Übungsaufgaben Mathematik 3 MST Lösung zu Blatt 4 Differentialgleichungen

Transkript

1 Übngsafgaben Mathematik MST Lösng z Blatt 4 Differentialgleichngen Prof. Dr. B.Grabowski Z Afgabe ) Lösen Sie folgende Differentialgleichngen nd Anfangswertprobleme drch mehrfaches Integrieren nach y(x) af! a) '' = x y e + x +, y(0)=0, y (0)= b) y = 4sin(x) Lösng: Z a) y x integrieren ergibt die allgemeine Lösng y allg (x) der Dgl y =e -x +x+: y' = y' ' dx = ( e + x + ) dx = e + x + x +, R () y ( x) = y' dx = ( e + x + x + ) dx = e + x + x + x +, R () al lg, Wie lösen nn das Anfangswertproblem, indem wir die Lösng as der allgemeinen Lösng herasschen, welche die AB y(0=)0 nd y (0)= erfüllt: Lat () ist y(0)= + =! 0 = - Lat () ist y (0) = + = = 0 Somit latet die Lösng nseres Anfangswertproblems: ( ) = x y x e + x + x Z b) x integrieren von y (x) ergibt die allgemeine Lösng y allg (x) der Dgl. y = 4sin(x) : 4 y ''( x) = y' '' dx = sin(x) dx = cos(x) + y '( x) = y'' dx = ( cos(x) + ) dx = sin(x) + x + y al lg ( x) = y' dx = ( sin(x) + x + = cos(x) + x + x +, 6 ) dx,, R

2 Z Afgabe ) Geben Sie jeweils eine einzige spezielle Lösng y(x) folgender Differentialgleichngen an! Hinweis: Überlegen Sie sich daz znächst, welchen Typ diese spezielle Lösng hat (Polynom, Schwingng, e-fnktion sw.), machen Sie daz einen entsprechenden parametrischen Ansatz für y(x), d.h. eine Ansatz, der noch von nbekannten Parametern abhängt nd bestimmen Sie diese Parameter drch Einsetzen Ihres Ansatzes in die Dgl.! a) y '' + 6y' + 0y = x b) y +6y = x c) y -y = sin(5x) d) y (x) = y(x) e) y - y = Z a) Wir machen einen geeigneten Ansatz für y(x), so dass der Typ der Fnktion af der LS der Dgl mit dem Typ (gerade) der rechten Seite übereinstimmt: Wir setzen also für y(x) ach eine Gerade an: Ansatz: y(x) = ax+b Zr Berechnng der nbekannten Parameter a nd b setzten wir y(x) in die Diffgl. ein nd machen einen Koeffizientenvergleich mit der rechten Seite: y(x) = ax+b y (x) =a nd y (x) = 0 y + 6y + 0y = x 6a+0ax+0b = x (6a + 0b) + 0a x = x (6a + 0b) = 0 nd 0 a = 6 a =, b = 0 00 Also ist eine spezielle Lösng der Dgl. die Gerade y (x) = 6 x. 0 00

3 Z b) Wir bestimmen eine spezielle Lösng der inhomogenen Differentialgleichng y +6y = x. Daz machen wir znächst einen geeigneten Ansatz: Wir müssen, damit die Fnktionstypen der linken nd der rechten Seite übereinstimmen, ein Polynom. Grades ansetzen: y(x) = ax +bx+c y (x) =a x +b nd y (x) = a y + 6y = x a+6ax + 6b = x (a + 6b) = 0 nd 6a = a =, b = 6 6 (c ist beliebig wählbar, z.b. c=0). Eine spezielle Lösng der gegebenen inhomogenen Diff.gleichng latet folglich: y(x) = x 6 6 x Z c) Hier würde der Lösngsansatz passen: y(x) = a sin(5x) (af der LS nd der RS steht dann jeweils der Fnktionstyp sins ) Zr Berechnng der Unbekannten Konstanten a setzen wir y(x) in die Diffgl. ein nd machen einen Koeffizientenvergleich mit der rechten Seite: y(x) =a sin(5x) y (x) = 5a cos(5x) nd y (x) = - 5a sin(5x) y -y = sin(5x) -5 a sin(5x) a sin(5x) = sin(5x) -8 a sin(5x) = sin(5x) -8a = a = 4 Eine spezielle Lösng der gegebenen inhomogenen Diff.gleichng latet folglich: y(x) = - 4 sin(5x)

4 Z d) Die Differentialgleichng y (x) = y(x) wird offensichtlich von einer e-fnktion erfüllt. Wir machen deshalb den Ansatz : y(x) = a e bx, a 0, b 0. Zr Berechnng der Unbekannten a nd b setzen wir y(x) in die Diffgl. ein nd machen einen Koeffizientenvergleich mit der rechten Seite: y(x) = a e bx y (x) = ab e bx nd y (x) = ab e bx y = y ab e bx = a e bx / : ae bx b = b = oder b = (a beliebig ngleich 0, z.b. a=) Damit löst z.b. die folgende Fnktion die Dgl: y = y: y ( x) = x e Z e) Wir müssen, damit die Fnktionstypen der linken nd der rechten Seite der Dgl. y y = übereinstimmen, eine Konstante ansetzen: y(x) = a y (x) = 0 y - y = - a= a= - Eine spezielle Lösng der gegebenen Diff.gleichng latet folglich: y(x) = - für alle reellen x-werte. 4

5 Z Afgabe ) In folgendem R--Stromkreis (Tiefpass) sind der Wiederstand R, die Kapazität nd die angelegte Spannng a (t) bekannt. Gescht ist der Spannngsverlaf c (t) am Kondensator! a) Stellen Sie eine Differentialgleichng. Ordnng für (t) af, die aßer der Kondensatorspannng (t) nd ihrer ersten Ableitng nr noch die gegebenen Größen R,, a (t) enthält! (Hinweis: Schreiben Sie sich znächst alle in der o.g. Masche geltenden Gesetze af: Maschengleichng für die Spannngen, Baelementegleichngen (Ohmsches Gesetz, Kondensatorgleichng) für Wiederstand nd Kondensator nd bringen sie diese Gleichngen in die geschte Beziehng!) b) Lösen Sie die in a) erhaltenen Differentialgleichng nach (t) für folgendes Anfangswertproblem: Der Kondensator ist zr Zeit t=0 afgeladen, d.h. (0) = Uo, nd es wird eine keine Spannng angelegt, d.h. a (t) = 0. Skizzieren Sie den Verlaf der erhaltenen Spannngskrve (t). Lösng : Z a) Wir schreiben znächst alles af, was wir z dieser Masche wissen : Es gilt : Maschenregel: R + = a () (Smme der Spannngen in einer Masche =0, Richtng beachten!) Ohm sches Gesetz: = R i( t) () R i( t) dt Kondensatorgleichng : = bzw. ɺ = i( t) () Nn stellen wir daras eine Gleichng af, die nr noch die geschten nd gegebenen Größen R,, a (t) nd (t) enthält : In Gleichng () stört R (t). R (t) kann man aber wegen () nd () drch die Größen R, nd (t) darstellen. Wir setzen daz die Gleichng () in () ein nd erhalten R = R ɺ (4) Setzen wir (4) in () ein, so erhalten wir die geschte Beziehng, die eine Differentialgleichng. Ordnng in (t) darstellt : R ɺ + = a 5

6 Z b) Z lösen ist die Dgl : R ɺ + = 0 mit der Anfangsbedingng (0) = Uo Wir bestimmen znächst die allgemeine Lösng der Dgl. Diese Dgl. kann man wie folgt afschreiben: ɺ =. R Lösngen dieser Dgl. Sind offensichtlich vom Typ her nr e-fnktionen. Wir machen deshalb den Ansatz : Bt = Ae, nd bestimmen A nd B, indem wir diesen Ansatz in die Dgl. Einsetzen nd daras die möglichen Werte für A nd B ermitteln. Wir erhalten als Ergebnis dieses Vorgehens: Die Dgl. ɺ = wird drch alle Fnktionen des Typs : R = Ae t R, A R, gelöst. As dieser allgemeinen Lösng bestimmen wir nn diejenige, die die Anfangsbedingng Uc(0) = Uo erfüllt. Es ist 0 R ( 0 = Ae = A= U! o Demzfolge ist die Spannngskrve am Kondensator die folgende Fnktion : = U 0 e t R Skizze : 6