Egzamin z Równań Różniczkowych, 16 IX 2011

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Wyznaczyć równanie różniczkowe liniowe jednorodne o stałych współczynni-y00 − 3 y0 + 2 y = 0

kach rzędu drugiego, jeżeli pierwiastkami jego wielomianu charakterystycznego są r 1 = 1 i r 2 = 2

Rozwiązanie:

( r − 1)( r − 2) = r 2 − 3 r + 2

wielomian charakterystyczny

y00 − 3 y0 + 2 y = 0

szukane równanie

2. Rozwiązać równanie: y0 = 2 xy y = Cex 2

Rozwiązanie:

d y

d y

x

= 2 xy = ⇒

= 2 x d x

rozdzielamy zmienne

d x

y

ln |y| = x 2 + C

całkujemy

y = Cex 2

∞

n!

3. Zbadać zbieżność szeregu X

rozbieżny

2 n 2

n=1

Rozwiązanie:

( n+1)!

an+1

2( n+1)2

2 n 2( n + 1)!

n 2

n

lim

= lim

= lim

= lim

lim

=

n→∞

a

n→∞

n!

n→∞

n→∞

n→∞

n

2( n + 1)2 n!

n + 1

1 + 1

2 n 2

n

∞ > 1

Z kryterium d‘Alamberta wynika, że szereg jest rozbieżny.

1

4. Napisać trzy początkowe wyrazy rozwinięcia funkcji f ( x) =

w szereg

1 + x 2 + x 4

1 − x 2

Maclaurina.

Rozwiązanie:

f ( x) = 1 + ( x 2) + ( x 2)2 + ( x 2)3 + · · · = 1 + x 2 + x 4 + x 3 + . . . , x ∈ ( − 1 , 1) 5. Wyznaczyć równanie płaszczyzny normalnej do krzywej danej równaniem:

−

→

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

Rozwiązanie:

x + y − 1 = 0

˙

−

→

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

˙

−

→

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

wektor normalny płaszczyzny stycznej

π : x + y + D = 0

równanie płaszczyzny stycznej

−

→

r (0) = (0 , 1 , 0) ∈ π = ⇒ 1 + D = 0 = ⇒ D = − 1

1

2. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego



xy0 = x + y









y(1) = 1

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe.

y

y0 −

= 1

x

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

y

y0 −

= 0

x

Rozdzielamy zmienne:

d y

1

=

d x

y

x

Z

d y

Z

1

=

d x

y

x

ln |y| = ln |x| + C

y = Cx

Rozwiązujemy równanie niejednorodne:

y

y0 −

= 1

x

y = C( x) x

uzmienniamy stałą

Wtedy:

y0 = C0x + C

C0x + Cx − Cx = 1

wstawiamy do równania

C0x = 1

1

C0 = x

Z

1

C =

d x = ln |x| + D

x

Stąd:

y = (ln |x| + D) x = x ln |x| + Dx 1 = 0 + D = ⇒ D = 1

podstawiamy x = 1 i y = 1

Odpowiedź:

y = x ln |x| + x

2

3. Rozwiązać równanie:

y0 + y + exy 4 = 0

Rozwiązanie:

Jest to równanie Bernoulliego.

y0 + y = −exy 4

Jednym z rozwiązań jest y = 0. Dzielimy obie strony przez y 4: y0

1

+

= −ex

y 4

y 3

Podstawiamy:

1

y0

z( x) =

, wtedy z0 = − 3

y 3( x)

y 4

− z0 + z = −ex

wstawiamy do równania

3

z0 − 3 z = 3 ex

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

Rozdzielamy zmienne:

d z = 3 d 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

z = C( x) e 3 x uzmienniamy stałą

Wtedy:

z0 = C0e 3 x + 3 Ce 3 x C0e 3 x + 3 Ce 3 x − 3 Ce 3 x = 3 ex wstawiamy do równania

C0 = 3 e− 2 x

Z

Z

3

3

3

C =

3 e− 2 x d x = {t = − 2 x , d t = − 2 d x} =

− et d t = − et + D = − e− 2 x + D

2

2

2

Stąd:

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

2

1

1

y = √ =

3 z

q

3 − 3 ex + De 3 x

2

Odpowiedź:

1

y =

oraz y = 0

q

3 − 3 ex + De 3 x

2

3

4. Rozwiązać zrównanie

y000 − y0 = x + e 2 x Rozwiązanie:

Rozwiązujemy równanie liniowe jednorodne:

y000 − y0 = 0

r 3 − r = 0

równanie charakterystyczne

r( r − 1)( r + 1) = 0

r 1 = 0 , r 2 = 1 , r 3 = − 1

y = C 1 + C 2 ex + C 3 e−x rozwiązanie ogólne równania liniowego jednorodnego Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y000 − 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:

− 2 Ax − B = x

(

−

(

2 A = 1

A = − 1

= ⇒

2

−B = 0

B = 0

ys = − 1 x 2

2

Szukamy rozwiązania szczególnego równania niejednorodnego: y000 − y0 = e 2 x

Ponieważ r = 2 nie jest pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego, więc rozwią-

zanie szczególne przewidujemy w postaci:

ys = Ae 2 x

y0 = 2 Ae 2 x

s

y00 = 4 Ae 2 x

s

y000 = 8 Ae 2 x

s

Wstawiamy do równania:

8 Ae 2 x − 2 Ae 2 x = e 2 x = ⇒ 6 A = 1 = ⇒ A = 16

ys = 1 e 2 x

6

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

2

6

niejednorodnego

Odpowiedź:

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

6

4

5. Wyznaczyć obszar (zakres, przedział) zbiezności szeregu potęgowego

∞ ( x − 1) n

X

n 3 n

n=1

Rozwiązanie:

1

x 0 = 1 , an = n 3 n

Obliczamy:

q

1

1

ρ = lim n |an| = lim

√

=

n→∞

n→∞ 3 n n

3

1

R =

= 3

promień zbieżności szeregu

ρ

szereg jest zbieżny w przedziale: ( − 2 , 4) . Sprawdzamy zbieżność na końcach przedziału zbiezności:

Dla x = − 2 :

∞ ( − 2 − 1) n

∞ ( − 1) n

X

= X

n 3 n

n

n=1

n=1

Jast to szereg naprzemienny. Stosujemy kryteruim Leibniza.

1

lim

= 0

n→∞ n

1

1

<

, n = 1 , 2 , 3 , . . .

n + 1

n

∞ ( − 1) n

Z kryterium Leibniza wynika, że szereg X

jest zbieżny.

n

n=1

Dla x = 4 :

∞ (4 − 1) n

∞ 1

X

= X

n 3 n

n

n=1

n=1

Jast to szereg harmoniczny z α = 1 a więc rozbiezny.

Przedział zbieżności tego szeregu: < − 2 , 4) Odpowiedź:

< − 2 , 4)

5

6. Wyznaczyć szereg Fouriera funkcji:



π

dla −π < x < 0





f ( x) =

−π dla

0 < x < π





0

dla

x = 0

Jaką wartość przyjmuje suma tego szeregu dla argumentu x = 3 π ?

Rozwiązanie:

Funkcja f ( x) jest nieparzysta, więc an = 0 dla n = 0 , 1 , 2 , 3 . . .

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

1 Z

2 Z

2 cos nx π

2(cos nπ − 1)

2(( − 1) n − 1)

bn =

f ( x) sin nx d x =

−π sin nx d x =

=

=

π

π

π

n

0

nπ

nπ

−π

0

Korzystamy z parzystości funkcji podcałkowej: f ( x) sin nx .

Szereg Fouriera f ( x) jest więc następujący:

∞

∞ 2(( − 1) n − 1)

S( x) = X b

X

n sin nx =

sin nx

nπ

n=1

n=1

f ( π−) + f ( −π+)

−π + π

S(3 π) = S( π) =

=

= 0

2

2

Korzystamy z okresowości szeregu Fouriera.

6