Matematici speciale
Seminar 5
Martie 2017
ii
βExista vreo motivatie mai buna decat succesul ?.β
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
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 π₯(π‘) care este ofunctie de timpul π‘. Evident in mo-mentul in care saritorul se afla pe podavem π₯(0) = β100. 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 π esteconstanta. Astfel ca forta care ii im-pinge in jos corpul are valoarea ππ.
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 π½π£, undeπ½ este o constanta si π£ 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:
π(π₯) =
{0, daca π₯ β€ 0,
βππ₯, daca π₯ > 0.
Numarul π este constanta de elasticitate a corzii si reprezinta modul in carecoarda influenteaza ecuatia. E nevoie de o coarda cu o constanta π 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 ππ₯
β²β²care apasa asupra asupra corpului tau este data de:
π Β· π₯β²β²(π‘) = π Β· π + π(π₯(π‘)) β π½ Β· π₯β²(π‘)
Aici ππ este greutatea ta iar π₯β²
este viteza ta. Constanta π½ 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 π₯(π‘0) < 0 ecuatia devine:
π Β· π₯β²β²(π‘) = π Β· π β π½ Β· π₯β²(π‘)
si dupa punctul unde lungimea naturala a corzii se termina avem ecuatia:
2
π Β· π₯β²β²(π‘) = π Β· π β π Β· π₯(π‘) β π½ Β· π₯β²(π‘)
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
Ecuatii diferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:
π¦(π) + π1π¦(πβ1) + . . . + ππβ1π¦
β² + πππ¦ = 0
unde ππ β R, π = 1, π.
Algoritm:β se scrie polinomul caracteristic:
π(π) = ππ + π1ππβ1 . . . + ππβ1π + ππ
β se afla radacinile reale sau complexe ale ecuatiei caracteristice π(π) = 0.β pentru fiecare radacina se obtine un element al sistemului fundamental de
solutii conform tabelului:
Radacina Solutia generata
π = π πππ₯
π1 = π2 = . . . = ππ = π πππ₯, π₯πππ₯, π₯2πππ₯. . . , π₯πβ1πππ₯
π = πΌ + π½π, π = πΌβ π½π ππΌπ₯ sinπ½π₯, ππΌπ₯ cosπ½π₯
π1 = π2 = . . . = ππ = πΌ + π½π ππΌπ₯ sinπ½π₯, π₯ππΌπ₯ sinπ½π₯. . . , π₯πβ1ππΌπ₯ sinπ½π₯
ππ+1 = ππ+2 = . . . = π2π = πΌβ π½π ππΌπ₯ cosπ½π₯, π₯ππΌπ₯ cosπ½π₯. . . , π₯πβ1ππΌπ₯ cosπ½π₯
π = 0 1
π1 = π2 = . . . = ππ = 0 1, π₯, π₯2, . . . , π₯πβ1
β Solutia generala a ecuatiei liniare omogene este
π¦(π₯) = πΆ1 Β· π¦1(π₯) + πΆ2 Β· π¦2(π₯) + . . . + πΆπ Β· π¦π(π₯),
unde π¦1, π¦2, . . . , π¦π sunt cele π solutii liniar independente ale sistemului funda-mental de solutii.
Ecuatii diferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:
π¦(π) + π1π¦(πβ1) + . . . + ππβ1π¦
β² + πππ¦ = π(π₯)
Algoritm:β se determina solutia generala π¦(π₯) a ecuatiei omogene atasateβ solutia generala a ecuatiei neomogene este:
π¦(π₯) = π¦(π₯) + π¦π(π₯)
4
unde π¦π(π₯) este o solutie particulara a ecuatiei neomogene care se afla cumetoda variatiei constantelor:
β daca π¦(π₯) = πΆ1 Β· π¦1(π₯) + πΆ2 Β· π¦2(π₯) + . . . + πΆπ Β· π¦π(π₯) este solutia generalaa ecuatiei omogene atasate se cauta o solutie particulara de forma:
π¦π(π₯) = πΆ1(π₯) Β· π¦1(π₯) + πΆ2(π₯) Β· π¦2(π₯) + . . . + πΆπ(π₯) Β· π¦π(π₯)
β functiile πΆ1(π₯), πΆ2(π₯), . . . , πΆπ(π₯) se obtin rezolvand sistemul de mai josapoi integrand:β§βͺβͺβͺβͺβͺβͺβͺβͺβ¨βͺβͺβͺβͺβͺβͺβͺβͺβ©
πΆβ²
1(π₯) Β· π¦1 + πΆβ²
2(π₯) Β· π¦2 + . . . + πΆβ²
π(π₯) Β· π¦π = 0
πΆβ²
1(π₯) Β· π¦β²
1 + πΆβ²
2(π₯) Β· π¦β²
2 + . . . + πΆβ²
π(π₯) Β· π¦β²
π = 0
πΆβ²
1(π₯) Β· π¦β²β²
1 + πΆβ²
2(π₯) Β· π¦β²β²
2 + . . . + πΆβ²
π(π₯) Β· π¦β²β²
π = 0
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
πΆβ²
1(π₯) Β· π¦(πβ2)1 + πΆ
β²
2(π₯) Β· π¦(πβ2)2 + . . . + πΆ
β²
π(π₯) Β· π¦(πβ2)π = 0
πΆβ²
1(π₯) Β· π¦(πβ1)1 + πΆ
β²
2(π₯) Β· π¦(πβ1)2 + . . . + πΆ
β²
π(π₯) Β· π¦(πβ1)π = π(π₯)
β pentru anumite forme particulare ale lui π(π₯) putem sa construim directo solutie particulara π¦π(π₯) respectand urmatoarele reguli:
1. daca π(π₯) = ππΌπ₯ππ(π₯) unde ππ este un polinom de grad π iar πΌ nu esteo radacina a ecuatiei caracteristice atunci:
π¦π(π₯) = ππΌπ₯ππ(π₯)
unde ππ este un polinom de grad π ce trebuie determinat2. daca π(π₯) = ππΌπ₯ππ(π₯) iar πΌ este radacina multipla de ordinul π a ecuatiei
caracteristice atunci cautam:
π¦π(π₯) = π₯πππΌπ₯ππ(π₯)
3. daca π(π₯) = ππΌπ₯ [ππ(π₯) cosπ½π₯ + ππ sinπ½π₯] iar πΌ + ππ½ nu este radacinaa ecuatiei caracteristice atunci cautam:
π¦π(π₯) = ππΌπ₯ [π π(π₯) cosπ½π₯ + ππ(π₯) sinπ½π₯]
4. daca π(π₯) = ππΌπ₯ [ππ(π₯) cosπ½π₯ + ππ sinπ½π₯] iar πΌ + ππ½ este radacinamultipla de ordinul π a ecuatiei caracteristice atunci cautam:
π¦π(π₯) = π₯πππΌπ₯ [π π(π₯) cosπ½π₯ + ππ(π₯) sinπ½π₯]
5
Probleme rezolvate
Problema 1. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoareleecuatii diferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:
a) π¦ππ£ β 5π¦β²β² + 4π¦ = 0,
b) π¦β²β²β² β 6π¦β²β² + 12π¦β² β 8π¦ = 0,
c) π¦ππ£ + 5π¦β²β² + 4π¦ = 0.
Solutie: a) Pentru ecuatia omogena π¦ππ£ β 5π¦β²β² + 4π¦ = 0 scriem ecuatiacaracteristica
π4 β 5π2 + 4 = 0π2=π‘β π‘2 β 5π‘ + 4 = 0
β (π‘β 1) (π‘β 4) = 0
de unde rezulta
π2 = 1, π2 = 4 βπ1,2 = Β±1, π3,4 = Β±2.
Deoarece cele patru radacini sunt reale si diferite construim solutia generalaa ecuatiei de mai sus astfel
π¦ (π₯) = π1ππ₯ + π2π
βπ₯ + π3π2π₯ + π4π
β2π₯.
b) Scriem ecuatia caracteristica
π3 β 6π2 + 12π β 8 = 0 β (π β 2)(π2 β 4π + 4
)= 0
β (π β 2)3
= 0
In acest exemplu obtinem o radacina reala tripla ceea ce implica urmatoareaforma a solutiei generale pentru ecutia data
π¦ (π₯) = π1π2π₯ + π2π₯π
2π₯ + π3π₯2π2π₯ =
=(π1 + π2π₯ + π3π₯
2)π2π₯.
c) Pentru aceasta ecuatie π¦ππ£ + 5π¦β²β² + 4π¦ = 0 obtinem ecuatia caracteristica
π4 + 5π2 + 4 = 0π2=π‘β π‘2 + 5π‘ + 4 = 0
β (π‘ + 1) (π‘ + 4) = 0
de unde rezulta
π2 = β1, π2 = β4 βπ1,2 = Β±π, π3,4 = Β±2π.
6
Cele patru solutii gasite sunt diferite si complexe, deci vom avea urmatoareaforma a solutiei generale
π¦ (π₯) = π1 cosπ₯ + π2 sinπ₯ + π3 cos 2π₯ + π4 sin 2π₯.
Problema 2. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoareleecuatii diferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:
a) π¦β²β² β π¦β² β 2π¦ = 3π2π₯,
b) π¦β²β²β² + 2π¦β²β² β π¦β² β 2π¦ = 2 + ππ₯ + sinπ₯.
Solutie: a) Scriem ecuatia omogena π¦β²β²βπ¦β²β2π¦ = 0 la care Δ±i atasam ecuatiacaracteristica
π2 β π β 2 = 0 β(π β 2) (π + 1) = 0 β π1 = 2, π2 = β1.
Obtinem solutia ecuatiei omogene
π¦ (π₯) = π1π2π₯ + π2π
βπ₯.
Deoarece functia π (π₯) = 3π2π₯ are π = 2 solutie comuna cu una din radacinileecuatiei caracteristice (π1 = 2) rezulta urmatoarea forma de solutie particulara
π¦π (π₯) = π₯1 Β· π2π₯ Β· π.
Ecuatia neomogena data are ordinul maxim al derivatei doi, prin urmarevom calcula cele doua derivate pentru solutia particulara si avem
π¦β²π (π₯) = π (1 + 2π₯) π2π₯,
π¦β²β²π (π₯) = 4π (1 + π₯) π2π₯.
Inlocuim cele doua derivate Δ±n ecuatia neomogena si rezulta
4π (1 + π₯) π2π₯ β π (1 + 2π₯) π2π₯ β 2ππ₯π2π₯ = 3π2π₯ |: π2π₯ β
4π (1 + π₯) β π (1 + 2π₯) β 2ππ₯ = 3
β π = 1 β π¦π (π₯) = π₯π2π₯
Din cele de mai sus construim solutia generala a ecuatiei liniare neomogenecu coeficienti constanti
π¦ (π₯) = π¦ (π₯) + π¦π (π₯)
= π1π2π₯ + π2π
βπ₯ + π₯π2π₯.
b) Ecuatia omogena π¦β²β²β² + 2π¦β²β² β π¦β² β 2π¦ = 0 are ecuatia caracteristica
π3 + 2π2 β π β 2 = 0 β (π β 1) (π + 1) (π + 2) = 0
β π1 = 1, π2 = β1, π3 = β2,
7
de unde rezulta solutia ecuatiei omogene:
π¦ (π₯) = π1ππ₯ + π2π
βπ₯ + π3πβ2π₯.
Functia π (π₯) = 2 + ππ₯ + sinπ₯ ne da urmatoarele solutii
2 = 2 Β· π0Β·π₯ β π = 0
ππ₯ = π1Β·π₯ β π = 1
sinπ₯ = π0Β·π₯ sin (1 Β· π₯) β π = 0 Β± 1 Β· π.
Observam ca una din solutii (π = 1) se afla printre solutiile ecuatiei carac-teristice (π1 = 1), deci avem urmatoarea forma de solutie particulara
π¦π (π₯) = ππ₯ππ₯ + π + πΌ cosπ₯ + π½ sinπ₯.
In continuare vom calcula primele trei derivate ale solutiei particulare siavem
π¦β²π (π₯) = πππ₯ + ππ₯ππ₯ β πΌ sinπ₯ + π½ cosπ₯,
π¦β²β²π (π₯) = 2πππ₯ + ππ₯ππ₯ β πΌ cosπ₯β π½ sinπ₯,
π¦β²β²β²π (π₯) = 3πππ₯ + ππ₯ππ₯ + πΌ sinπ₯β π½ cosπ₯.
Dupa Δ±nlocuirea lor Δ±n ecuatia neomogena obtinem coeficientii
π =1
6, π = β1, π½ = β1
5, πΌ =
1
10,
de unde rezulta solutia particulara
π¦π (π₯) =1
6π₯ππ₯ β 1 +
1
10cosπ₯β 1
5sinπ₯,
iar solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienti constanti este
π¦ (π₯) = π¦ (π₯) + π¦π (π₯) =
= π1ππ₯ + π2π
βπ₯ + π3πβ2π₯ +
1
6π₯ππ₯ β 1 +
1
10cosπ₯β 1
5sinπ₯.
Problema 3. Rezolvati problema Cauchy:β§β¨β© π¦ππ£ β π¦ = π₯3 + π₯
π¦ (0) = π¦β² (0) = π¦β²β² (0) = π¦β²β²β² (0) = 0
Solutie: Pentru ecuatia omogena π¦ππ£ β π¦ = 0 avem ecuatia caracteristica
π4 β 1 = 0 β(π2 β 1
) (π2 + 1
)= 0 β (π β 1) (π + 1) (π β π) (π + π) = 0
de unde rezultaπ1 = 1, π2 = β1, π3 = π, π4 = βπ
8
si solutia ecuatiei omogene
π¦ (π₯) = π1ππ₯ + π2π
βπ₯ + π3 cosπ₯ + π4 sinπ₯.
Pentru functia π (π₯) = π₯3 + π₯ = π0Β·π₯(π₯3 + π₯
)observam ca 0 nu se afla
printre radacinile ecuatiei caracteristice, deci vom lua cea mai simpla formapentru solutia particulara:
π¦π (π₯) = ππ₯3 + ππ₯2 + ππ₯ + π
si calculam derivatele pana la ordinul patru:
π¦β²π (π₯) = 3ππ₯2 + 2ππ₯ + π,
π¦β²β²π (π₯) = 6ππ₯ + 2π, π¦β²β²β²π (π₯) = 6π, π¦ππ£ (π₯) = 0.
Inlocuind Δ±n ecuatia neomogena obtinem coeficientii
π = β1, π = 0, π = β1, π = 0
si solutia particulara
π¦π (π₯) = β1 Β· π₯3 + 0 Β· π₯2 β 1 Β· π₯ + 0
= βπ₯3 β π₯.
In concluzie avem solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienticonstanti
π¦ (π₯) = π¦ (π₯) + π¦π (π₯) =
= π1ππ₯ + π2π
βπ₯ + π3 cosπ₯ + π4 sinπ₯β π₯3 β π₯.
Pentru a rezolva problema Cauchy vom calcula valorea solutiei generale Δ±nπ₯0 = 0 si a derivatelor pana la ordinul trei Δ±n punctul π₯0 = 0 si avem:
π¦ (0) = π1 + π2 + π3,
π¦β² (π₯) = π1ππ₯ β π2π
βπ₯ β π3 sinπ₯ + π4 cosπ₯β 3π₯2 β 1 β π¦β² (0) = π1 β π2 + π4 β 1,
π¦β²β² (π₯) = π1ππ₯ + π2π
βπ₯ β π3 cosπ₯β π4 sinπ₯β 6π₯ β π¦β²β² (0) = π1 + π2 β π3,
π¦β²β²β² (π₯) = π1ππ₯ β π2π
βπ₯ + π3 sinπ₯β π4 cosπ₯β 6 β π¦β²β²β² (0) = π1 β π2 β π4 β 6.
Impunem conditiile
π¦ (0) = π¦β² (0) = π¦β²β² (0) = π¦β²β²β² (0) = 0
si rezulta sistemul β§βͺβͺβͺβͺβͺβͺβ¨βͺβͺβͺβͺβͺβͺβ©
π1 + π2 + π3 = 0
π1 β π2 + π4 = 1
π1 + π2 β π3 = 0
π1 β π2 β π4 = 6
de unde rezulta
π1 =7
4, π2 = β7
4, π3 = 0, π4 = β5
2.
9
In final obtinem solutia problemei Cauchy:
π¦ (π₯) =7
4ππ₯ β 7
4πβπ₯ β 5
2sinπ₯β π₯3 β π₯,
sau Δ±n mod echivalent:
π¦ (π₯) =7
2coshπ₯β 5
2sinπ₯β π₯3 β π₯.
10
Probleme propuse
Problema 1. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoarele ecuatiidiferentiale liniare omogene cu coeficienti constanti:
a) 64π¦(8) + 48π¦(6) + 12π¦(4) + π¦(2) = 0,
b) π¦ππ£ β 3π¦β²β²β² + 5π¦β²β² β 3π¦β² + 4π¦ = 0.
Problema 2. Sa se determine solutiile generale pentru urmatoarele ecuatiidiferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:
a) π¦β²β² β 4π¦β² + 4π¦ = 1 + ππ₯ + π2π₯,
b) π¦β²β² β π¦ = π₯ππ₯ sinπ₯,
c) π¦ππ£ β 4π¦β²β² = 1,
d) π¦β²β²β² β π¦β²β² = π₯.
11
12