Egzamin z Równań Różniczkowych, 26 VI 2007, godz. 12.00

1. Rozwiązać układ równań różniczkowych





 ˙

y + 9 x = 0



 ˙ x − y = 0



 y(0) = 0



 x(0) = 1

Rozwiązanie:

Z równania drugiego

y = ˙ x

Po zróżniczkowaniu

˙ y = ¨

x

Podstawiamy do równania pierwszego

¨

x + 9 x = 0

Równanie charakterystyczne

r 2 + 9 = 0

Pierwiastki równania charakterystycznego

r 1 = 3 i , r 2 = − 3 i Rozwiązanie ogólne

x = C 1 cos 3 t + C 2 sin 3 t y = − 3 C 1 sin 2 t + 3 C 2 cos 2 t Podstawiamy t = 0 , x = 1 , y = 0

( C 1 = 1

3 C 2 = 0

Stąd C 2 = 0

A więc rozwiązanie układu:

( x = cos3 t

y = − 3 sin 2 t

2. Rozwiązać równanie różniczkowe obniżając najpierw jego rząd 3 y00 + y0 4 = 0

Rozwiązanie

Podstawiamy

y0 = p( x)

Wtedy

y00 = p0

Podstawiamy

3 p0 + p 4 = 0

Jest to rówanie rzędu pierwszego o zmiennych rozdzielających się. Rozdzielamy zmienne d p

3

= −p 4

d x

d p

3

= − d x

p 4

Całkujemy obie strony

Z d p

Z

3

= −

d x

p 4

1

−

= −x + C

p 3

1

1

p = √

3 x + C 1

Rozwiązujemy równanie

1

y0 = √

3 x + C 1

Z

1

3 q

2

y =

√

d x =

3 x + C

+ C

3 x + C

1

2

1

2

3. Rozwiązać równanie różniczkowe

y000 + 8 y = 4 e− 2 x Rozwiązanie:

Rozwiązujemy najpierw równanie liniowe jednorodne: y000 + 8 y = 0

Szukamy pierwiastków równania charakterystycznego: r 3 + 8 = 0

Znajdujemy pierwiastek r = − 2

( r + 2)( r 2 − 2 r + 4) = 0

∆ = − 12

√

√

r 1 = − 2 , r 2 = 1 − 3 i , r 2 = 1 + 3 i Rozwiązanie ogólne równania jednorodnego:

√

√

y = C 1 e− 2 x + C 2 ex cos 3 x + C 3 ex sin 3 x Szukamy rozwiązania szczególnego równania liniowego niejednorodnego metodą przewidy-wań

ys = Axe− 2 x

y0 = Ae− 2 x − 2 Axe− 2 x s

y00 = − 2 Ae− 2 x − 2 Ae− 2 x + 4 Axe− 2 x = 4 Axe− 2 x − 4 Ae− 2 x s

y000 = 4 Ae− 2 x − 8 Axe− 2 x + 8 Ae− 2 x = − 8 Axe− 2 x + 12 Ae− 2 x s

Po podstawieniu do równania:

12 Ae− 2 x = 4 e− 2 x Czyli A = 13

A więc rozwiązanie szczególne:

ys = 1 xe− 2 x

3

Rozwiaznie ogólne równania jest więc równe:

√

√

y = C 1 e− 2 x + C 2 ex cos 3 x + C 3 ex sin 3 x + 1 xe− 2 x 3

4. Wyznaczyć wzór i dziedzinę funkcji

∞

P

f ( x) =

xn

n

1

Rozwiązanie:

Liczymy pochodną:

∞

P

∞

P

∞

P

f 0( x) = (

xn ) 0 = ( xn ) 0 =

xn− 1 = 1

n

n

1 −x

1

1

1

Promień zbieżności tego szeregu jest równy 1.

Stąd

R

f ( x) =

1

d x = − ln | 1 − x| + C

1 −x

Aby znaleźć stałą C podstawiamy x = 0

f (0) = 0 = C

Czyli

f ( x) = − ln | 1 − x|

Badamy zbiezność szeregu na brzegach:

Dla x = − 1

− 1 + 1 − 1 + 1 − 1 + . . .

2

3

4

5

an = ( − 1) n 1 n Jest to szereg naprzemienny,

lim 1 = 0

n→∞ n

Ciąg 1 jest malejący, a więc szereg jest zbieżny.

n

Dla x = 1

1 + 1 + 1 + 1 + 1 + . . .

2

3

4

5

Jest to szereg harmoniczny rozbieżny.

A więc zakres zbieżności szeregu czyli dziedzina funkcji f ( x) jest równa < − 1 , 1) 1

Z

√

5. Całkę I =

cos x d x zapisać w postaci szeregu liczbowego 0

∞

X

I =

an

n=1

Wskazówka: skorzystać z szeregu potęgowego Maclaurina funkcji cos x Rozwiązanie:

x 2

x 4

x 6

x 8

cos x = 1 −

+

−

+

+ . . . , x ∈ ( −∞, ∞) 2!

4!

6!

8!

√

Podstawiamy zmiast x ,

x

√

x

x 2

x 3

x 4

cos x = 1 −

+

−

+

+ . . . , x ∈< 0 , ∞) 2!

4!

6!

8!

1

Z

√

1

Z

1

1

1

x

x 2

x 3

x 4

Z

Z x

Z x 2

I =

cos x d x =

(1 −

+

−

+

+ . . . ) d x =

d x −

d x +

d x −

2!

4!

6!

8!

2!

4!

0

0

0

0

0

1

Z

1

"

#

"

#

"

#

"

#

x 3

Z x 4

x 2

1

x 3

1

x 4

1

x 5

1

d x +

d x + · · · = [ x]1 −

+

−

+

+ · · · =

6!

8!

0

2 · 2!

3 · 4!

4 · 6!

5 · 8!

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

−

+

−

+

+ . . .

1!

2 · 2!

3 · 4!

4 · 6!

5 · 8!

Zapisując szereg w innej postaci:

∞

X

( − 1) n+1

I =

(2 n + 1)(2 n)!

n=1

6. Funkcja f ( x) jest okresową o okresie T = 4, przy czym: ( 4 dla − 1 < x < 1

f ( x) =

0 dla − 2 < x < − 1 ∪ 1 < x < 2

Narysować tę funkcje na przedziale ( − 3 , 8) oraz wyznaczyć szereg Fouriera tej funkcji.

Rozwiązanie:

Wyznaczamy szereg Fouriera tej funkcji na przedziale < − 2 , 2 > Funkcja jest parzysta, więc współczynniki bn = 0 dla n = 1 , 2 , 3 , . . . .

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

T

2

2

2

2 Z

2 π

1 Z

nxπ

Z

nxπ

an =

f ( x) cos nx

d x =

f ( x) cos

d x =

f ( x) cos

d x =

T

T

2

2

2

T

− 2

0

− 2

1

Z

"

#

nxπ

sin nπx 1

8 sin nπ

4 cos

d x = 4 2

2

=

2

2

nπ

nπ

0

0

1

Z

a 0 =

4 d x = 4

0

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

∞

X

nπx

f ( x) = a 0 +

a

2

n cos

2

n=1

∞

X 8 sin nπ

nπx

f ( x) = 2 +

2 cos

nπ

2

n=1