+ All Categories
Home > Documents > Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos...

Matematici speciale Seminar 5 · PDF fileObservatie:Sa stii putina matematica este periculos...

Date post: 06-Feb-2018
Category:
Upload: trinhtruc
View: 228 times
Download: 3 times
Share this document with a friend
14
Matematici speciale Seminar 5 Martie 2017
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

β€œExista vreo motivatie mai buna decat succesul ?.”

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 π‘₯(𝑑) care este ofunctie de timpul 𝑑. Evident in mo-mentul in care saritorul se afla pe podavem π‘₯(0) = βˆ’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 𝑔 esteconstanta. Astfel ca forta care ii im-pinge in jos corpul are valoarea π‘šπ‘”.

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 𝛽𝑣, unde𝛽 este o constanta si 𝑣 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:

𝑏(π‘₯) =

{0, daca π‘₯ ≀ 0,

βˆ’π‘˜π‘₯, 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 π‘šπ‘₯

β€²β€²care apasa asupra asupra corpului tau este data de:

π‘š Β· π‘₯β€²β€²(𝑑) = π‘š Β· 𝑔 + 𝑏(π‘₯(𝑑)) βˆ’ 𝛽 Β· π‘₯β€²(𝑑)

Aici π‘šπ‘” este greutatea ta iar π‘₯β€²

este viteza ta. Constanta 𝛽 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‘₯(𝑑0) < 0 ecuatia devine:

π‘š Β· π‘₯β€²β€²(𝑑) = π‘š Β· 𝑔 βˆ’ 𝛽 Β· π‘₯β€²(𝑑)

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

π‘š Β· π‘₯β€²β€²(𝑑) = π‘š Β· 𝑔 βˆ’ π‘˜ Β· π‘₯(𝑑) βˆ’ 𝛽 Β· π‘₯β€²(𝑑)

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:

𝑦(𝑛) + π‘Ž1𝑦(π‘›βˆ’1) + . . . + π‘Žπ‘›βˆ’1𝑦

β€² + π‘Žπ‘›π‘¦ = 0

unde π‘Žπ‘– ∈ R, 𝑖 = 1, 𝑛.

Algoritm:βˆ™ se scrie polinomul caracteristic:

𝑝(πœ†) = πœ†π‘› + π‘Ž1πœ†π‘›βˆ’1 . . . + π‘Žπ‘›βˆ’1πœ† + π‘Žπ‘›

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

solutii conform tabelului:

Radacina Solutia generata

πœ† = π‘Ž π‘’π‘Žπ‘₯

πœ†1 = πœ†2 = . . . = πœ†π‘˜ = π‘Ž π‘’π‘Žπ‘₯, π‘₯π‘’π‘Žπ‘₯, π‘₯2π‘’π‘Žπ‘₯. . . , π‘₯π‘˜βˆ’1π‘’π‘Žπ‘₯

πœ† = 𝛼 + 𝛽𝑖, πœ† = π›Όβˆ’ 𝛽𝑖 𝑒𝛼π‘₯ sin𝛽π‘₯, 𝑒𝛼π‘₯ cos𝛽π‘₯

πœ†1 = πœ†2 = . . . = πœ†π‘˜ = 𝛼 + 𝛽𝑖 𝑒𝛼π‘₯ sin𝛽π‘₯, π‘₯𝑒𝛼π‘₯ sin𝛽π‘₯. . . , π‘₯π‘˜βˆ’1𝑒𝛼π‘₯ sin𝛽π‘₯

πœ†π‘˜+1 = πœ†π‘˜+2 = . . . = πœ†2π‘˜ = π›Όβˆ’ 𝛽𝑖 𝑒𝛼π‘₯ cos𝛽π‘₯, π‘₯𝑒𝛼π‘₯ cos𝛽π‘₯. . . , π‘₯π‘˜βˆ’1𝑒𝛼π‘₯ cos𝛽π‘₯

πœ† = 0 1

πœ†1 = πœ†2 = . . . = πœ†π‘˜ = 0 1, π‘₯, π‘₯2, . . . , π‘₯π‘˜βˆ’1

βˆ™ Solutia generala a ecuatiei liniare omogene este

𝑦(π‘₯) = 𝐢1 Β· 𝑦1(π‘₯) + 𝐢2 Β· 𝑦2(π‘₯) + . . . + 𝐢𝑛 Β· 𝑦𝑛(π‘₯),

unde 𝑦1, 𝑦2, . . . , 𝑦𝑛 sunt cele 𝑛 solutii liniar independente ale sistemului funda-mental de solutii.

Ecuatii diferentiale liniare neomogene cu coeficienti constanti:

𝑦(𝑛) + π‘Ž1𝑦(π‘›βˆ’1) + . . . + π‘Žπ‘›βˆ’1𝑦

β€² + π‘Žπ‘›π‘¦ = 𝑓(π‘₯)

Algoritm:βˆ™ se determina solutia generala 𝑦(π‘₯) a ecuatiei omogene atasateβˆ™ solutia generala a ecuatiei neomogene este:

𝑦(π‘₯) = 𝑦(π‘₯) + 𝑦𝑝(π‘₯)

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 𝑦𝑝(π‘₯) este o solutie particulara a ecuatiei neomogene care se afla cumetoda variatiei constantelor:

βˆ™ daca 𝑦(π‘₯) = 𝐢1 Β· 𝑦1(π‘₯) + 𝐢2 Β· 𝑦2(π‘₯) + . . . + 𝐢𝑛 Β· 𝑦𝑛(π‘₯) este solutia generalaa ecuatiei omogene atasate se cauta o solutie particulara de forma:

𝑦𝑝(π‘₯) = 𝐢1(π‘₯) Β· 𝑦1(π‘₯) + 𝐢2(π‘₯) Β· 𝑦2(π‘₯) + . . . + 𝐢𝑛(π‘₯) Β· 𝑦𝑛(π‘₯)

βˆ™ functiile 𝐢1(π‘₯), 𝐢2(π‘₯), . . . , 𝐢𝑛(π‘₯) se obtin rezolvand sistemul de mai josapoi integrand:⎧βŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺ⎨βŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺ⎩

𝐢′

1(π‘₯) Β· 𝑦1 + 𝐢′

2(π‘₯) Β· 𝑦2 + . . . + 𝐢′

𝑛(π‘₯) Β· 𝑦𝑛 = 0

𝐢′

1(π‘₯) Β· 𝑦′

1 + 𝐢′

2(π‘₯) Β· 𝑦′

2 + . . . + 𝐢′

𝑛(π‘₯) Β· 𝑦′

𝑛 = 0

𝐢′

1(π‘₯) Β· 𝑦′′

1 + 𝐢′

2(π‘₯) Β· 𝑦′′

2 + . . . + 𝐢′

𝑛(π‘₯) Β· 𝑦′′

𝑛 = 0

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

𝐢′

1(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’2)1 + 𝐢

β€²

2(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’2)2 + . . . + 𝐢

β€²

𝑛(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’2)𝑛 = 0

𝐢′

1(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’1)1 + 𝐢

β€²

2(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’1)2 + . . . + 𝐢

β€²

𝑛(π‘₯) Β· 𝑦(π‘›βˆ’1)𝑛 = 𝑓(π‘₯)

βˆ™ pentru anumite forme particulare ale lui 𝑓(π‘₯) putem sa construim directo solutie particulara 𝑦𝑝(π‘₯) respectand urmatoarele reguli:

1. daca 𝑓(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯π‘ƒπ‘š(π‘₯) unde π‘ƒπ‘š este un polinom de grad π‘š iar 𝛼 nu esteo radacina a ecuatiei caracteristice atunci:

𝑦𝑝(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯π‘„π‘š(π‘₯)

unde π‘„π‘š este un polinom de grad π‘š ce trebuie determinat2. daca 𝑓(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯π‘ƒπ‘š(π‘₯) iar 𝛼 este radacina multipla de ordinul π‘˜ a ecuatiei

caracteristice atunci cautam:

𝑦𝑝(π‘₯) = π‘₯π‘˜π‘’π›Όπ‘₯π‘„π‘š(π‘₯)

3. daca 𝑓(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯ [π‘ƒπ‘š(π‘₯) cos𝛽π‘₯ + π‘„π‘š sin𝛽π‘₯] iar 𝛼 + 𝑖𝛽 nu este radacinaa ecuatiei caracteristice atunci cautam:

𝑦𝑝(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯ [π‘…π‘š(π‘₯) cos𝛽π‘₯ + π‘†π‘š(π‘₯) sin𝛽π‘₯]

4. daca 𝑓(π‘₯) = 𝑒𝛼π‘₯ [π‘ƒπ‘š(π‘₯) cos𝛽π‘₯ + π‘„π‘š sin𝛽π‘₯] iar 𝛼 + 𝑖𝛽 este radacinamultipla de ordinul π‘˜ a ecuatiei caracteristice atunci cautam:

𝑦𝑝(π‘₯) = π‘₯π‘˜π‘’π›Όπ‘₯ [π‘…π‘š(π‘₯) cos𝛽π‘₯ + π‘†π‘š(π‘₯) sin𝛽π‘₯]

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) 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 5𝑦′′ + 4𝑦 = 0,

b) 𝑦′′′ βˆ’ 6𝑦′′ + 12𝑦′ βˆ’ 8𝑦 = 0,

c) 𝑦𝑖𝑣 + 5𝑦′′ + 4𝑦 = 0.

Solutie: a) Pentru ecuatia omogena 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 5𝑦′′ + 4𝑦 = 0 scriem ecuatiacaracteristica

π‘Ÿ4 βˆ’ 5π‘Ÿ2 + 4 = 0π‘Ÿ2=𝑑⇒ 𝑑2 βˆ’ 5𝑑 + 4 = 0

β‡’ (π‘‘βˆ’ 1) (π‘‘βˆ’ 4) = 0

de unde rezulta

π‘Ÿ2 = 1, π‘Ÿ2 = 4 β‡”π‘Ÿ1,2 = Β±1, π‘Ÿ3,4 = Β±2.

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

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3𝑒2π‘₯ + 𝑐4𝑒

βˆ’2π‘₯.

b) Scriem ecuatia caracteristica

π‘Ÿ3 βˆ’ 6π‘Ÿ2 + 12π‘Ÿ βˆ’ 8 = 0 ⇔ (π‘Ÿ βˆ’ 2)(π‘Ÿ2 βˆ’ 4π‘Ÿ + 4

)= 0

⇔ (π‘Ÿ βˆ’ 2)3

= 0

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

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1𝑒2π‘₯ + 𝑐2π‘₯𝑒

2π‘₯ + 𝑐3π‘₯2𝑒2π‘₯ =

=(𝑐1 + 𝑐2π‘₯ + 𝑐3π‘₯

2)𝑒2π‘₯.

c) Pentru aceasta ecuatie 𝑦𝑖𝑣 + 5𝑦′′ + 4𝑦 = 0 obtinem ecuatia caracteristica

π‘Ÿ4 + 5π‘Ÿ2 + 4 = 0π‘Ÿ2=𝑑⇒ 𝑑2 + 5𝑑 + 4 = 0

β‡’ (𝑑 + 1) (𝑑 + 4) = 0

de unde rezulta

π‘Ÿ2 = βˆ’1, π‘Ÿ2 = βˆ’4 β‡”π‘Ÿ1,2 = ±𝑖, π‘Ÿ3,4 = Β±2𝑖.

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

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1 cosπ‘₯ + 𝑐2 sinπ‘₯ + 𝑐3 cos 2π‘₯ + 𝑐4 sin 2π‘₯.

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

a) 𝑦′′ βˆ’ 𝑦′ βˆ’ 2𝑦 = 3𝑒2π‘₯,

b) 𝑦′′′ + 2𝑦′′ βˆ’ 𝑦′ βˆ’ 2𝑦 = 2 + 𝑒π‘₯ + sinπ‘₯.

Solutie: a) Scriem ecuatia omogena π‘¦β€²β€²βˆ’π‘¦β€²βˆ’2𝑦 = 0 la care Δ±i atasam ecuatiacaracteristica

π‘Ÿ2 βˆ’ π‘Ÿ βˆ’ 2 = 0 ⇔(π‘Ÿ βˆ’ 2) (π‘Ÿ + 1) = 0 β‡’ π‘Ÿ1 = 2, π‘Ÿ2 = βˆ’1.

Obtinem solutia ecuatiei omogene

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1𝑒2π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯.

Deoarece functia 𝑓 (π‘₯) = 3𝑒2π‘₯ are π‘Ÿ = 2 solutie comuna cu una din radacinileecuatiei caracteristice (π‘Ÿ1 = 2) rezulta urmatoarea forma de solutie particulara

𝑦𝑝 (π‘₯) = π‘₯1 Β· 𝑒2π‘₯ Β· 𝑐.

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

𝑦′𝑝 (π‘₯) = 𝑐 (1 + 2π‘₯) 𝑒2π‘₯,

𝑦′′𝑝 (π‘₯) = 4𝑐 (1 + π‘₯) 𝑒2π‘₯.

Inlocuim cele doua derivate Δ±n ecuatia neomogena si rezulta

4𝑐 (1 + π‘₯) 𝑒2π‘₯ βˆ’ 𝑐 (1 + 2π‘₯) 𝑒2π‘₯ βˆ’ 2𝑐π‘₯𝑒2π‘₯ = 3𝑒2π‘₯ |: 𝑒2π‘₯ ⇔

4𝑐 (1 + π‘₯) βˆ’ 𝑐 (1 + 2π‘₯) βˆ’ 2𝑐π‘₯ = 3

β‡’ 𝑐 = 1 β‡’ 𝑦𝑝 (π‘₯) = π‘₯𝑒2π‘₯

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

𝑦 (π‘₯) = 𝑦 (π‘₯) + 𝑦𝑝 (π‘₯)

= 𝑐1𝑒2π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + π‘₯𝑒2π‘₯.

b) Ecuatia omogena 𝑦′′′ + 2𝑦′′ βˆ’ 𝑦′ βˆ’ 2𝑦 = 0 are ecuatia caracteristica

π‘Ÿ3 + 2π‘Ÿ2 βˆ’ π‘Ÿ βˆ’ 2 = 0 ⇔ (π‘Ÿ βˆ’ 1) (π‘Ÿ + 1) (π‘Ÿ + 2) = 0

β‡’ π‘Ÿ1 = 1, π‘Ÿ2 = βˆ’1, π‘Ÿ3 = βˆ’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:

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3π‘’βˆ’2π‘₯.

Functia 𝑓 (π‘₯) = 2 + 𝑒π‘₯ + sinπ‘₯ ne da urmatoarele solutii

2 = 2 Β· 𝑒0Β·π‘₯ β‡’ π‘Ÿ = 0

𝑒π‘₯ = 𝑒1Β·π‘₯ β‡’ π‘Ÿ = 1

sinπ‘₯ = 𝑒0Β·π‘₯ sin (1 Β· π‘₯) β‡’ π‘Ÿ = 0 Β± 1 Β· 𝑖.

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

𝑦𝑝 (π‘₯) = 𝑐π‘₯𝑒π‘₯ + π‘Ž + 𝛼 cosπ‘₯ + 𝛽 sinπ‘₯.

In continuare vom calcula primele trei derivate ale solutiei particulare siavem

𝑦′𝑝 (π‘₯) = 𝑐𝑒π‘₯ + 𝑐π‘₯𝑒π‘₯ βˆ’ 𝛼 sinπ‘₯ + 𝛽 cosπ‘₯,

𝑦′′𝑝 (π‘₯) = 2𝑐𝑒π‘₯ + 𝑐π‘₯𝑒π‘₯ βˆ’ 𝛼 cosπ‘₯βˆ’ 𝛽 sinπ‘₯,

𝑦′′′𝑝 (π‘₯) = 3𝑐𝑒π‘₯ + 𝑐π‘₯𝑒π‘₯ + 𝛼 sinπ‘₯βˆ’ 𝛽 cosπ‘₯.

Dupa Δ±nlocuirea lor Δ±n ecuatia neomogena obtinem coeficientii

𝑐 =1

6, π‘Ž = βˆ’1, 𝛽 = βˆ’1

5, 𝛼 =

1

10,

de unde rezulta solutia particulara

𝑦𝑝 (π‘₯) =1

6π‘₯𝑒π‘₯ βˆ’ 1 +

1

10cosπ‘₯βˆ’ 1

5sinπ‘₯,

iar solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienti constanti este

𝑦 (π‘₯) = 𝑦 (π‘₯) + 𝑦𝑝 (π‘₯) =

= 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3π‘’βˆ’2π‘₯ +

1

6π‘₯𝑒π‘₯ βˆ’ 1 +

1

10cosπ‘₯βˆ’ 1

5sinπ‘₯.

Problema 3. Rezolvati problema Cauchy:⎧⎨⎩ 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 𝑦 = π‘₯3 + π‘₯

𝑦 (0) = 𝑦′ (0) = 𝑦′′ (0) = 𝑦′′′ (0) = 0

Solutie: Pentru ecuatia omogena 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 𝑦 = 0 avem ecuatia caracteristica

π‘Ÿ4 βˆ’ 1 = 0 ⇔(π‘Ÿ2 βˆ’ 1

) (π‘Ÿ2 + 1

)= 0 ⇔ (π‘Ÿ βˆ’ 1) (π‘Ÿ + 1) (π‘Ÿ βˆ’ 𝑖) (π‘Ÿ + 𝑖) = 0

de unde rezultaπ‘Ÿ1 = 1, π‘Ÿ2 = βˆ’1, π‘Ÿ3 = 𝑖, π‘Ÿ4 = βˆ’π‘–

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

𝑦 (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3 cosπ‘₯ + 𝑐4 sinπ‘₯.

Pentru functia 𝑓 (π‘₯) = π‘₯3 + π‘₯ = 𝑒0Β·π‘₯(π‘₯3 + π‘₯

)observam ca 0 nu se afla

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

𝑦𝑝 (π‘₯) = π‘Žπ‘₯3 + 𝑏π‘₯2 + 𝑐π‘₯ + 𝑑

si calculam derivatele pana la ordinul patru:

𝑦′𝑝 (π‘₯) = 3π‘Žπ‘₯2 + 2𝑏π‘₯ + 𝑐,

𝑦′′𝑝 (π‘₯) = 6π‘Žπ‘₯ + 2𝑏, 𝑦′′′𝑝 (π‘₯) = 6π‘Ž, 𝑦𝑖𝑣 (π‘₯) = 0.

Inlocuind Δ±n ecuatia neomogena obtinem coeficientii

π‘Ž = βˆ’1, 𝑏 = 0, 𝑐 = βˆ’1, 𝑑 = 0

si solutia particulara

𝑦𝑝 (π‘₯) = βˆ’1 Β· π‘₯3 + 0 Β· π‘₯2 βˆ’ 1 Β· π‘₯ + 0

= βˆ’π‘₯3 βˆ’ π‘₯.

In concluzie avem solutia generala a ecuatiei liniare neomogene cu coeficienticonstanti

𝑦 (π‘₯) = 𝑦 (π‘₯) + 𝑦𝑝 (π‘₯) =

= 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3 cosπ‘₯ + 𝑐4 sinπ‘₯βˆ’ π‘₯3 βˆ’ 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:

𝑦 (0) = 𝑐1 + 𝑐2 + 𝑐3,

𝑦′ (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ βˆ’ 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ βˆ’ 𝑐3 sinπ‘₯ + 𝑐4 cosπ‘₯βˆ’ 3π‘₯2 βˆ’ 1 β‡’ 𝑦′ (0) = 𝑐1 βˆ’ 𝑐2 + 𝑐4 βˆ’ 1,

𝑦′′ (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ + 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ βˆ’ 𝑐3 cosπ‘₯βˆ’ 𝑐4 sinπ‘₯βˆ’ 6π‘₯ β‡’ 𝑦′′ (0) = 𝑐1 + 𝑐2 βˆ’ 𝑐3,

𝑦′′′ (π‘₯) = 𝑐1𝑒π‘₯ βˆ’ 𝑐2𝑒

βˆ’π‘₯ + 𝑐3 sinπ‘₯βˆ’ 𝑐4 cosπ‘₯βˆ’ 6 β‡’ 𝑦′′′ (0) = 𝑐1 βˆ’ 𝑐2 βˆ’ 𝑐4 βˆ’ 6.

Impunem conditiile

𝑦 (0) = 𝑦′ (0) = 𝑦′′ (0) = 𝑦′′′ (0) = 0

si rezulta sistemul ⎧βŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺ⎨βŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺβŽͺ⎩

𝑐1 + 𝑐2 + 𝑐3 = 0

𝑐1 βˆ’ 𝑐2 + 𝑐4 = 1

𝑐1 + 𝑐2 βˆ’ 𝑐3 = 0

𝑐1 βˆ’ 𝑐2 βˆ’ 𝑐4 = 6

de unde rezulta

𝑐1 =7

4, 𝑐2 = βˆ’7

4, 𝑐3 = 0, 𝑐4 = βˆ’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:

𝑦 (π‘₯) =7

4𝑒π‘₯ βˆ’ 7

4π‘’βˆ’π‘₯ βˆ’ 5

2sinπ‘₯βˆ’ π‘₯3 βˆ’ π‘₯,

sau Δ±n mod echivalent:

𝑦 (π‘₯) =7

2coshπ‘₯βˆ’ 5

2sinπ‘₯βˆ’ π‘₯3 βˆ’ π‘₯.

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) 64𝑦(8) + 48𝑦(6) + 12𝑦(4) + 𝑦(2) = 0,

b) 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 3𝑦′′′ + 5𝑦′′ βˆ’ 3𝑦′ + 4𝑦 = 0.

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

a) 𝑦′′ βˆ’ 4𝑦′ + 4𝑦 = 1 + 𝑒π‘₯ + 𝑒2π‘₯,

b) 𝑦′′ βˆ’ 𝑦 = π‘₯𝑒π‘₯ sinπ‘₯,

c) 𝑦𝑖𝑣 βˆ’ 4𝑦′′ = 1,

d) 𝑦′′′ βˆ’ 𝑦′′ = π‘₯.

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


Recommended