Transcript
Page 1: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Matematici speciale

Seminar 5

Martie 2017

Page 2: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

ii

Page 3: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

โ€œExista vreo motivatie mai buna decat succesul ?.โ€

Ion Tiriac

5Ecuatii diferentiale liniare cu coeficienti

constanti

Bungee jumping

Bungee jumping sau saritura cu coarda elastica este unul dintre cele maispectaculoase sporturi extreme, o sfidare a gravitatiei care necesita mult curaj,experienta si rezistenta. Practicantul sare de la o inaltime de zeci de metri, fiindasigurat cu o coarda elastica fixata de glezna.

1

Page 4: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Sa presupunem ca cel care dorestesa faca bungee jumping alege un podaflat la o distanta de 174 m de apa.Are legata de picioare o coarda culungimea 100 m. Consideram po-zitia pana unde ajunge coarda prinsade pod ca fiind 0 si masuram pozi-tia picioarelor in timpul sariturii prinintermediul functiei ๐‘ฅ(๐‘ก) care este ofunctie de timpul ๐‘ก. Evident in mo-mentul in care saritorul se afla pe podavem ๐‘ฅ(0) = โˆ’100. Distanta cresteatunci cand e in cadere si deci vitezaeste pozitiva iar atunci cand e tras in-apoi de coarda viteza este negativa. Sestie ca acceleratia gravitationala ๐‘” esteconstanta. Astfel ca forta care ii im-pinge in jos corpul are valoarea ๐‘š๐‘”.

Atunci cand sari de pe pod forta de rezistenta a aerului creste proportionalcu viteza ta si reprezinta o forta de sens opus miscarii tale, de valoare ๐›ฝ๐‘ฃ, unde๐›ฝ este o constanta si ๐‘ฃ este viteza miscarii tale.

Conform legii lui Hooke referitoare la actiunea resorturilor coarda de bungeeva exercita o forta asupra saritorului proportionala cu distanta parcursa dincolode lungimea naturala a corzii. Astfel forta cu care coarda te impinge inapoi sepoate exprima ca:

๐‘(๐‘ฅ) =

{0, daca ๐‘ฅ โ‰ค 0,

โˆ’๐‘˜๐‘ฅ, daca ๐‘ฅ > 0.

Numarul ๐‘˜ este constanta de elasticitate a corzii si reprezinta modul in carecoarda influenteaza ecuatia. E nevoie de o coarda cu o constanta ๐‘˜ suficientde mare care sa il opreasca pe cel care sare inainte de a atinge apa dar nudintr-odata pentru a nu-l vatama. Prin urmare esti interesat sa afli distanta lacare vei cadea dincolo de lungimea naturala a corzii ca functie de constanta deelasticitate a corzii.

Pentru a afla asta trebuie sa rezolvi ecuatia diferentiala obtinuta din celespuse mai sus. Forta ๐‘š๐‘ฅ

โ€ฒโ€ฒcare apasa asupra asupra corpului tau este data de:

๐‘š ยท ๐‘ฅโ€ฒโ€ฒ(๐‘ก) = ๐‘š ยท ๐‘” + ๐‘(๐‘ฅ(๐‘ก)) โˆ’ ๐›ฝ ยท ๐‘ฅโ€ฒ(๐‘ก)

Aici ๐‘š๐‘” este greutatea ta iar ๐‘ฅโ€ฒ

este viteza ta. Constanta ๐›ฝ a fortei derezistenta a aerului depinde de multi factori, incluzand hainele pe care le porti.

Aceasta este o ecuatie neliniare dar ascunde doua ecuatii liniare in interiorulei. Cand ๐‘ฅ(๐‘ก0) < 0 ecuatia devine:

๐‘š ยท ๐‘ฅโ€ฒโ€ฒ(๐‘ก) = ๐‘š ยท ๐‘” โˆ’ ๐›ฝ ยท ๐‘ฅโ€ฒ(๐‘ก)

si dupa punctul unde lungimea naturala a corzii se termina avem ecuatia:

2

Page 5: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

๐‘š ยท ๐‘ฅโ€ฒโ€ฒ(๐‘ก) = ๐‘š ยท ๐‘” โˆ’ ๐‘˜ ยท ๐‘ฅ(๐‘ก) โˆ’ ๐›ฝ ยท ๐‘ฅโ€ฒ(๐‘ก)

Observatie: Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelareamatematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplupresupunerea ca forta de rezistenta a aerului este liniara se poate aplica doarvitezelor mici. Mai mult resorturile se pot comporta neliniar la oscilatii mariastfel ca legea lui Hooke este doar o aproximare. Nu-ti pune viata in pericolpentru o aproximare a unui tip care a trait acum 200 de ani !

3

Page 6: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Ecuatii diferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:

๐‘ฆ(๐‘›) + ๐‘Ž1๐‘ฆ(๐‘›โˆ’1) + . . . + ๐‘Ž๐‘›โˆ’1๐‘ฆ

โ€ฒ + ๐‘Ž๐‘›๐‘ฆ = 0

unde ๐‘Ž๐‘– โˆˆ R, ๐‘– = 1, ๐‘›.

Algoritm:โˆ™ se scrie polinomul caracteristic:

๐‘(๐œ†) = ๐œ†๐‘› + ๐‘Ž1๐œ†๐‘›โˆ’1 . . . + ๐‘Ž๐‘›โˆ’1๐œ† + ๐‘Ž๐‘›

โˆ™ se afla radacinile reale sau complexe ale ecuatiei caracteristice ๐‘(๐œ†) = 0.โˆ™ pentru fiecare radacina se obtine un element al sistemului fundamental de

solutii conform tabelului:

Radacina Solutia generata

๐œ† = ๐‘Ž ๐‘’๐‘Ž๐‘ฅ

๐œ†1 = ๐œ†2 = . . . = ๐œ†๐‘˜ = ๐‘Ž ๐‘’๐‘Ž๐‘ฅ, ๐‘ฅ๐‘’๐‘Ž๐‘ฅ, ๐‘ฅ2๐‘’๐‘Ž๐‘ฅ. . . , ๐‘ฅ๐‘˜โˆ’1๐‘’๐‘Ž๐‘ฅ

๐œ† = ๐›ผ + ๐›ฝ๐‘–, ๐œ† = ๐›ผโˆ’ ๐›ฝ๐‘– ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ sin๐›ฝ๐‘ฅ, ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ cos๐›ฝ๐‘ฅ

๐œ†1 = ๐œ†2 = . . . = ๐œ†๐‘˜ = ๐›ผ + ๐›ฝ๐‘– ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ sin๐›ฝ๐‘ฅ, ๐‘ฅ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ sin๐›ฝ๐‘ฅ. . . , ๐‘ฅ๐‘˜โˆ’1๐‘’๐›ผ๐‘ฅ sin๐›ฝ๐‘ฅ

๐œ†๐‘˜+1 = ๐œ†๐‘˜+2 = . . . = ๐œ†2๐‘˜ = ๐›ผโˆ’ ๐›ฝ๐‘– ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ cos๐›ฝ๐‘ฅ, ๐‘ฅ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ cos๐›ฝ๐‘ฅ. . . , ๐‘ฅ๐‘˜โˆ’1๐‘’๐›ผ๐‘ฅ cos๐›ฝ๐‘ฅ

๐œ† = 0 1

๐œ†1 = ๐œ†2 = . . . = ๐œ†๐‘˜ = 0 1, ๐‘ฅ, ๐‘ฅ2, . . . , ๐‘ฅ๐‘˜โˆ’1

โˆ™ Solutia generala a ecuatiei liniare omogene este

๐‘ฆ(๐‘ฅ) = ๐ถ1 ยท ๐‘ฆ1(๐‘ฅ) + ๐ถ2 ยท ๐‘ฆ2(๐‘ฅ) + . . . + ๐ถ๐‘› ยท ๐‘ฆ๐‘›(๐‘ฅ),

unde ๐‘ฆ1, ๐‘ฆ2, . . . , ๐‘ฆ๐‘› sunt cele ๐‘› solutii liniar independente ale sistemului funda-mental de solutii.

Ecuatii diferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:

๐‘ฆ(๐‘›) + ๐‘Ž1๐‘ฆ(๐‘›โˆ’1) + . . . + ๐‘Ž๐‘›โˆ’1๐‘ฆ

โ€ฒ + ๐‘Ž๐‘›๐‘ฆ = ๐‘“(๐‘ฅ)

Algoritm:โˆ™ se determina solutia generala ๐‘ฆ(๐‘ฅ) a ecuatiei omogene atasateโˆ™ solutia generala a ecuatiei neomogene este:

๐‘ฆ(๐‘ฅ) = ๐‘ฆ(๐‘ฅ) + ๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ)

4

Page 7: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

unde ๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) este o solutie particulara a ecuatiei neomogene care se afla cumetoda variatiei constantelor:

โˆ™ daca ๐‘ฆ(๐‘ฅ) = ๐ถ1 ยท ๐‘ฆ1(๐‘ฅ) + ๐ถ2 ยท ๐‘ฆ2(๐‘ฅ) + . . . + ๐ถ๐‘› ยท ๐‘ฆ๐‘›(๐‘ฅ) este solutia generalaa ecuatiei omogene atasate se cauta o solutie particulara de forma:

๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) = ๐ถ1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ1(๐‘ฅ) + ๐ถ2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ2(๐‘ฅ) + . . . + ๐ถ๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ๐‘›(๐‘ฅ)

โˆ™ functiile ๐ถ1(๐‘ฅ), ๐ถ2(๐‘ฅ), . . . , ๐ถ๐‘›(๐‘ฅ) se obtin rezolvand sistemul de mai josapoi integrand:โŽงโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽจโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽฉ

๐ถโ€ฒ

1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ1 + ๐ถโ€ฒ

2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ2 + . . . + ๐ถโ€ฒ

๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ๐‘› = 0

๐ถโ€ฒ

1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒ

1 + ๐ถโ€ฒ

2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒ

2 + . . . + ๐ถโ€ฒ

๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒ

๐‘› = 0

๐ถโ€ฒ

1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ

1 + ๐ถโ€ฒ

2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ

2 + . . . + ๐ถโ€ฒ

๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ

๐‘› = 0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

๐ถโ€ฒ

1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’2)1 + ๐ถ

โ€ฒ

2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’2)2 + . . . + ๐ถ

โ€ฒ

๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’2)๐‘› = 0

๐ถโ€ฒ

1(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’1)1 + ๐ถ

โ€ฒ

2(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’1)2 + . . . + ๐ถ

โ€ฒ

๐‘›(๐‘ฅ) ยท ๐‘ฆ(๐‘›โˆ’1)๐‘› = ๐‘“(๐‘ฅ)

โˆ™ pentru anumite forme particulare ale lui ๐‘“(๐‘ฅ) putem sa construim directo solutie particulara ๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) respectand urmatoarele reguli:

1. daca ๐‘“(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ๐‘ƒ๐‘š(๐‘ฅ) unde ๐‘ƒ๐‘š este un polinom de grad ๐‘š iar ๐›ผ nu esteo radacina a ecuatiei caracteristice atunci:

๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ๐‘„๐‘š(๐‘ฅ)

unde ๐‘„๐‘š este un polinom de grad ๐‘š ce trebuie determinat2. daca ๐‘“(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ๐‘ƒ๐‘š(๐‘ฅ) iar ๐›ผ este radacina multipla de ordinul ๐‘˜ a ecuatiei

caracteristice atunci cautam:

๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) = ๐‘ฅ๐‘˜๐‘’๐›ผ๐‘ฅ๐‘„๐‘š(๐‘ฅ)

3. daca ๐‘“(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ [๐‘ƒ๐‘š(๐‘ฅ) cos๐›ฝ๐‘ฅ + ๐‘„๐‘š sin๐›ฝ๐‘ฅ] iar ๐›ผ + ๐‘–๐›ฝ nu este radacinaa ecuatiei caracteristice atunci cautam:

๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ [๐‘…๐‘š(๐‘ฅ) cos๐›ฝ๐‘ฅ + ๐‘†๐‘š(๐‘ฅ) sin๐›ฝ๐‘ฅ]

4. daca ๐‘“(๐‘ฅ) = ๐‘’๐›ผ๐‘ฅ [๐‘ƒ๐‘š(๐‘ฅ) cos๐›ฝ๐‘ฅ + ๐‘„๐‘š sin๐›ฝ๐‘ฅ] iar ๐›ผ + ๐‘–๐›ฝ este radacinamultipla de ordinul ๐‘˜ a ecuatiei caracteristice atunci cautam:

๐‘ฆ๐‘(๐‘ฅ) = ๐‘ฅ๐‘˜๐‘’๐›ผ๐‘ฅ [๐‘…๐‘š(๐‘ฅ) cos๐›ฝ๐‘ฅ + ๐‘†๐‘š(๐‘ฅ) sin๐›ฝ๐‘ฅ]

5

Page 8: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Probleme rezolvate

Problema 1. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoareleecuatii diferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:

a) ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ 5๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 0,

b) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ โˆ’ 6๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ + 12๐‘ฆโ€ฒ โˆ’ 8๐‘ฆ = 0,

c) ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ + 5๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 0.

Solutie: a) Pentru ecuatia omogena ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ 5๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 0 scriem ecuatiacaracteristica

๐‘Ÿ4 โˆ’ 5๐‘Ÿ2 + 4 = 0๐‘Ÿ2=๐‘กโ‡’ ๐‘ก2 โˆ’ 5๐‘ก + 4 = 0

โ‡’ (๐‘กโˆ’ 1) (๐‘กโˆ’ 4) = 0

de unde rezulta

๐‘Ÿ2 = 1, ๐‘Ÿ2 = 4 โ‡”๐‘Ÿ1,2 = ยฑ1, ๐‘Ÿ3,4 = ยฑ2.

Deoarece cele patru radacini sunt reale si diferite construim solutia generalaa ecuatiei de mai sus astfel

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3๐‘’2๐‘ฅ + ๐‘4๐‘’

โˆ’2๐‘ฅ.

b) Scriem ecuatia caracteristica

๐‘Ÿ3 โˆ’ 6๐‘Ÿ2 + 12๐‘Ÿ โˆ’ 8 = 0 โ‡” (๐‘Ÿ โˆ’ 2)(๐‘Ÿ2 โˆ’ 4๐‘Ÿ + 4

)= 0

โ‡” (๐‘Ÿ โˆ’ 2)3

= 0

In acest exemplu obtinem o radacina reala tripla ceea ce implica urmatoareaforma a solutiei generale pentru ecutia data

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’2๐‘ฅ + ๐‘2๐‘ฅ๐‘’

2๐‘ฅ + ๐‘3๐‘ฅ2๐‘’2๐‘ฅ =

=(๐‘1 + ๐‘2๐‘ฅ + ๐‘3๐‘ฅ

2)๐‘’2๐‘ฅ.

c) Pentru aceasta ecuatie ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ + 5๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 0 obtinem ecuatia caracteristica

๐‘Ÿ4 + 5๐‘Ÿ2 + 4 = 0๐‘Ÿ2=๐‘กโ‡’ ๐‘ก2 + 5๐‘ก + 4 = 0

โ‡’ (๐‘ก + 1) (๐‘ก + 4) = 0

de unde rezulta

๐‘Ÿ2 = โˆ’1, ๐‘Ÿ2 = โˆ’4 โ‡”๐‘Ÿ1,2 = ยฑ๐‘–, ๐‘Ÿ3,4 = ยฑ2๐‘–.

6

Page 9: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Cele patru solutii gasite sunt diferite si complexe, deci vom avea urmatoareaforma a solutiei generale

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1 cos๐‘ฅ + ๐‘2 sin๐‘ฅ + ๐‘3 cos 2๐‘ฅ + ๐‘4 sin 2๐‘ฅ.

Problema 2. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoareleecuatii diferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:

a) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ ๐‘ฆโ€ฒ โˆ’ 2๐‘ฆ = 3๐‘’2๐‘ฅ,

b) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ + 2๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ ๐‘ฆโ€ฒ โˆ’ 2๐‘ฆ = 2 + ๐‘’๐‘ฅ + sin๐‘ฅ.

Solutie: a) Scriem ecuatia omogena ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโˆ’๐‘ฆโ€ฒโˆ’2๐‘ฆ = 0 la care ฤฑi atasam ecuatiacaracteristica

๐‘Ÿ2 โˆ’ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 = 0 โ‡”(๐‘Ÿ โˆ’ 2) (๐‘Ÿ + 1) = 0 โ‡’ ๐‘Ÿ1 = 2, ๐‘Ÿ2 = โˆ’1.

Obtinem solutia ecuatiei omogene

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’2๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ.

Deoarece functia ๐‘“ (๐‘ฅ) = 3๐‘’2๐‘ฅ are ๐‘Ÿ = 2 solutie comuna cu una din radacinileecuatiei caracteristice (๐‘Ÿ1 = 2) rezulta urmatoarea forma de solutie particulara

๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘ฅ1 ยท ๐‘’2๐‘ฅ ยท ๐‘.

Ecuatia neomogena data are ordinul maxim al derivatei doi, prin urmarevom calcula cele doua derivate pentru solutia particulara si avem

๐‘ฆโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘ (1 + 2๐‘ฅ) ๐‘’2๐‘ฅ,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 4๐‘ (1 + ๐‘ฅ) ๐‘’2๐‘ฅ.

Inlocuim cele doua derivate ฤฑn ecuatia neomogena si rezulta

4๐‘ (1 + ๐‘ฅ) ๐‘’2๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ (1 + 2๐‘ฅ) ๐‘’2๐‘ฅ โˆ’ 2๐‘๐‘ฅ๐‘’2๐‘ฅ = 3๐‘’2๐‘ฅ |: ๐‘’2๐‘ฅ โ‡”

4๐‘ (1 + ๐‘ฅ) โˆ’ ๐‘ (1 + 2๐‘ฅ) โˆ’ 2๐‘๐‘ฅ = 3

โ‡’ ๐‘ = 1 โ‡’ ๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘ฅ๐‘’2๐‘ฅ

Din cele de mai sus construim solutia generala a ecuatiei liniare neomogenecu coeficienti constanti

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘ฆ (๐‘ฅ) + ๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ)

= ๐‘1๐‘’2๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘ฅ๐‘’2๐‘ฅ.

b) Ecuatia omogena ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ + 2๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ ๐‘ฆโ€ฒ โˆ’ 2๐‘ฆ = 0 are ecuatia caracteristica

๐‘Ÿ3 + 2๐‘Ÿ2 โˆ’ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 = 0 โ‡” (๐‘Ÿ โˆ’ 1) (๐‘Ÿ + 1) (๐‘Ÿ + 2) = 0

โ‡’ ๐‘Ÿ1 = 1, ๐‘Ÿ2 = โˆ’1, ๐‘Ÿ3 = โˆ’2,

7

Page 10: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

de unde rezulta solutia ecuatiei omogene:

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3๐‘’โˆ’2๐‘ฅ.

Functia ๐‘“ (๐‘ฅ) = 2 + ๐‘’๐‘ฅ + sin๐‘ฅ ne da urmatoarele solutii

2 = 2 ยท ๐‘’0ยท๐‘ฅ โ‡’ ๐‘Ÿ = 0

๐‘’๐‘ฅ = ๐‘’1ยท๐‘ฅ โ‡’ ๐‘Ÿ = 1

sin๐‘ฅ = ๐‘’0ยท๐‘ฅ sin (1 ยท ๐‘ฅ) โ‡’ ๐‘Ÿ = 0 ยฑ 1 ยท ๐‘–.

Observam ca una din solutii (๐‘Ÿ = 1) se afla printre solutiile ecuatiei carac-teristice (๐‘Ÿ1 = 1), deci avem urmatoarea forma de solutie particulara

๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ + ๐‘Ž + ๐›ผ cos๐‘ฅ + ๐›ฝ sin๐‘ฅ.

In continuare vom calcula primele trei derivate ale solutiei particulare siavem

๐‘ฆโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘๐‘’๐‘ฅ + ๐‘๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ โˆ’ ๐›ผ sin๐‘ฅ + ๐›ฝ cos๐‘ฅ,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 2๐‘๐‘’๐‘ฅ + ๐‘๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ โˆ’ ๐›ผ cos๐‘ฅโˆ’ ๐›ฝ sin๐‘ฅ,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 3๐‘๐‘’๐‘ฅ + ๐‘๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ + ๐›ผ sin๐‘ฅโˆ’ ๐›ฝ cos๐‘ฅ.

Dupa ฤฑnlocuirea lor ฤฑn ecuatia neomogena obtinem coeficientii

๐‘ =1

6, ๐‘Ž = โˆ’1, ๐›ฝ = โˆ’1

5, ๐›ผ =

1

10,

de unde rezulta solutia particulara

๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) =1

6๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ โˆ’ 1 +

1

10cos๐‘ฅโˆ’ 1

5sin๐‘ฅ,

iar solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienti constanti este

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘ฆ (๐‘ฅ) + ๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) =

= ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3๐‘’โˆ’2๐‘ฅ +

1

6๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ โˆ’ 1 +

1

10cos๐‘ฅโˆ’ 1

5sin๐‘ฅ.

Problema 3. Rezolvati problema Cauchy:โŽงโŽจโŽฉ ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ ๐‘ฆ = ๐‘ฅ3 + ๐‘ฅ

๐‘ฆ (0) = ๐‘ฆโ€ฒ (0) = ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ (0) = ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ (0) = 0

Solutie: Pentru ecuatia omogena ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ ๐‘ฆ = 0 avem ecuatia caracteristica

๐‘Ÿ4 โˆ’ 1 = 0 โ‡”(๐‘Ÿ2 โˆ’ 1

) (๐‘Ÿ2 + 1

)= 0 โ‡” (๐‘Ÿ โˆ’ 1) (๐‘Ÿ + 1) (๐‘Ÿ โˆ’ ๐‘–) (๐‘Ÿ + ๐‘–) = 0

de unde rezulta๐‘Ÿ1 = 1, ๐‘Ÿ2 = โˆ’1, ๐‘Ÿ3 = ๐‘–, ๐‘Ÿ4 = โˆ’๐‘–

8

Page 11: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

si solutia ecuatiei omogene

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3 cos๐‘ฅ + ๐‘4 sin๐‘ฅ.

Pentru functia ๐‘“ (๐‘ฅ) = ๐‘ฅ3 + ๐‘ฅ = ๐‘’0ยท๐‘ฅ(๐‘ฅ3 + ๐‘ฅ

)observam ca 0 nu se afla

printre radacinile ecuatiei caracteristice, deci vom lua cea mai simpla formapentru solutia particulara:

๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) = ๐‘Ž๐‘ฅ3 + ๐‘๐‘ฅ2 + ๐‘๐‘ฅ + ๐‘‘

si calculam derivatele pana la ordinul patru:

๐‘ฆโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 3๐‘Ž๐‘ฅ2 + 2๐‘๐‘ฅ + ๐‘,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 6๐‘Ž๐‘ฅ + 2๐‘, ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ๐‘ (๐‘ฅ) = 6๐‘Ž, ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ (๐‘ฅ) = 0.

Inlocuind ฤฑn ecuatia neomogena obtinem coeficientii

๐‘Ž = โˆ’1, ๐‘ = 0, ๐‘ = โˆ’1, ๐‘‘ = 0

si solutia particulara

๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) = โˆ’1 ยท ๐‘ฅ3 + 0 ยท ๐‘ฅ2 โˆ’ 1 ยท ๐‘ฅ + 0

= โˆ’๐‘ฅ3 โˆ’ ๐‘ฅ.

In concluzie avem solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienticonstanti

๐‘ฆ (๐‘ฅ) = ๐‘ฆ (๐‘ฅ) + ๐‘ฆ๐‘ (๐‘ฅ) =

= ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3 cos๐‘ฅ + ๐‘4 sin๐‘ฅโˆ’ ๐‘ฅ3 โˆ’ ๐‘ฅ.

Pentru a rezolva problema Cauchy vom calcula valorea solutiei generale ฤฑn๐‘ฅ0 = 0 si a derivatelor pana la ordinul trei ฤฑn punctul ๐‘ฅ0 = 0 si avem:

๐‘ฆ (0) = ๐‘1 + ๐‘2 + ๐‘3,

๐‘ฆโ€ฒ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ โˆ’ ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ โˆ’ ๐‘3 sin๐‘ฅ + ๐‘4 cos๐‘ฅโˆ’ 3๐‘ฅ2 โˆ’ 1 โ‡’ ๐‘ฆโ€ฒ (0) = ๐‘1 โˆ’ ๐‘2 + ๐‘4 โˆ’ 1,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ + ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ โˆ’ ๐‘3 cos๐‘ฅโˆ’ ๐‘4 sin๐‘ฅโˆ’ 6๐‘ฅ โ‡’ ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ (0) = ๐‘1 + ๐‘2 โˆ’ ๐‘3,

๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ (๐‘ฅ) = ๐‘1๐‘’๐‘ฅ โˆ’ ๐‘2๐‘’

โˆ’๐‘ฅ + ๐‘3 sin๐‘ฅโˆ’ ๐‘4 cos๐‘ฅโˆ’ 6 โ‡’ ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ (0) = ๐‘1 โˆ’ ๐‘2 โˆ’ ๐‘4 โˆ’ 6.

Impunem conditiile

๐‘ฆ (0) = ๐‘ฆโ€ฒ (0) = ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ (0) = ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ (0) = 0

si rezulta sistemul โŽงโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽจโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽชโŽฉ

๐‘1 + ๐‘2 + ๐‘3 = 0

๐‘1 โˆ’ ๐‘2 + ๐‘4 = 1

๐‘1 + ๐‘2 โˆ’ ๐‘3 = 0

๐‘1 โˆ’ ๐‘2 โˆ’ ๐‘4 = 6

de unde rezulta

๐‘1 =7

4, ๐‘2 = โˆ’7

4, ๐‘3 = 0, ๐‘4 = โˆ’5

2.

9

Page 12: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

In final obtinem solutia problemei Cauchy:

๐‘ฆ (๐‘ฅ) =7

4๐‘’๐‘ฅ โˆ’ 7

4๐‘’โˆ’๐‘ฅ โˆ’ 5

2sin๐‘ฅโˆ’ ๐‘ฅ3 โˆ’ ๐‘ฅ,

sau ฤฑn mod echivalent:

๐‘ฆ (๐‘ฅ) =7

2cosh๐‘ฅโˆ’ 5

2sin๐‘ฅโˆ’ ๐‘ฅ3 โˆ’ ๐‘ฅ.

10

Page 13: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

Probleme propuse

Problema 1. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoarele ecuatiidiferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:

a) 64๐‘ฆ(8) + 48๐‘ฆ(6) + 12๐‘ฆ(4) + ๐‘ฆ(2) = 0,

b) ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ 3๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ + 5๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ 3๐‘ฆโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 0.

Problema 2. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoarele ecuatiidiferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:

a) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ 4๐‘ฆโ€ฒ + 4๐‘ฆ = 1 + ๐‘’๐‘ฅ + ๐‘’2๐‘ฅ,

b) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ โˆ’ ๐‘ฆ = ๐‘ฅ๐‘’๐‘ฅ sin๐‘ฅ,

c) ๐‘ฆ๐‘–๐‘ฃ โˆ’ 4๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ = 1,

d) ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒโ€ฒ โˆ’ ๐‘ฆโ€ฒโ€ฒ = ๐‘ฅ.

11

Page 14: Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos !! Toata modelarea matematica de mai sus este doar o aproximare a situatiei reale. De exemplu

12


Top Related