Egzamin z Równań Różniczkowych, 28 VI 2010 godz. 12.00

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

1. Wielomian charakterystyczny równania różniczkowego liniowego jednorod-y = C 1 + C 2 x +

nego o stałych współczynnikach rzeczywistych ma następujące pierwiastki: C 3 cos 2 x+ C 4 sin 2 x r 1 = r 2 = 0 , r 3 = 2 i , r 4 = − 2 i . Wyznaczyć całkę ogólną tego równania.

Rozwiązanie:

r 1 = r 2 = 0 = ⇒ y 1 = 1 , y 2 = x r = ± 2 i = ⇒ y 3 = cos 2 x , y 4 = sin 2 x y = C 1 + C 2 x + C 3 cos 2 x + C 4 sin 2 x Całka ogólna

2. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego

y 2 + 2 y = x 2

(

x d x + ( y + 1) d y = 0

y(0) = 0

Rozwiązanie:

( y + 1) d y = −x d x = ⇒ 1 y 2 + y = 1 x 2 + C

rozdzielamy zmienne

2

2

y(0) = 0 = ⇒ 0 + 0 = 0 + C = ⇒ C = 0

∞ 2 n + 3 n

7

3. Wyznaczyć sumę szeregu X

6 n

2

n=0

Rozwiązanie:

∞ 2 n + 3 n

∞

∞

1 n

1 n

1

1

7

X

= X

+ X

=

+

=

6 n

3

2

1 − 1

1 − 1

2

n=0

n=0

n=0

3

2

Korzystamy ze wzoru na sumę szeregu geometrycznego 4. Wyznaczyć płaszczyznę normalną do krzywej o równaniu: z = 0

−

→

r ( t) = [cos3 t , sin3 t , cos t] dla t = π 2

Rozwiązanie:

−

→

r ( π ) = [0 , 1 , 0]

2

˙

−

→

r ( t) = [ − 3 cos2 t sin t , 3 sin2 t cos t , − sin t]

,

˙

−

→

r ( π ) = [0 , 0 , − 1]

2

0 · x + 0 · y − 1 · z + D = 0

płaszczyzna normalna

Punkt P (0 , 1 , 0) leży na płaszczyźnie = ⇒ D = 0

5. Dla jakiej wartości parametru p ∈ R suma szeregu Fouriera funkcji: 0

(

2 dla x ∈ [ −π, − 1] ∪ [1 , π]

f ( x) =

px 2 dla x ∈ ( − 1 , 1) w punkcie x = 1 przyjmie wartość równą 1 ?

Rozwiązanie:

f (1 −) + f (1+)

p + 2

S(1) =

=

2

2

p + 2 = 1 = ⇒ p = 0

2

1

2. Sprawdzić, czy funkcje 1 , x , sin 2 x , cos 2 x są liniowo niezależne dla x ∈ R

Rozwiązanie:

Wyznacznik Wrońskiego:

y

1

y 2

y 3

y 4

y0

y0

y0

y0

W ( x) =

1

2

3

4

y00

y00

y00

y00

1

2

3

4

y000 y000 y000 y000

1

2

3

4

y 1 = 1 , y0 = 0 , y00 = 0 , y000 = 0

1

1

1

y 2 = x , y0 = 1 , y00 = 0 , y000 = 0

2

2

2

y 3 = sin 2 x , y0 = 2 cos 2 x , y00 = − 4 sin 2 x , y000 = − 8 cos 2 x 3

3

3

y 4 = cos 2 x , y0 = − 2 sin 2 x , y00 = − 4 cos 2 x , y000 = 8 sin 2 x 4

4

4

Obliczamy:

1 0

0

1

1

2

0

0 1

2

0

W (0) =

= { Rozwinięcie Laplace’a wzgl. pierwszej kolumny } = 0

0 − 4 =

0 0

0 − 4

0 − 8

0

0 0 − 8

0

− 32 6= 0

Ponieważ wyzncznik Wrońskiego jest różny od zera, więc funkcje są liniowo neizależne.

Odpowiedź:

Funkcje są liniowo niezależne.

2

3. Rozwiązać układ równań:



d x



= 2 e 3 t − y







d t







d y







= e 3 t − x

d t

Rozwiązanie:

y = 2 e 3 t − x0

z pierwszego równania

y0 = 6 e 3 t − x00

6 e 3 t − x00 = e 3 t − x podstawiamy do drugiego równania

x00 − x = 5 e 3 t

Równanie liniowe jednorodne:

x00 − x = 0

r 2 − 1 = 0

r 1 = 1 , r 2 = − 1

x = C 1 et + C 2 e−t Przewidujemy rozwiązanie szczególne równania liniowego niejednorodnego: xs = Ae 3 t

x0 = 3 Ae 3 t

s

x00 = 9 Ae 3 t

s

9 Ae 3 t − Ae 3 t = 5 e 3 t A = 58

xs = 5 e 3 t

8

Rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego: x = C 1 et + C 2 e−t + 5 e 3 t 8

x0 = C 1 et − C 2 e−t + 15 e 3 t 8

y = 2 e 3 t − C 1 et − C 2 e−t + 15 e 3 t = −C

e 3 t

8

1 et + C 2 e−t + 1

8

Odpowiedź:

x = C 1 et + C 2 e−t + 5 e 3 t 8

y = −C 1 et + C 2 e−t + 1 e 3 t 8

3

4. Rozwiązać zagadnienie Cauchy’ego (

y0 + y = ex

x

y(1) = 1

Rozwiązanie:

Jest to równanie liniowe

y0 + y = 0

równanie liniowe jednorodne

x

d y

1

= −

d x

rozdzielamy zmienne

y

x

Z

d y

Z

1

= −

d x

całkujemy

y

x

ln |y| = − ln |x| + C

C

y =

rozwiązanie ogólne równannia liniowego jednorodnego x

C( x)

y =

uzmienniamy stałą

x

C0 · x − C

y =

x 2

C0·x−C + C = ex

x 2

x 2

C0 = xex

Z

Z

Z

C =

xex d x =

x ex 0 d x = xex −

ex d x = xex − ex + D

(całkujemy przez części)

xex − ex + D

y =

x

Podstawiamy warunek początkowy x = 1 , y = 1 : 1 = D

Stąd:

xex − ex + 1

y =

x

Odpowiedź:

xex − ex + 1

y =

x

4

5. Wyznaczyć przedział zbieżności szeregu:

∞

1

X

(1 − 2 x) n

3 n + 4 n

n=1

Rozwiązanie:

Przekształcamy:

∞

1

∞

( − 2) n

1

X

n

(1 − 2 x) n = X

x −

3 n + 4 n

3 n + 4 n

2

n=1

n=1

Mamy:

( − 2) n

an = 3 n + 4 n

a

( − 2) n+1

3 n + 4 n

3 n + 4 n

q

n+1

= lim

= lim

·

= lim 2 ·

=

n→∞ a

n→∞

n→∞

n

3 n+1 + 4 n+1

( − 2) n

3 n+1 + 4 n+1

3 n

1

+ 1

1

lim

·

4

=

n→∞ 2

3 n+1 + 1

2

4

Promień zbieżności szeregu jest równy:

1

R =

= 2

q

Środek przedziału zbieżności x 0 = 1 , więc szereg jest zbieżny dla x ∈ ( − 3 , 5 ) , a 2

2

2

rozbieżny dla x ∈ ( −∞ , − 3 ) ∪ ( 5 , ∞) 2

2

Badamy zbieżność na końcach przedziału:

Dla x = − 3 :

2

∞

( − 2) n

3

1

∞

4 n

X

n

− −

= X

3 n + 4 n

2

2

3 n + 4 n

n=1

n=1

Badamy warunkek konieczny:

4 n

1

lim an = lim

= lim

= 1 6= 0

n→∞

n→∞ 3 n + 4 n

n→∞ 3 n + 1

4

Warunek konieczny nie jest spełniony, a więc szereg jest rozbieżny dla x = − 3 .

2

Dla x = 5 :

2

Warunek konieczny również nie jest spełniony, a więc szereg jest rozbieżny.

Odpowiedź:

Przedział zbieżności: ( − 3 , 5 ) 2

2

5

6. Rozwinąć w szereg Fouriera funkcję: (

x

dla

x ∈ ( −π , π)

f ( x) =

0

dla

x ∈ {−π , π}

Wyznaczyć i narysować funkcję f , która jest sumą szeregu.

Rozwiązanie:

Funkcję f jest nieparzysta, więc współczynniki an = 0 dla n = 0 , 1 , 2 , 3 , . . . .

Dla n = 1 , 2 , 3 . . .

π

π

π

1 Z

2 Z

2 Z

− cos nx 0

bn =

f ( x) sin nx d x =

x sin nx d x =

x

d x =

π

π

π

n

−π

0

0

π

2 −x cos nx π Z cos nx

2 −π cos nπ

sin nx π

− 2 cos nπ

− 2( − 1) n

+

d x

=

+

=

=

π

n

0

n

π

n

n 2

0

n

n

0

Szereg Fouriera jest więc następujący:

∞

S( x) = X bn sin nx n=1

∞ − 2( − 1) n

S( x) = X

sin nx

n

n=1

Szereg ten jest zbieżny do funkcji f na zbiorze: < −π, π > ponieważ funkcja spełnia warunki Dirichleta.

6