x = sin 2 x Stąd: −A = 0 , B = − 13

Rozwiązanie szczególne jest więc równe:

ys = − 1 sin 2 x

3

Odpowiedź:

Rozwiązanie równania:

y = C 1 cos x + C 2 sin x + x − 1 sin 2 x 3

5. Wyznaczyć promień krzywizny oraz równanie stycznej do krzywej K zadanej równa-niem x = et cos t

K :

y = et sin t , t ∈ R



 z = et

w punkcie P (1 , 0 , 1) Rozwiązanie:

Promień krzywizny krzyewj jest równy:

1

R = κ

gdzie krzywizna

| ˙ ~r × ¨

~r|

κ = |˙ ~r| 3

~r = [ et cos t, et sin t, et]

Punkt P odpowiada wartości t = 0

˙ ~r = [ et cos t − et sin t, et sin t + et cos t, et]

˙ ~r(0) = [1 , 1 , 1]

¨

~r = [ − 2 et sin t, 2 et cos t, et]

¨

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

i

j k

˙ ~r × ¨ ~r =

1 1 1 = [ − 1 , − 1 , 2]

0 2 1

stąd √

√

6

2

κ = √ =

3 3

3

Czyli promień krzywizny:

3

R = √ 2

Prosta styczna do krzywj ma wektor kierunkowy ˙ ~r(0) i przechodzi przez punkt P . Ma więc równanie:

x − 1

y

z − 1

=

=

1

1

1

6. Wyznaczyć funkcję f : < −π, π >→ R spełniającą warunki: 1. f ( x) = π dla x ∈ ( −π, 0) 2. Jej szereg Fouriera składa się z samych sinusów 3. W każdym punkcie przedziału < −π, π > funkcja jest równa sumie swojego szeregu Fouriera.

Naszkicować wykres tej funkcji. Wyznaczyć jej szereg Fouriera.

Rozwiązanie:

Funkcja f jest nieparzysta. W punkch nieciągłości jej wartość jest równa sredniej aryt-metycznej granic. Stąd:

(

π dla x ∈ ( −π, 0)

f ( x) =

−π dla x ∈ (0 , π)

oraz:

f (0+) + f (0 −)

f (0) =

= 0

2

f ( −π+) + f ( π−) f ( −π) = f ( π) =

= 0

2

Szukamy jej szeegu Fouriera. Współczynniki an = 0.

Dla n = 1 , 2 , 3 . . . uwzględniając nieparzystość f π

0

0

1 Z

2 Z

2 Z

cos nx0

bn =

f ( x) sin nx d x =

f ( x) sin nx d x =

π sin nx d x = 2

=

π

π

π

n

−π

−π

−π

−π

2(1 − cos nπ)

2(1 − ( − 1) n)

=

n

n

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

∞

P

f ( x) =

bn sin nx

n=1

∞

P 2(1 − ( − 1) n)

f ( x) =

sin nx

n=1

n