Mathematics · الكتاب 3 · Bachelor Year 1

الرياضيات الجامعية — السنة 1

الرياضيات الجامعية — السنة 1 · Bachelor Year 1

5المعادلات التفاضلية الخطية

قُوبلت المعادلات التفاضلية أول مرة في مجلد الثانوية، وتُعالَج هنا ببراهين كاملة وبعمومية أكبر: المعادلات الخطية من الرتبة الأولى ذات المعاملات المتغيرة (المحلولة حلًّا كاملًا بطريقة تغيير الثابت)، والمعادلات الخطية من الرتبة الثانية ذات المعاملات الثابتة، وهي نموذج التذبذبات. وتُظهر الحالتان البنية نفسها: الحل العام == حلّ خاص واحد ++ الحل العام للمعادلة المتجانسة.

5.1 المعادلات الخطية من الرتبة الأولى

تعريف 5.1

ليكن II مجالًا ولتكن a,b ⁣:IRa, b \colon I \to \R (أو C\C) متصلتين. المعادلة

(E) ⁣:y+a(x)y=b(x),(E)\colon\quad y' + a(x)\,y = b(x),

ذات المجهول الدالة القابلة للاشتقاق y ⁣:IRy \colon I \to \R (أو C\C)، تُسمّى معادلة تفاضلية خطية من الرتبة الأولى. والمعادلة (H) ⁣:y+a(x)y=0(H)\colon y' + a(x) y = 0 هي معادلتها المتجانسة.

مبرهنة 5.2 (حلّ المعادلة المتجانسة)

لتكن AA دالة أصلية للدالة aa على II (وهي موجودة: الفصل 15). حلول (H)(H) على II هي بالضبط الدوال

y(x)=λeA(x),λR (أو C).y(x) = \lambda\, \eu^{-A(x)}, \qquad \lambda \in \R \text{ (أو } \C).

برهان. هذه الدوال حلول: y=λAeA=ayy' = -\lambda A' \eu^{-A} = -a y. وبالعكس، ليكن yy حلًّا للمعادلة (H)(H) ولنضع z(x)=y(x)eA(x)z(x) = y(x)\, \eu^{A(x)}. عندئذ

z=yeA+yaeA=(y+ay)eA=0,z' = y' \eu^{A} + y\, a\, \eu^{A} = (y' + ay)\, \eu^{A} = 0 ,

فتكون zz ثابتة على المجال II، وليكن z=λz = \lambda: أي y=λeAy = \lambda \eu^{-A}. (ولاحظ المنطق: لا يضيع أيّ حلّ، لأن كل حلّ كُتب في الصورة المعلنة.)

مثال 5.3 (معادلة متجانسة بمعامل متغير)

حُلَّ y+(cosx)y=0y' + (\cos x)\,y = 0 على R\R. الدالة الأصلية للدالة a(x)=cosxa(x) = \cos x هي A(x)=sinxA(x) = \sin x، ومنه فالحلول هي

y(x)=λesinx,λR.y(x) = \lambda\,\eu^{-\sin x}, \qquad \lambda \in \R .

وقراءتان. كل حلّ دوريّ (ودوره 2π2\pi) ولا ينعدم أبدًا إلا إذا كان λ=0\lambda = 0 — فإشارة λ\lambda هي إشارة yy إلى الأبد، لأن الدالة الأسّية لا يمكن أن تقطع الصفر. والحلّ الذي يحقق y(0)=y0y(0) = y_0 هو y0esinxy_0\eu^{-\sin x}: أي منحنٍ واحد بالضبط من العائلة يمرّ بكل نقطة ابتدائية، وهي الصورة الأحادية البُعد في المبرهنة 5.4 (2).

مبرهنة 5.4 (تغيير الثابت؛ مسألة كوشي)

بالترميز أعلاه:

  1. حلول (E)(E) على II هي بالضبط

    y(x)=(λ+x0xb(t)eA(t) ⁣dt)eA(x),λR,y(x) = \Bigl(\lambda + \int_{x_0}^{x} b(t)\, \eu^{A(t)} \dd t \Bigr)\, \eu^{-A(x)}, \qquad \lambda \in \R,

    حيث x0Ix_0 \in I مثبَّت. وعلى نحو مكافئ: الحل العام للمعادلة (H)(H) زائد حلّ خاص واحد للمعادلة (E)(E).

  2. من أجل كل x0Ix_0 \in I وكل y0y_0، تكون لمسألة كوشي «(E)(E) مع y(x0)=y0y(x_0) = y_0» حلٌّ واحد بالضبط على II.

برهان. (1) باتباع الطريقة المسمّاة تغيير الثابت، نبحث عن حلول على الصورة y=μ(x)eA(x)y = \mu(x)\, \eu^{-A(x)} حيث μ\mu قابلة للاشتقاق — ولا تضيع أيّ عمومية، لأن كل دالة على II يمكن كتابتها هكذا (μ=yeA\mu = y\,\eu^{A}). وبالتعويض،

y+ay=μeAμaeA+aμeA=μeA,y' + ay = \mu' \eu^{-A} - \mu a \eu^{-A} + a\mu\eu^{-A} = \mu'\, \eu^{-A},

فيكون yy حلًّا للمعادلة (E)(E) إذا وفقط إذا كان μ(x)=b(x)eA(x)\mu'(x) = b(x)\,\eu^{A(x)}، أي إذا وفقط إذا كان μ(x)=λ+x0xb(t)eA(t) ⁣dt\mu(x) = \lambda + \int_{x_0}^x b(t)\eu^{A(t)}\dd t من أجل ثابت λ\lambda ما (فدالتان أصليتان للدالة المتصلة نفسها على مجال تختلفان بثابت).

(2) في الصيغة، y(x0)=λeA(x0)y(x_0) = \lambda\,\eu^{-A(x_0)}: فالشرط y(x0)=y0y(x_0) = y_0 يحدّد λ=y0eA(x0)\lambda = y_0 \eu^{A(x_0)} تحديدًا وحيدًا.

مثال 5.5

حُلَّ y+yx=x2y' + \dfrac{y}{x} = x^2 على I=(0,+)I = \intoo{0}{+\infty}. هنا a(x)=1xa(x) = \frac 1x و A(x)=lnxA(x) = \ln x وeA(x)=1x\eu^{-A(x)} = \frac 1x. والحلول المتجانسة: λx\frac{\lambda}{x}. وبتغيير الثابت: μ(x)=x2x=x3\mu'(x) = x^2 \cdot x = x^3، ومنه μ=x44+λ\mu = \frac{x^4}{4} + \lambda، و

y(x)=x34+λx,λR.y(x) = \frac{x^3}{4} + \frac{\lambda}{x}, \qquad \lambda \in \R .

ومع الشرط الابتدائي y(1)=0y(1) = 0: يكون λ=14\lambda = -\frac14. وللتحقق: y+yx=3x24λx2+x24+λx2=x2y' + \frac yx = \frac{3x^2}{4} - \frac{\lambda}{x^2} + \frac{x^2}{4} + \frac{\lambda}{x^2} = x^2.

مثال 5.6 (التخمين يسبق المكاملة)

حُلَّ y+2xy=xy' + 2x\,y = x على R\R. تغيير الثابت يفي بالغرض (A=x2A = x^2 و μ=xex2\mu' = x\,\eu^{x^2} وμ=12ex2+λ\mu = \frac12\eu^{x^2} + \lambda)، لكن ملاحظة أن الثابت yp=12y_p = \frac12 حلٌّ للمعادلة (0+2x12=x0 + 2x\cdot\frac12 = x) أسرع. ومع الحلول المتجانسة λex2\lambda\,\eu^{-x^2}:

y(x)=12+λex2,λR.y(x) = \frac12 + \lambda\,\eu^{-x^2}, \qquad \lambda \in \R .

وكل حلّ يتقارب نحو 12\frac12 بسرعة بالغة عندما x±x \to \pm\infty: فالحل الخاص الثابت توازن تلتحق به كل الحلول. والفكرة النافذة: قبل إطلاق الطريقة العامة، أنفق عشر ثوانٍ في البحث عن حلّ خاص بيّن (ثابت، أو حدّانيّ، أو مضاعف للطرف الأيمن)؛ ثم تُتمّ مبرهنة البنية العمل.

ملاحظة 5.7 (المجالات مهمّة)

تحيا المبرهنة على مجال تكون فيه aa و bb متصلتين. فمن أجل y+yx=0y' + \frac yx = 0 على R\R^*، تكون الحلول λx\frac{\lambda}{x} على (0,+)\intoo{0}{+\infty} و μx\frac{\mu}{x} على (,0)\intoo{-\infty}{0} بثابتين مستقلين: فلا سبب يجعل صيغة واحدة تلتحم عبر الشذوذ عند 00.

مثال 5.8 (طرف أيمن عقديّ، وجوابان حقيقيان)

حُلَّ yy=cosxy' - y = \cos x و yy=sinxy' - y = \sin x دفعة واحدة. اعمل في C\C مع الطرف الأيمن eix\eu^{\iu x}: فتجريب yp=ceixy_p = c\,\eu^{\iu x} يعطي c(i1)eix=eixc(\iu - 1)\eu^{\iu x} = \eu^{\iu x}، ومنه

c=1i1=1i2,yp=(1+i)(cosx+isinx)2=sinxcosx2+isinxcosx2.c = \frac1{\iu - 1} = \frac{-1 - \iu}2, \qquad y_p = -\frac{(1 + \iu)(\cos x + \iu\sin x)}2 = \frac{\sin x - \cos x}2 + \iu\,\frac{-\sin x - \cos x}2 .

وبما أن للمعادلة معاملات حقيقية، ينفصل الجزآن الحقيقي والتخيلي: فالدالة sinxcosx2\frac{\sin x - \cos x}2 حلٌّ للمعادلة yy=cosxy' - y = \cos x، والدالة sinx+cosx2-\frac{\sin x + \cos x}2 حلٌّ للمعادلة yy=sinxy' - y = \sin x (وتحقق من الأولى: المشتقة cosx+sinx2\frac{\cos x + \sin x}2، ناقصَ الدالة، تعطي cosx\cos x). فقد عوّض سطر عقديّ واحد عن جولتين من تغيير الثابت — وهو الاقتصاد نفسه الذي يمنهجه الطريقة 5.13 من أجل الرتبة الثانية، وهو فائدة متكررة من الفصل 3.

5.2 المعادلات الخطية من الرتبة الثانية ذات المعاملات الثابتة

تعريف 5.9

ليكن a,bRa, b \in \R ولتكن f ⁣:IRf \colon I \to \R متصلة. المعادلة

(E) ⁣:y+ay+by=f(x)(E)\colon\quad y'' + a\,y' + b\,y = f(x)

تُسمّى معادلة خطية من الرتبة الثانية ذات معاملات ثابتة؛ و(H) ⁣:y+ay+by=0(H)\colon y'' + ay' + by = 0 هي معادلتها المتجانسة، و χ(r)=r2+ar+b\chi(r) = r^2 + ar + b هو كثير حدودها المميِّز.

مبرهنة 5.10 (الحلول المتجانسة)

ليكن Δ=a24b\Delta = a^2 - 4b مميّز χ\chi. الحلول الحقيقية للمعادلة (H)(H) على R\R هي:

  1. إذا كان Δ>0\Delta > 0، مع r1r2r_1 \neq r_2 الجذرين الحقيقيين:   y=λer1x+μer2x\;y = \lambda\, \eu^{r_1 x} + \mu\, \eu^{r_2 x}؛
  2. وإذا كان Δ=0\Delta = 0، مع r0r_0 الجذر المضاعف:   y=(λ+μx)er0x\;y = (\lambda + \mu x)\, \eu^{r_0 x}؛
  3. وإذا كان Δ<0\Delta < 0، والجذران α±iω\alpha \pm \iu\omega (حيث ω>0\omega > 0):   y=eαx(λcosωx+μsinωx)\;y = \eu^{\alpha x} (\lambda \cos\omega x + \mu \sin\omega x)؛

وفي كل حالة يجري (λ,μ)(\lambda, \mu) على R2\R^2.

برهان. لاحظ أولًا أنه من أجل rCr \in \C، تكون xerxx \mapsto \eu^{rx} حلًّا للمعادلة (H)(H) إذا وفقط إذا كان χ(r)=0\chi(r) = 0 (عوّض: (r2+ar+b)erx=0(r^2 + ar + b)\eu^{rx} = 0). وهذا هو سبب كون الأسّيات التخمين الأول الطبيعي: فالاشتقاق يؤثر في erx\eu^{rx} كالضرب في العدد rr، فتصير المعادلة التفاضلية المعادلةَ العددية χ(r)=0\chi(r) = 0 — وتنضغط المسألة التحليلية كلها في إيجاد جذور معادلة واحدة من الدرجة الثانية.

والخطوة المفتاحية تغييرُ مجهول يخفض الرتبة. ليكن rr جذرًا (عقديًا ربما) لكثير الحدود χ\chi ولنكتب y=zerxy = z\, \eu^{rx}، وهذا لا يفقد أيّ عمومية. عندئذ

y+ay+by=(z+(2r+a)z+χ(r)z)erx=(z+(2r+a)z)erx,y'' + ay' + by = \bigl(z'' + (2r + a) z' + \chi(r) z\bigr)\eu^{rx} = \bigl(z'' + (2r + a) z'\bigr)\eu^{rx},

فتصير (H)(H) المعادلةَ من الرتبة الأولى u+(2r+a)u=0u' + (2r + a) u = 0 من أجل u=zu = z'.

الحالة Δ0\Delta \neq 0: نختار r=r1r = r_1؛ عندئذ 2r1+a=r1r22r_1 + a = r_1 - r_2 (لأن r1+r2=ar_1 + r_2 = -a). وحسب المبرهنة 5.2، يكون z=ce(r2r1)xz' = c\,\eu^{(r_2 - r_1)x} من أجل ثابت cc ما؛ وبالمكاملة على R\R، يكون z=μe(r2r1)x+λz = \mu\, \eu^{(r_2 - r_1)x} + \lambda حيث μ=cr2r1\mu = \frac{c}{r_2 - r_1}، ومنه y=zer1x=λer1x+μer2xy = z\, \eu^{r_1 x} = \lambda\,\eu^{r_1x} + \mu\,\eu^{r_2x}. وعندما Δ<0\Delta < 0، يكون الجذران α±iω\alpha \pm \iu\omega وتكون الحلول العقدية y=c1e(α+iω)x+c2e(αiω)xy = c_1\eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + c_2\eu^{(\alpha-\iu\omega)x} حيث c1,c2Cc_1, c_2 \in \C. فأيّ هذه الحلول حقيقية القيم؟ بما أن e(α+iω)x=e(αiω)x\conj{\eu^{(\alpha+\iu\omega)x}} = \eu^{(\alpha-\iu\omega)x}، يكون مرافق yy هو c2e(α+iω)x+c1e(αiω)x\conj{c_2}\, \eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + \conj{c_1}\,\eu^{(\alpha-\iu\omega)x}، ويفرض y=yy = \conj y من أجل كل xx أن c2=c1c_2 = \conj{c_1} (فالأسّيتان مستقلتان خطيًا: احسب عند نقطتين، أو قارن عند x=0x=0 بعد القسمة على eαx\eu^{\alpha x}). وبكتابة c1=λiμ2c_1 = \frac{\lambda - \iu\mu}2 حيث λ,μ\lambda, \mu حقيقيان:

y=2(c1eαx(cosωx+isinωx))=eαx(λcosωx+μsinωx),y = 2\,\Re\Bigl(c_1\,\eu^{\alpha x}(\cos\omega x + \iu\sin\omega x)\Bigr) = \eu^{\alpha x}\bigl(\lambda\cos\omega x + \mu\sin\omega x\bigr),

وبالعكس فإن كل دالة كهذه حلّ (فهي جزء حقيقي لحلّ عقديّ لمعادلة حقيقية): فيكون فضاء الحلول الحقيقية كما أُعلن.

الحالة Δ=0\Delta = 0: r=r0r = r_0 و 2r0+a=02r_0 + a = 0، ومنه z=0z'' = 0: أي z=λ+μxz = \lambda + \mu x وy=(λ+μx)er0xy = (\lambda + \mu x)\eu^{r_0 x}.

مثال 5.11 (مسألة كوشي من أولها إلى آخرها)

حُلَّ y3y+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0 مع y(0)=0y(0) = 0 و y(0)=1y'(0) = 1. لكثير الحدود المميِّز r23r+2=(r1)(r2)r^2 - 3r + 2 = (r - 1)(r - 2) الجذران الحقيقيان 11 و 22: فالحل العام y=λex+μe2xy = \lambda\eu^{x} + \mu\eu^{2x}. ويعطي الشرطان الجملة الخطية

λ+μ=0,λ+2μ=1,\lambda + \mu = 0, \qquad \lambda + 2\mu = 1 ,

ومنه μ=1\mu = 1 و λ=1\lambda = -1:

y(x)=e2xex.y(x) = \eu^{2x} - \eu^{x} .

وللتحقق: y(0)=0y(0) = 0؛ وy=2e2xexy' = 2\eu^{2x} - \eu^x يحقق y(0)=1y'(0) = 1؛ و y3y+2y=(46+2)e2x+(1+32)ex=0y'' - 3y' + 2y = (4 - 6 + 2)\eu^{2x} + (-1 + 3 - 2)\eu^x = 0. ولاحظ شكل الجواب: فقرب -\infty يهيمن النمط البطيء ex-\eu^x؛ وقرب ++\infty يهيمن النمط السريع e2x\eu^{2x}. وقراءة الحلول بوصفها تراكبًا لأنماط ذات معدلات تناقص أو نموّ مختلفة عادةٌ مربحة — فبها يُنظَّم فصل العابر عن المستقرّ في مسألة نهاية الأسبوع.

الأنظمة الثلاثة للمعادلة y'' + ay' + by = 0 ذات الحلول المتناقصة: تذبذب مخمَد (جذران عقديان)، وعودة حرجة (جذر مضاعف)، وتناقص فوق حرج (جذران حقيقيان). ويُقرأ أيّ نظام يقع من إشارة = a2 - 4b وحدها — قبل حلّ أيّ شيء.
الأنظمة الثلاثة للمعادلة y+ay+by=0y'' + ay' + by = 0 ذات الحلول المتناقصة: تذبذب مخمَد (جذران عقديان)، وعودة حرجة (جذر مضاعف)، وتناقص فوق حرج (جذران حقيقيان). ويُقرأ أيّ نظام يقع من إشارة Δ=a24b\Delta = a^2 - 4b وحدها — قبل حلّ أيّ شيء.

مبرهنة 5.12 (البنية ومسألة كوشي)

  1. إذا كان ypy_p حلًّا خاصًّا للمعادلة (E)(E)، فإن حلول (E)(E) هي بالضبط yp+yhy_p + y_h، حيث يجري yhy_h على حلول (H)(H).
  2. (التراكب) إذا كان y1y_1 حلًّا للمعادلة y+ay+by=f1y'' + ay' + by = f_1 وكان y2y_2 حلًّا للمعادلة y+ay+by=f2y'' + ay' + by = f_2، فإن y1+y2y_1 + y_2 حلٌّ للمعادلة ذات الطرف الأيمن f1+f2f_1 + f_2.
  3. من أجل كل x0Ix_0 \in I وكل (y0,y0)(y_0, y_0')، يكون لمسألة كوشي «(E)(E) مع y(x0)=y0y(x_0) = y_0 و y(x0)=y0y'(x_0) = y_0'» حلٌّ واحد بالضبط على II. (والوجود ممنوح بوجود حلّ خاص؛ والوحدانية كاملة.)

برهان. (1) يكون yy حلًّا للمعادلة (E)(E) إذا وفقط إذا كان yypy - y_p حلًّا للمعادلة (H)(H)، بخطية yy+ay+byy \mapsto y'' + ay' + by. و (2) هي الخطية نفسها.

(3) حسب (1) يكفي أن نبرهن على أن الثابتين (λ,μ)(\lambda, \mu) يمكن دائمًا ضبطهما، ضبطًا وحيدًا، على أيّ معطيات (y0,y0)(y_0, y_0'). وبانسحاب المتغير، لنفترض x0=0x_0 = 0. في الحالة (1) من المبرهنة 5.10، يعطي y=λer1x+μer2xy = \lambda\eu^{r_1x} + \mu\eu^{r_2x}

y(0)=λ+μ,y(0)=r1λ+r2μ:y(0) = \lambda + \mu, \qquad y'(0) = r_1\lambda + r_2\mu :

وهي جملة خطية في (λ,μ)(\lambda, \mu) محدّدها r2r10r_2 - r_1 \neq 0؛ وبحلّها صراحةً نجد μ=y0r1y0r2r1\mu = \frac{y_0' - r_1y_0}{r_2 - r_1} و λ=y0μ\lambda = y_0 - \mu: أي حلّ واحد بالضبط. وفي الحالة (2)، y(0)=λy(0) = \lambda وy(0)=r0λ+μy'(0) = r_0\lambda + \mu: فالجملة مثلثية ومحدّدها 11، وحلّها λ=y0\lambda = y_0 و μ=y0r0y0\mu = y_0' - r_0y_0. وفي الحالة (3)، y(0)=λy(0) = \lambda وy(0)=αλ+ωμy'(0) = \alpha\lambda + \omega\mu: فالمحدّد ω0\omega \neq 0، والحلّ λ=y0\lambda = y_0 وμ=y0αy0ω\mu = \frac{y_0' - \alpha y_0}\omega. وفي كل حالة يكون التطبيق (λ,μ)(y(x0),y(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) تقابلًا خطيًا — وستضغط لغة الفصل 20 فحصَ الحالات هذا في جملة واحدة.

طريقة 5.13 (حلّ خاص من أجل f(x)=P(x)eγxf(x) = P(x)\,\eu^{\gamma x})

عندما يكون الطرف الأيمن P(x)eγxP(x)\,\eu^{\gamma x} حيث PP كثير حدود و γR\gamma \in \R (وهذا يشمل كثيرات الحدود والأسّيات، وعبر γ\gamma عقديّ أو التراكب، الدالتين cos\cos و sin\sin): ابحث عن حلّ خاص على الصورة

yp(x)=xmQ(x)eγx,m=تضاعف γ بوصفه جذرًا لكثير الحدود χ (m=0,1 أو 2),y_p(x) = x^{m}\, Q(x)\, \eu^{\gamma x}, \qquad m = \text{تضاعف } \gamma \text{ بوصفه جذرًا لكثير الحدود } \chi \ (m = 0, 1 \text{ أو } 2),

حيث QQ كثير حدود من درجة PP نفسها، وتُوجد معاملاته بالتعويض والمطابقة. ومن أجل f=Kcosωxf = K\cos\omega x (أو sin\sin)، حُلَّ مع الطرف الأيمن KeiωxK\eu^{\iu\omega x} وخذ الجزء الحقيقي (أو التخيلي على التوالي).

مثال 5.14 (التراكب في العمل)

حُلَّ yy=ex+4y'' - y = \eu^{x} + 4 على R\R. والمتجانسة: χ(r)=r21\chi(r) = r^2 - 1، وجذراها ±1\pm1، ومنه yh=λex+μexy_h = \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}. وافصل الطرف الأيمن وعالج كل قطعة بصندوق الطريقة. القطعة ex\eu^x: هنا γ=1\gamma = 1 جذر بسيط لكثير الحدود χ\chi، فجرّب y1=cxexy_1 = c\,x\,\eu^x: عندئذ y1y1=c(x+2)excxex=2cexy_1'' - y_1 = c(x + 2)\eu^x - cx\eu^x = 2c\,\eu^x، ومنه c=12c = \frac12. القطعة 44: العدد γ=0\gamma = 0 ليس جذرًا؛ فالثابت y2=4y_2 = -4 يفي بالغرض. وبالتراكب (المبرهنة 5.12 (2)):

y=xex24+λex+μex,(λ,μ)R2.y = \frac{x\,\eu^x}2 - 4 + \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}, \qquad (\lambda, \mu) \in \R^2 .

ولاحظ كيف اقتضت القطعتان صورتين مختلفتين (m=1m = 1 في مقابل m=0m = 0): فاختبار التضاعف يُطبَّق على كل أسّ على حدة، وهذا هو كل مغزى فصل الطرف الأيمن قبل التخمين.

مثال 5.15 (قاعدة التضاعف في العمل)

حُلَّ y+y=xy'' + y' = x على R\R. الطرف الأيمن هو P(x)e0xP(x)\eu^{0 \cdot x} مع P(x)=xP(x) = x، والعدد γ=0\gamma = 0 جذر بسيط لكثير الحدود χ(r)=r2+r=r(r+1)\chi(r) = r^2 + r = r(r + 1): ومنه m=1m = 1، ويكون التخمين الصحيح yp=x(αx+β)=αx2+βxy_p = x\,(\alpha x + \beta) = \alpha x^2 + \beta x، أي بدرجة أعلى بواحد من درجة PP. وبالتعويض:

yp+yp=2α+(2αx+β)=2αx+(2α+β),y_p'' + y_p' = 2\alpha + (2\alpha x + \beta) = 2\alpha x + (2\alpha + \beta) ,

والمطابقة مع xx تعطي α=12\alpha = \frac12 و β=1\beta = -1: yp=x22xy_p = \frac{x^2}2 - x. والحل العام: y=x22x+λ+μexy = \frac{x^2}2 - x + \lambda + \mu\,\eu^{-x}. ولو خمّنّا yp=αx+βy_p = \alpha x + \beta (بتجاهل التضاعف) لأعطى التعويض yp+yp=αy_p'' + y_p' = \alpha، وهو ثابت — فلا اختيار للثابتين α,β\alpha, \beta يطابق xx، والإخفاق بنيويّ: فالثوابت تحلّ المعادلة المتجانسة أصلًا، فهي غير مرئية للطرف الأيسر. والعامل xmx^m موجود بالضبط للتسلّق خارج فضاء الحلول المتجانسة.

ملاحظة 5.16 (بوليصة التأمين ذات الثلاثين ثانية)

تنتهي كل معادلة محلولة في هذا الفصل بتحقق بالتعويض، وليس هذا زخرفًا. فحساب معادلة تفاضلية يصل خطوات صغيرة كثيرة (دالة أصلية، وقاعدة جداء، وثابتان)، وخطأ إشارة واحد ينتشر دون أن يُرى؛ وتعويض الصيغة النهائية في المعادلة يمسك بها كلها تقريبًا بكلفة اشتقاق واحد. فنمِّ هذا المنعكس في ثلاث طبقات: تحقق من الحل الخاص وحده (فالجزء المتجانس يختصر على أيّ حال)، وتحقق من الشروط الابتدائية على الحل الكامل، وإذا وُجد وسيط فتحقق من قيمة منحلّة (هل تعيد صيغة Ω\Omega العامة الجوابَ المعروف عند Ω=0\Omega = 0؟). وتكلّف هذه العادة نصف دقيقة؛ وهي تحوّل «صحيح غالبًا» إلى «متحقَّق منه».

ملاحظة 5.17 (مزالق شائعة)

  1. سوِّ أولًا. تفترض الصيغ أن المعادلة تُقرأ y+a(x)y=b(x)y' + a(x)y = b(x) — أي بمعامل 11 للمقدار yy'. فمن أجل xy2y=x3xy' - 2y = x^3، اقسم على xx (على مجال يتفادى 00) قبل تعيين aa و bb، كما في التمرين 5.2.
  2. ثابت واحد لكل بُعد، يُثبَّت في النهاية. يحمل الحل العام من الرتبة الأولى ثابتًا واحدًا، ويحمل الذي من الرتبة الثانية ثابتين؛ وتُفرض الشروط الابتدائية على الحل الكامل yp+yhy_p + y_h، لا على yhy_h وحده — وفرضها قبل إضافة ypy_p أشيع الأخطاء البنيوية.
  3. انتبه إلى التضاعف. تخمين حلّ خاص يحلّ المعادلة المتجانسة غير مرئيّ للطرف الأيسر؛ والعامل xmx^m في الطريقة 5.13 ليس اختياريًا (المثال 5.15).
  4. المجالات جزء من الجواب. تحيا الحلول على مجالات تكون فيها المعاملات متصلة؛ وقد يخلق الالتحام عبر شذوذ ثوابت زائفة (التمرين 5.12) أو يهدم الوحدانية. فعبارة «حُلَّ على R\R^*» تعني مسألتين مستقلتين.

مثال 5.18 (إثارة بعيدة عن الرنين)

حُلَّ y+4y=sinxy'' + 4y = \sin x على R\R. التواتر الذاتي 22، وتواتر الإثارة 11: وبما أن i\iu ليس جذرًا لكثير الحدود χ(r)=r2+4\chi(r) = r^2 + 4، يكون التضاعف m=0m = 0 ويكفي جيب بسيط. وبتجريب yp=αsinxy_p = \alpha\sin x (ولا حاجة إلى جيب تمام: فالمعادلة بلا حدّ yy'، والدالة sin\sin تولّد sin\sin):

yp+4yp=αsinx+4αsinx=3αsinx,y_p'' + 4y_p = -\alpha\sin x + 4\alpha\sin x = 3\alpha\sin x ,

ومنه α=13\alpha = \frac13 ويكون الحل العام

y=sinx3+λcos2x+μsin2x.y = \frac{\sin x}3 + \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x .

وكل حلّ يبقى محدودًا: فهو تراكب لتذبذبين عند التواترين 11 (المفروض) و 22 (الذاتي). وقارن ذلك بالمثال التالي، حيث تغيّر الإثارة عند التواتر الذاتي شكلَ الجواب نفسه.

مثال 5.19 (تذبذب مُثار)

حُلَّ y+y=cosxy'' + y = \cos x مع y(0)=0y(0) = 0 و y(0)=0y'(0) = 0.

المتجانسة: χ(r)=r2+1\chi(r) = r^2 + 1، وجذراها ±i\pm\iu: أي yh=λcosx+μsinxy_h = \lambda\cos x + \mu \sin x.

الحل الخاص: الطرف الأيمن (eix)\Re(\eu^{\iu x}) مع γ=i\gamma = \iu جذرًا بسيطًا لكثير الحدود χ\chi: فجرّب zp=cxeixz_p = c\, x\, \eu^{\iu x} (حيث cCc \in \C). عندئذ zp+zp=c(2i)eixz_p'' + z_p = c\,(2\iu)\eu^{\iu x}، وهو يساوي eix\eu^{\iu x} من أجل c=12i=i2c = \frac{1}{2\iu} = -\frac\iu2. ومنه zp=i2x(cosx+isinx)z_p = -\frac{\iu}{2} x (\cos x + \iu \sin x) وyp=(zp)=xsinx2y_p = \Re(z_p) = \frac{x \sin x}{2}.

الحل العام: y=xsinx2+λcosx+μsinxy = \frac{x\sin x}{2} + \lambda\cos x + \mu\sin x. والشروط: y(0)=λ=0y(0) = \lambda = 0؛ وy=sinx+xcosx2+μcosxy' = \frac{\sin x + x\cos x}{2} + \mu\cos x، ومنه y(0)=μ=0y'(0) = \mu = 0. والجواب: y=xsinx2y = \frac{x\sin x}{2} — وهو تذبذب تنمو سعته خطيًا: أي ظاهرة الرنين، الناتجة عن إثارة الجملة عند تواترها الذاتي.

الرنين: الحلّ y = x x/2 للمعادلة y'' + y = x يتذبذب بين المستقيمين y = ± x2 (المتقطعين)، بسعة متزايدة أبدًا.
الرنين: الحلّ y=xsinx2y = \frac{x \sin x}{2} للمعادلة y+y=cosxy'' + y = \cos x يتذبذب بين المستقيمين y=±x2y = \pm\frac x2 (المتقطعين)، بسعة متزايدة أبدًا.

ملاحظة 5.20 (استراحة: الخطية هندسة)

انظر إلى شكل كل مجموعة حلول في هذا الفصل: حلّ خاص زائد فضاء من الحلول المتجانسة فيه ثابت حرّ واحد (الرتبة الأولى) أو اثنان (الرتبة الثانية). وستوفّر فصول الجبر الخطي (الفصول 18، 19 و20) المفردات المضبوطة: فالتطبيق L(y)=y+ay+byL(y) = y'' + ay' + by خطيّ، وحلوله المتجانسة تكوّن نواة LL، وهي فضاء متجهي بُعده يساوي رتبة المعادلة — وهذا هو المضمون الأمين لعبارة «ثابت واحد لكل رتبة» — ومجموعة حلول L(y)=fL(y) = f فضاء جزئي تآلفي، أي منسحب النواة. بل إن تطبيق كوشي (λ,μ)(y(x0),y(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) في المبرهنة 5.12 تقابل خطيّ بين مستويين، أي جملة 2×22 \times 2 قابلة للقلب (الفصل 21). ولا شيء في هذا الفصل يحتاج إلى إعادة — بل يحتاج إلى إعادة تسمية لا غير، وإعادة التسمية أفضل تسخين ممكن للجبر الخطي: فكل تعريف مجرد هناك كسب رزقه هنا سلفًا.

ملاحظة 5.21 (أين يُستعمل هذا الفصل)

مبرهنة البنية — أي أن حلول (E)(E) تكوّن «حلًّا خاصًّا زائد حلول (H)(H)» — هي الظهور الأول لنمط سيسمّيه الفصول 18 و20: فمجموعة حلول (H)(H) هي نواة التطبيق الخطي yy+ay+byy \mapsto y'' + ay' + by، ومجموعة حلول (E)(E) منسحبٌ تآلفيّ لها. ويعود كثير الحدود المميِّز في صورة كثير الحدود المميِّز لمصفوفة في الفصل 21: فالمعادلة من الرتبة الثانية جملةٌ 2×22 \times 2 من الرتبة الأولى متنكرة، وهو منظور يمنهجه مجلد السنة 2. و التكاملات التي يقتضيها تغيير الثابت يوفّرها الفصل 15، ومسألة نهاية الأسبوع أدناه — المتذبذب المخمَد المُثار — هي الحالة النموذج لكل سؤال عن التذبذب في العلوم، من الدارات إلى الجسور المعلقة.

5.3 تمارين

تمرين 5.1

حُلَّ على R\R:   y+2y=e3x\;y' + 2y = \eu^{3x}؛ ثم مسألة كوشي y(0)=1y(0) = 1.

حل

حل التمرين 5.1.

المتجانسة: yh=λe2xy_h = \lambda\,\eu^{-2x}. والحل الخاص: جرّب yp=ce3xy_p = c\,\eu^{3x} (فالعدد 33 ليس جذرًا لكثير الحدود r+2r + 2): 3c+2c=13c + 2c = 1، ومنه c=15c = \frac15. والحل العام: y=e3x5+λe2xy = \frac{\eu^{3x}}{5} + \lambda\,\eu^{-2x}. ومع y(0)=1y(0) = 1: 15+λ=1\frac15 + \lambda = 1 و λ=45\lambda = \frac45، ومنه y=e3x+4e2x5y = \frac{\eu^{3x} + 4\,\eu^{-2x}}{5}.

تمرين 5.2

حُلَّ على (0,+)\intoo{0}{+\infty}:   xy2y=x3\;x y' - 2y = x^3 (ضع المعادلة في الصورة المسوّاة أولًا).

حل

حل التمرين 5.2.

على (0,+)\intoo{0}{+\infty}، اقسم على xx: y2xy=x2y' - \frac{2}{x}\,y = x^2. وهنا A(x)=2lnxA(x) = -2\ln x و eA(x)=x2\eu^{-A(x)} = x^2: فالحلول المتجانسة λx2\lambda x^2. وبتغيير الثابت: μ(x)=x2x2=1\mu'(x) = x^2 \cdot x^{-2} = 1، ومنه μ=x+λ\mu = x + \lambda و

y(x)=x3+λx2,λR.y(x) = x^3 + \lambda x^2, \qquad \lambda \in \R .

وللتحقق: x(3x2+2λx)2(x3+λx2)=x3x(3x^2 + 2\lambda x) - 2(x^3 + \lambda x^2) = x^3.

تمرين 5.3

حُلَّ على R\R، معطيًا الحل العام الحقيقي:   y3y+2y=0\;y'' - 3y' + 2y = 0؛ و   y+4y+4y=0\;y'' + 4y' + 4y = 0؛ و  y2y+5y=0\;y'' - 2y' + 5y = 0.

حل

حل التمرين 5.3.

y3y+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0: الجذران 11 و 22؛ ومنه   y=λex+μe2x\;y = \lambda\,\eu^{x} + \mu\,\eu^{2x}.

y+4y+4y=0y'' + 4y' + 4y = 0: الجذر المضاعف 2-2؛ ومنه   y=(λ+μx)e2x\;y = (\lambda + \mu x)\,\eu^{-2x}.

y2y+5y=0y'' - 2y' + 5y = 0: الجذران 1±2i1 \pm 2\iu؛ ومنه   y=ex(λcos2x+μsin2x)\;y = \eu^{x}(\lambda\cos 2x + \mu\sin 2x).

تمرين 5.4

حُلَّ yy=x2y'' - y = x^2 على R\R، ثم مسألة كوشي y(0)=0y(0) = 0 و y(0)=1y'(0) = 1.

حل

حل التمرين 5.4.

المتجانسة: الجذران ±1\pm 1، ومنه yh=λex+μexy_h = \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}. والحل الخاص بطرف أيمن كثير الحدود (فالعدد γ=0\gamma = 0 ليس جذرًا): yp=ax2+bx+cy_p = ax^2 + bx + c؛ وبالتعويض، يعطي 2a(ax2+bx+c)=x22a - (ax^2 + bx + c) = x^2 أن a=1a = -1 و b=0b = 0 و c=2a=2c = 2a = -2: أي yp=x22y_p = -x^2 - 2. والحل العام y=x22+λex+μexy = -x^2 - 2 + \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}.

ومسألة كوشي: y(0)=2+λ+μ=0y(0) = -2 + \lambda + \mu = 0 وy(0)=λμ=1y'(0) = \lambda - \mu = 1: ومنه λ=32\lambda = \frac32 و μ=12\mu = \frac12. أي y=x22+3ex+ex2y = -x^2 - 2 + \frac{3\eu^x + \eu^{-x}}{2}.

تمرين 5.5 ★★

حُلَّ على (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}:   y+ytanx=sin2x\;y' + y\tan x = \sin 2x.

حل

حل التمرين 5.5.

a(x)=tanxa(x) = \tan x و A(x)=ln(cosx)A(x) = -\ln(\cos x) (وهذا صالح: إذ cos>0\cos > 0 على المجال) و eA=cosx\eu^{-A} = \cos x: فالحلول المتجانسة λcosx\lambda\cos x. وبتغيير الثابت: μ(x)=sin2x1cosx=2sinx\mu'(x) = \sin 2x \cdot \frac{1}{\cos x} = 2\sin x، ومنه μ=2cosx+λ\mu = -2\cos x + \lambda و

y(x)=2cos2x+λcosx.y(x) = -2\cos^2 x + \lambda \cos x .

وللتحقق: y=4cosxsinxλsinxy' = 4\cos x \sin x - \lambda\sin x وytanx=2cosxsinx+λsinxy\tan x = -2\cos x\sin x + \lambda \sin x؛ ومجموعهما 2cosxsinx=sin2x2\cos x\sin x = \sin 2x، وهو المطلوب.

تمرين 5.6 ★★

حُلَّ y4y+3y=(2x+1)exy'' - 4y' + 3y = (2x + 1)\,\eu^{x} على R\R. (انتبه إلى التضاعف: هل 11 جذر لكثير الحدود المميِّز؟)

حل

حل التمرين 5.6.

χ(r)=r24r+3=(r1)(r3)\chi(r) = r^2 - 4r + 3 = (r-1)(r-3): العدد γ=1\gamma = 1 جذر بسيط (أي m=1m = 1). جرّب yp=x(ax+b)exy_p = x(ax + b)\,\eu^x. ومع u=ax2+bxu = ax^2 + bx،

yp4yp+3yp=(u+(24)u+χ(1)u)ex=(2a2(2ax+b))ex.y_p'' - 4y_p' + 3y_p = \bigl(u'' + (2 - 4)u' + \chi(1) u\bigr)\eu^x = \bigl(2a - 2(2ax + b)\bigr)\eu^x .

وبالمطابقة مع (2x+1)ex(2x + 1)\eu^x: 4a=2-4a = 2 و 2a2b=12a - 2b = 1، ومنه a=12a = -\frac12 و b=1b = -1. والحل العام:

y=(x22+x)ex+λex+μe3x,(λ,μ)R2.y = -\Bigl(\frac{x^2}{2} + x\Bigr)\eu^{x} + \lambda\,\eu^{x} + \mu\,\eu^{3x}, \qquad (\lambda, \mu) \in \R^2 .

تمرين 5.7 ★★

حُلَّ y+4y=sin2x+xy'' + 4y = \sin 2x + x على R\R (بالتراكب؛ عالج كل طرف أيمن على حدة).

حل

حل التمرين 5.7.

المتجانسة: yh=λcos2x+μsin2xy_h = \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x.

والطرف الأيمن xx (فالعدد γ=0\gamma = 0 ليس جذرًا): y1=ax+by_1 = ax + b مع 4(ax+b)=x4(ax + b) = x: ومنه y1=x4y_1 = \frac x4.

والطرف الأيمن sin2x=(e2ix)\sin 2x = \Im(\eu^{2\iu x})، والعدد 2i2\iu جذر بسيط لكثير الحدود r2+4r^2 + 4: فجرّب z=cxe2ixz = c\,x\,\eu^{2\iu x}؛ عندئذ z+4z=4ice2ixz'' + 4z = 4\iu c\,\eu^{2\iu x}، وهو يساوي e2ix\eu^{2\iu x} من أجل c=14i=i4c = \frac{1}{4\iu} = -\frac{\iu}{4}. ومنه z=ix4(cos2x+isin2x)z = -\frac{\iu x}{4}(\cos 2x + \iu \sin 2x) وy2=(z)=xcos2x4y_2 = \Im(z) = -\frac{x\cos 2x}{4}.

وبالتراكب:

y=x4xcos2x4+λcos2x+μsin2x.y = \frac{x}{4} - \frac{x\cos 2x}{4} + \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x .

تمرين 5.8 ★★

فنجان قهوة درجة حرارته T0=80T_0 = 80\,^\circC موضوع في غرفة درجة حرارتها 2020\,^\circC. ينصّ قانون نيوتن للتبريد على أن T=k(T20)T' = -k\,(T - 20) حيث k>0k > 0. حُلَّ من أجل T(t)T(t)، وإذا علمت أن القهوة عند 5050\,^\circC بعد 1010 دقائق، فجد متى تبلغ 2525\,^\circC.

حل

حل التمرين 5.8.

للمعادلة T+kT=20kT' + kT = 20k حلٌّ خاص ثابت هو 2020 وحلول متجانسة λekt\lambda\eu^{-kt}: أي T(t)=20+λektT(t) = 20 + \lambda\,\eu^{-kt}، ويعطي T(0)=80T(0) = 80 أن λ=60\lambda = 60:

T(t)=20+60ekt.T(t) = 20 + 60\,\eu^{-kt} .

ومن T(10)=50T(10) = 50: e10k=12\eu^{-10k} = \frac12، ومنه k=ln210k = \frac{\ln 2}{10}. ثم يقتضي T(t)=25T(t) = 25 أن ekt=560=112\eu^{-kt} = \frac{5}{60} = \frac{1}{12}، أي

t=ln12k=10ln12ln235.8 دقيقة.t = \frac{\ln 12}{k} = 10\,\frac{\ln 12}{\ln 2} \approx 35.8 \text{ دقيقة.}

تمرين 5.9 ★★★

(المتذبذب المخمَد) من أجل ε0\varepsilon \geq 0، تأمّل y+2εy+y=0y'' + 2\varepsilon y' + y = 0.

  1. حُلَّ من أجل ε[0,1)\varepsilon \in \intco{0}{1} ومن أجل ε=1\varepsilon = 1 ومن أجل ε>1\varepsilon > 1.
  2. بيّن أنه من أجل ε>0\varepsilon > 0 يؤول كل حلّ إلى 00 عند ++\infty، وأنه من أجل ε=0\varepsilon = 0 لا تؤول الحلول غير المعدومة إلى ذلك.
  3. من أجل ε(0,1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}، بيّن أن أصفار حلّ غير معدوم متباعدة بانتظام، وأن الفجوة π1ε2\frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.
حل

حل التمرين 5.9.

  1. χ(r)=r2+2εr+1\chi(r) = r^2 + 2\varepsilon r + 1 وΔ=4(ε21)\Delta = 4(\varepsilon^2 - 1). ومن أجل ε[0,1)\varepsilon \in \intco{0}{1}: الجذران ε±i1ε2-\varepsilon \pm \iu\sqrt{1 - \varepsilon^2}، ومنه y=eεt(λcosωt+μsinωt)y = \eu^{-\varepsilon t}\bigl(\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t\bigr) حيث ω=1ε2\omega = \sqrt{1 - \varepsilon^2}. ومن أجل ε=1\varepsilon = 1: الجذر المضاعف 1-1، ومنه y=(λ+μt)ety = (\lambda + \mu t)\,\eu^{-t}. ومن أجل ε>1\varepsilon > 1: الجذران الحقيقيان r±=ε±ε21r_\pm = -\varepsilon \pm \sqrt{\varepsilon^2 - 1}، وكلاهما <0< 0، وy=λer+t+μerty = \lambda\eu^{r_+t} + \mu\eu^{r_-t}.
  2. من أجل ε(0,1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}: yeεt(λ+μ)0\abs y \leq \eu^{-\varepsilon t}(\abs\lambda + \abs\mu) \to 0. ومن أجل ε=1\varepsilon = 1: (λ+μt)et0(\lambda + \mu t)\eu^{-t} \to 0 (فالأسّية تفوق كثير الحدود، القضية 4.6). ومن أجل ε>1\varepsilon > 1: تتناقص الأسّيتان لأن r±<0r_\pm < 0 (وبالفعل ε21<ε\sqrt{\varepsilon^2 - 1} < \varepsilon). ومن أجل ε=0\varepsilon = 0: للمقدار y=λcost+μsinty = \lambda\cos t + \mu\sin t سعة ثابتة λ2+μ20\sqrt{\lambda^2 + \mu^2} \neq 0 إلا إذا كان y=0y = 0.
  3. اكتب λcosωt+μsinωt=Rcos(ωtφ)\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t = R\cos(\omega t - \varphi) حيث R=λ2+μ2>0R = \sqrt{\lambda^2 + \mu^2} > 0. وأصفار yy هي أصفار cos(ωtφ)\cos(\omega t - \varphi) (فالعامل eεt\eu^{-\varepsilon t} لا ينعدم أبدًا): أي ωtφπ2(modπ)\omega t - \varphi \equiv \frac\pi2 \pmod \pi، وهي متتالية حسابية فجوتها πω=π1ε2\frac{\pi}{\omega} = \frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.

تمرين 5.10 ★★★

جد كل الدوال f ⁣:RRf \colon \R \to \R القابلة للاشتقاق مرتين والتي تحقق

x,yR,f(x+y)+f(xy)=2f(x)f(y),\forall x, y \in \R, \qquad f(x + y) + f(x - y) = 2 f(x) f(y),

مع f(0)0f(0) \ne 0 و ff غير ثابتة. إرشاد: ثبّت yy، واشتقّ مرتين بالنسبة إلى xx عند 00؛ وبيّن أن f(0)=1f(0) = 1 وأن f=cff'' = c f من أجل ثابت cc ما؛ ثم حُلَّ بحسب إشارة cc وتحقق من أيّ الحلول يحقق المعادلة الدالية.

حل

حل التمرين 5.10.

ضع x=y=0x = y = 0: 2f(0)=2f(0)22f(0) = 2f(0)^2، ويعطي f(0)0f(0) \neq 0 أن f(0)=1f(0) = 1. ثبّت xx واشتقّ المعادلة مرتين بالنسبة إلى yy:

f(x+y)+f(xy)=2f(x)f(y).f''(x+y) + f''(x-y) = 2 f(x) f''(y) .

وبوضع y=0y = 0:   2f(x)=2f(x)f(0)\;2f''(x) = 2 f(x) f''(0)، أي

f(x)=cf(x),c=f(0).f''(x) = c\,f(x), \qquad c = f''(0).

الحالة c=ω2>0c = \omega^2 > 0: f(x)=λcoshωx+μsinhωxf(x) = \lambda\cosh\omega x + \mu\sinh\omega x؛ ويعطي f(0)=1f(0) = 1 أن λ=1\lambda = 1. وبالتعويض في المعادلة الدالية وباستعمال صيغ الجمع (القضية 4.18)، تفرض المعادلة أن μ=0\mu = 0 (قارن معاملي sinhωxsinhωy\sinh\omega x \sinh\omega y أو احسب عند x=yx = y): ومنه f=coshωxf = \cosh\omega x، وهي تحقق فعلًا cosh(x+y)+cosh(xy)=2coshxcoshy\cosh(x+y) + \cosh(x-y) = 2\cosh x\cosh y.

الحالة c=ω2<0c = -\omega^2 < 0: وبالمثل f(x)=cosωxf(x) = \cos\omega x (حيث ω0\omega \neq 0)، وهي تحقق المعادلة.

الحالة c=0c = 0: تكون ff تآلفية مع f(0)=1f(0) = 1: أي f(x)=1+μxf(x) = 1 + \mu x؛ وتفرض المعادلة أن μ=0\mu = 0، وهذا مستبعد (ff غير ثابتة).

والخلاصة: الحلول هي f(x)=cosωxf(x) = \cos\omega x وf(x)=coshωxf(x) = \cosh\omega x حيث ω>0\omega > 0.

تمرين 5.11 ★★

(معادلة أويلر) حُلَّ x2yxy+y=0x^2 y'' - x y' + y = 0 على (0,+)\intoo{0}{+\infty}. إرشاد: ضع z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t)، أي عوّض x=etx = \eu^t، وبيّن أن zz تحقق معادلة خطية ذات معاملات ثابتة.

حل

حل التمرين 5.11.

ضع z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t)، بحيث يكون y(x)=z(lnx)y(x) = z(\ln x) من أجل x>0x > 0. عندئذ

y(x)=z(lnx)x,y(x)=z(lnx)z(lnx)x2,y'(x) = \frac{z'(\ln x)}x, \qquad y''(x) = \frac{z''(\ln x) - z'(\ln x)}{x^2} ,

وبالتعويض في المعادلة:

x2yxy+y=(zz)z+z=z2z+z=0.x^2y'' - xy' + y = \bigl(z'' - z'\bigr) - z' + z = z'' - 2z' + z = 0 .

وكثير الحدود المميِّز (r1)2(r - 1)^2: أي الجذر المضاعف 11، ومنه z(t)=(λ+μt)etz(t) = (\lambda + \mu t)\,\eu^t، وبالعودة إلى المتغير x=etx = \eu^t:

y(x)=(λ+μlnx)x,λ,μR.y(x) = (\lambda + \mu\ln x)\,x, \qquad \lambda, \mu \in \R .

تمرين 5.12 ★★★

تأمّل المعادلة xy=2yx\,y' = 2y على المستقيم الحقيقي كله، ذات المجهول الدالة القابلة للاشتقاق y ⁣:RRy \colon \R \to \R.

  1. حُلَّ على (0,+)\intoo{0}{+\infty} وعلى (,0)\intoo{-\infty}{0}.
  2. بيّن أنه من أجل أيّ ثابتين a,bRa, b \in \R، تكون الدالة التي تساوي ax2ax^2 من أجل x0x \geq 0 و bx2bx^2 من أجل x<0x < 0 قابلة للاشتقاق على R\R وتحلّ المعادلة في كل مكان.
  3. استنتج أن مجموعة الحلول على R\R عائلة ذات وسيطين، واشرح لماذا لا يناقض هذا الوحدانية في المبرهنة 5.4.
حل

حل التمرين 5.12.

  1. في الصورة المسوّاة y2xy=0y' - \frac2x\,y = 0 على كل مجال: A(x)=2lnxA(x) = -2\ln\abs x، ومنه فالحلول هي y=ax2y = a x^2 على (0,+)\intoo0{+\infty} و y=bx2y = b x^2 على (,0)\intoo{-\infty}0، بثابتين مستقلين (المبرهنة 5.2).
  2. لتكن y=ax2y = ax^2 من أجل x0x \geq 0 و bx2bx^2 من أجل x<0x < 0. على كل نصف مستقيم مفتوح تكون yy قابلة للاشتقاق مع xy=2yxy' = 2y. وعند 00: تؤول نسبتا التزايد y(h)y(0)h=ah\frac{y(h) - y(0)}h = ah و bhbh إلى 00، فتوجد y(0)=0y'(0) = 0، وتُقرأ المعادلة عند x=0x = 0 هكذا 0y(0)=2y(0)=00 \cdot y'(0) = 2y(0) = 0: وهي متحققة. إذن تحلّ yy المعادلة على R\R كلها.
  3. الحلول على R\R هي بالضبط هذه الدوال الملتحمة: أي عائلة ذات وسيطين اثنين لمعادلة من الرتبة الأولى. ولا تناقض مع المبرهنة 5.4، إذ تخفق فروضها هنا: فبكتابتها y+a(x)y=0y' + a(x)y = 0، لا يكون المعامل a(x)=2xa(x) = -\frac2x متصلًا عند 00 — بل ليس معرَّفًا أصلًا — فلا تكون R\R مجالًا تنطبق عليه المبرهنة. فالشذوذ عند 00 يفصل نصفي المستقيم، والقيمة y(0)=0y(0) = 0 مفروضة ولا تحمل أيّ معلومة عبره. وكل معطى كوشي عند x00x_0 \neq 0 لا يحدّد الحل إلا على نصف المستقيم الذي يحتوي x0x_0.

5.4 مسألة: المتذبذب المخمَد المُثار

مسألة 5.1

معادلة واحدة تحكم كتلةً على نابض في وسط لزج، والشحنةَ في دارة RLC، ومبنى يتمايل في الريح:

(EΩ) ⁣:x+2λx+ω02x=Acos(Ωt),(E_\Omega)\colon\quad x'' + 2\lambda x' + \omega_0^2\,x = A\cos(\Omega t),

حيث λ0\lambda \geq 0 التخميد و ω0>0\omega_0 > 0 التواتر الذاتي و A>0A > 0 و Ω>0\Omega > 0 سعة الإثارة وتواترها. وتستخرج هذه المسألة سلوكها الكامل: تناقص العابرات، والنظام الدوري المستقرّ الوحيد، ومنحني الرنين وحدّته (وهي معامل الجودة)، وضربات الحالة غير المخمَدة، وميزان الطاقة الذي يديم التذبذب. وما لم يُذكر خلاف ذلك، 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 (النظام دون التخميد الحرج) ونكتب ωd=ω02λ2\omega_d = \sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}.

الجزء 1 — المتذبذب الحرّ. هنا A=0A = 0.

  1. حُلَّ المعادلة المتجانسة (H)(H) من أجل 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 ومن أجل λ=0\lambda = 0. (والنظامان λω0\lambda \geq \omega_0 عولجا في التمرين 5.9؛ فاذكرهما.)
  2. بيّن أنه من أجل كل λ>0\lambda > 0، تؤول كل حلول (H)(H) إلى 00 عند ++\infty — في الأنظمة الثلاثة كلها.
  3. عرّف الطاقة E(t)=12x(t)2+12ω02x(t)2\mathcal E(t) = \frac12 x'(t)^2 + \frac12\omega_0^2\,x(t)^2 على طول حلّ للمعادلة (H)(H). بيّن أن E(t)=2λx(t)20\mathcal E'(t) = -2\lambda\,x'(t)^2 \leq 0، واستنتج (دون حلّ أيّ شيء) أن مسألة كوشي «(H)(H) مع x(t0)=x(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0» ليس لها إلا الحل المعدوم، من أجل كل λ0\lambda \geq 0.
  4. من أجل 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0، اكتب الحل غير المعدوم على الصورة x(t)=Reλtcos(ωdtφ)x(t) = R\,\eu^{-\lambda t}\cos(\omega_d t - \varphi) وليكن Td=2πωdT_d = \frac{2\pi}{\omega_d} شبه الدور. بيّن أن x(t+Td)=eλTdx(t)x(t + T_d) = \eu^{-\lambda T_d}\,x(t): أي أن كل تأرجحة هي السابقة مصغَّرةً بالعامل الثابت eδ\eu^{-\delta}، حيث δ=2πλωd\delta = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d} (وهو التناقص اللوغاريتمي). واحسب δ\delta من أجل ω0=1\omega_0 = 1 و λ=0.1\lambda = 0.1.
  5. عرّف معامل الجودة Q=ω02λQ = \dfrac{\omega_0}{2\lambda}. بيّن أنه بعد الزمن 1λ\frac1\lambda (أي تناقص السعة بالعامل e\eu مرة واحدة)، يكون المتذبذب قد أتمّ ωd2πλ\frac{\omega_d}{2\pi\lambda} من أشباه الأدوار، وهو من أجل التخميد الضعيف (λω0\lambda \ll \omega_0) قريب من Qπ\frac Q\pi: فمعامل الجودة يعدّ، بمعامل π\pi، التذبذبات التي تنجو قبل أن تتناقص السعة بالعامل e\eu.

الجزء 2 — النظام المستقرّ. الآن A>0A > 0 و λ>0\lambda > 0.

  1. ابحث عن حلّ خاص بوصفه الجزء الحقيقي للمقدار zeiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} حيث zCz \in \C (الطريقة 5.13). بيّن أن ذلك يفي بالغرض مع

    z=Aω02Ω2+2iλΩ.z = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} .
  2. استنتج النظام المستقرّ في صورة السعة والطور: xp(t)=R(Ω)cos(Ωtφ(Ω))x_p(t) = R(\Omega)\cos\bigl(\Omega t - \varphi(\Omega)\bigr) حيث

    R(Ω)=A(ω02Ω2)2+4λ2Ω2,tanφ=2λΩω02Ω2,φ(0,π).R(\Omega) = \frac{A}{\sqrt{(\omega_0^2 - \Omega^2)^2 + 4\lambda^2\Omega^2}}, \qquad \tan\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\omega_0^2 - \Omega^2}, \quad \varphi \in \intoo0\pi .
  3. فسّر النظامين الطرفيين: احسب نهايتَي RR و φ\varphi عندما Ω0+\Omega \to 0^+ (أي الاستجابة شبه الساكنة A/ω02A/\omega_0^2، والطور 00) وعندما Ω+\Omega \to +\infty (أي RA/Ω20R \sim A/\Omega^2 \to 0، والطور π\to \pi: فتتحرك الكتلة عكس إثارة أسرع مما ينبغي).
  4. بيّن أن كل حلّ للمعادلة (EΩ)(E_\Omega) هو xpx_p زائد حلٍّ للمعادلة (H)(H)، ومنه فهو يتقارب نحو النظام المستقرّ xpx_p عندما t+t \to +\infty، مهما تكن الشروط الابتدائية: فبعد فناء العابر لا تبقى للمتذبذب أيّ ذاكرة عن كيفية بدئه.
  5. بيّن أن xpx_p هو الحل الدوري الوحيد للمعادلة (EΩ)(E_\Omega).
  6. أنجز مسألة كوشي واحدة إلى نهايتها: من أجل x+2x+2x=costx'' + 2x' + 2x = \cos t مع x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0، بيّن أن الحل هو

    x(t)=cost+2sint5etcost+3sint5,x(t) = \frac{\cos t + 2\sin t}5 - \eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5 ,

    وعيّن الجزأين العابر والمستقرّ.

الجزء 3 — منحني الرنين. دراسة ΩR(Ω)\Omega \mapsto R(\Omega) على (0,+)\intoo0{+\infty}.

  1. بوضع u=Ω2u = \Omega^2 وg(u)=(ω02u)2+4λ2ug(u) = (\omega_0^2 - u)^2 + 4\lambda^2 u، بيّن: أنه إذا كان 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2 بلغت RR قيمة قصوى تامة عند تواتر الرنين Ωr=ω022λ2\Omega_r = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}، مع

    Rmax=R(Ωr)=A2λω02λ2.R_{\max} = R(\Omega_r) = \frac{A}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}} .
  2. بيّن أن RmaxR(0)=Q(1λ2ω02)1/2Q\dfrac{R_{\max}}{R(0)} = Q\,\bigl(1 - \tfrac{\lambda^2}{\omega_0^2}\bigr)^{-1/2} \geq Q: أي أنه عند الرنين تتضخّم الإثارة بمعامل الجودة (أساسًا).
  3. برهن على أن سعة السرعة V(Ω)=ΩR(Ω)V(\Omega) = \Omega\,R(\Omega) تبلغ قيمتها القصوى عند Ω=ω0\Omega = \omega_0 بالضبط (لا عند Ωr\Omega_r)، وأن الطور هناك φ(ω0)=π2\varphi(\omega_0) = \frac\pi2: أي أنه عند Ω=ω0\Omega = \omega_0 تكون السرعة في طور القوة بالضبط.
  4. (عرض النطاق) حُلَّ g(u)=2g(ur)g(u) = 2\,g(u_r) حلًّا مضبوطًا، حيث ur=ω022λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2، واستنتج أن التواترين Ω±\Omega_\pm اللذين عندهما R=Rmax/2R = R_{\max}/\sqrt2 يحققان Ω+2Ω2=4λω02λ2\Omega_+^2 - \Omega_-^2 = 4\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}؛ واستنتج أنه من أجل التخميد الضعيف يكون عرض النطاق Ω+Ω2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx 2\lambda، أي Qω0Ω+ΩQ \approx \frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-}: فقمم الرنين الحادّة هي جمل ذات QQ عالٍ.
  5. صورة عددية من أجل ω0=1\omega_0 = 1 و λ=0.05\lambda = 0.05 (أي Q=10Q = 10) و A=1A = 1: احسب Ωr\Omega_r و RmaxR_{\max} و الاستجابة الساكنة R(0)R(0) وعرض النطاق التقريبي.
  6. بيّن أنه إذا كان 2λ2ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2 فإن RR متناقصة تمامًا على (0,+)\intoo0{+\infty}: أي أن الجمل الشديدة التخميد بلا قمة رنين البتة.

الجزء 4 — بلا تخميد: الضربات والرنين. هنا λ=0\lambda = 0.

  1. من أجل Ωω0\Omega \neq \omega_0، جد الحل العام للمعادلة x+ω02x=Acos(Ωt)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\Omega t).
  2. حُلَّ مسألة كوشي x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0 وحوّل الجواب إلى الصورة الجدائية

    x(t)=2Aω02Ω2sin((ω0Ω)t2)sin((ω0+Ω)t2).x(t) = \frac{2A}{\omega_0^2 - \Omega^2}\, \sin\Bigl(\frac{(\omega_0 - \Omega)t}2\Bigr) \sin\Bigl(\frac{(\omega_0 + \Omega)t}2\Bigr) .
  3. من أجل Ω\Omega قريبة من ω0\omega_0، اقرأ الجداء بوصفه تذبذبًا سريعًا عند التواتر ω0+Ω2\frac{\omega_0 + \Omega}2 مضمَّنًا بغلاف بطيء عند التواتر ω0Ω2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2: وهي الضربات. أعط دور الغلاف و السعة القصوى، ولاحظ كيف ينفجران معًا عندما Ωω0\Omega \to \omega_0.
  4. ثبّت tt واجعل Ωω0\Omega \to \omega_0 في صيغة السؤال 19: بيّن أن النهاية هي

    x(t)=Atsin(ω0t)2ω0,x_\infty(t) = \frac{A\,t\,\sin(\omega_0 t)}{2\omega_0} ,

    وتحقق مباشرة من أن xx_\infty يحلّ المعادلة الرنينية x+ω02x=Acos(ω0t)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\omega_0 t) مع x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0 (وقارن المثال 5.19): فالرنين هو نهاية ضربات تزداد بطئًا واتساعًا أبدًا.

  5. قابل بين مصيرَي الرنين: النموّ الخطي At2ω0\frac{At}{2\omega_0} بلا تخميد، في مقابل التشبّع عند RmaxQAω02R_{\max} \approx Q\,\frac{A}{\omega_0^2} مع تخميد ضعيف. وفي جملة واحدة: ما الآلية الفيزيائية التي تحوّل الأول إلى الثاني؟

الجزء 5 — ميزان الطاقة وتوليفة ختامية.

  1. في النظام المستقرّ من الجزء 2، احسب متوسط كلٍّ ممّا يلي على دور واحد 2πΩ\frac{2\pi}\Omega: (أ) القدرة التي تحقنها الإثارة، Pin(t)=Acos(Ωt)xp(t)P_{\mathrm{in}}(t) = A\cos(\Omega t) \cdot x_p'(t)؛ و (ب) القدرة التي يبدّدها التخميد، Pdiss(t)=2λxp(t)2P_{\mathrm{diss}}(t) = 2\lambda\,x_p'(t)^2. وبيّن أن المتوسطين يساويان λR2Ω2\lambda\,R^2\Omega^2: فتغذّي الإثارة بالضبط ما يحرقه التخميد — ولهذا يكون النظام المستقرّ مستقرًّا.
  2. أين استعملت المسألة بالضبط: (أ) مبرهنة البنية المبرهنة 5.12؛ (ب) طريقة الأسّي العقدي؛ (ج) دراسة دالة لمتغير حقيقي على نهج الفصل 4؟ جملة واحدة لكلٍّ منها.
  3. توليفة: صِف خريطة السلوك الكاملة للمعادلة (EΩ)(E_\Omega) — الحرّ في مقابل المُثار، والمخمَد في مقابل غير المخمَد، ودور QQ بوصفه القرص اللابعدي الوحيد الذي يضبط ارتفاع القمة وعرض النطاق وعمر العابر — واذكر أين تستمر القصة: الجمل 2×22 \times 2 من الرتبة الأولى (الفصل 21 ومجلد السنة 2) و تفكيك إثارة دورية عامة إلى جيوب (متسلسلات فورييه، في مجلد السنة 3)، والحالة الجيبية في هذه المسألة هي لبنتها الأساسية.
حل

حل المسألة 5.1.

1. χ(r)=r2+2λr+ω02\chi(r) = r^2 + 2\lambda r + \omega_0^2 وΔ=4(λ2ω02)<0\Delta = 4(\lambda^2 - \omega_0^2) < 0 من أجل 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0: الجذران λ±iωd-\lambda \pm \iu\omega_d، ومنه حسب المبرهنة 5.10

x(t)=eλt(λ1cosωdt+μ1sinωdt),(λ1,μ1)R2.x(t) = \eu^{-\lambda t}\bigl(\lambda_1\cos\omega_d t + \mu_1\sin\omega_d t\bigr), \qquad (\lambda_1, \mu_1) \in \R^2 .

ومن أجل λ=0\lambda = 0: x=λ1cosω0t+μ1sinω0tx = \lambda_1\cos\omega_0 t + \mu_1\sin\omega_0 t. وأمّا النظامان الحرج (λ=ω0\lambda = \omega_0) و فوق الحرج (λ>ω0\lambda > \omega_0) فهما نظاما التمرين 5.9 (بعد إعادة سلّم الزمن): أي (λ1+μ1t)eλt(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t}، أو تراكيب er±t\eu^{r_\pm t} حيث r±=λ±λ2ω02r_\pm = -\lambda \pm \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} على التوالي.

2. دون التخميد الحرج: xeλt(λ1+μ1)0\abs x \leq \eu^{-\lambda t}(\abs{\lambda_1} + \abs{\mu_1}) \to 0. وفي الحالة الحرجة: (λ1+μ1t)eλt0(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t} \to 0 لأن الأسّيات تفوق كثيرات الحدود (القضية 4.6). وفوق الحرجة: r<r+=λ+λ2ω02<0r_- < r_+ = -\lambda + \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < 0 لأن λ2ω02<λ\sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < \lambda؛ فتتناقص الأسّيتان معًا.

3. على طول حلّ للمعادلة (H)(H)، وباستعمال x=2λxω02xx'' = -2\lambda x' - \omega_0^2 x:

E(t)=xx+ω02xx=x(2λxω02x)+ω02xx=2λx20.\mathcal E'(t) = x'x'' + \omega_0^2 x x' = x'\bigl(-2\lambda x' - \omega_0^2 x\bigr) + \omega_0^2 xx' = -2\lambda\,x'^2 \leq 0 .

فإذا كان x(t0)=x(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0 كان E(t0)=0\mathcal E(t_0) = 0؛ والمقدار E\mathcal E موجب وغير متزايد، ومنه E0\mathcal E \equiv 0 على [t0,+)\intco{t_0}{+\infty}، فيُفرض x0x \equiv 0 هناك؛ ومن أجل tt0t \leq t_0، أجرِ الحجة نفسها على x~(t)=x(2t0t)\tilde x(t) = x(2t_0 - t)، وهي تحلّ المعادلة بتخميد λ-\lambda لكن لها مع ذلك E~(t0)=0\tilde{\mathcal E}(t_0) = 0 وE~=+2λx~20\tilde{\mathcal E}' = +2\lambda\tilde x'^2 \geq 0 حيث E~0\tilde{\mathcal E} \geq 0؛ والدالة الموجبة غير المتناقصة والمعدومة عند الطرف الأيمن من (,t0]\intoc{-\infty}{t_0} معدومةٌ في كل مكان. إذن x0x \equiv 0 على R\R — وهو برهان بالطاقة على الوحدانية، صالح لكل λ0\lambda \geq 0.

4. x(t+Td)=ReλteλTdcos(ωdt+2πφ)=eλTdx(t)x(t + T_d) = R\,\eu^{-\lambda t}\eu^{-\lambda T_d}\cos(\omega_d t + 2\pi - \varphi) = \eu^{-\lambda T_d}x(t). ومعامل التقلص في كل شبه دور هو eδ\eu^{-\delta} حيث δ=λTd=2πλωd\delta = \lambda T_d = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d}. ومن أجل ω0=1\omega_0 = 1 و λ=0.1\lambda = 0.1: ωd=0.99=0.99499\omega_d = \sqrt{0.99} = 0.99499، ومنه δ=0.628320.99499=0.6315\delta = \frac{0.62832}{0.99499} = 0.6315: أي أن كل تأرجحة تحتفظ بنسبة e0.6353%\eu^{-0.63} \approx 53\% من سعتها.

5. معامل السعة هو eλt\eu^{-\lambda t}، وهو يتناقص بالعامل e\eu خلال t=1λt = \frac1\lambda. ويحوي ذلك المجال 1/λTd=ωd2πλ\frac{1/\lambda}{T_d} = \frac{\omega_d}{2\pi\lambda} من أشباه الأدوار. ومن أجل λω0\lambda \ll \omega_0، يكون ωdω0\omega_d \approx \omega_0 وهذا هو ω02πλ=Qπ\approx \frac{\omega_0}{2\pi\lambda} = \frac Q\pi. فوتر غيتار ذو Q=300Q = 300 يرنّ نحو مئة دور؛ ومخمّد باب ذو Q=1Q = 1 لا يتمّ دورًا واحدًا.

6. بتعويض zeiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} في الطرف الأيسر نجد z(Ω2+2iλΩ+ω02)eiΩtz\,(-\Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega + \omega_0^2)\,\eu^{\iu\Omega t}، وهو يساوي AeiΩtA\,\eu^{\iu\Omega t} بالضبط من أجل z=Aω02Ω2+2iλΩz = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} (والمقام غير معدوم: فجزؤه التخيلي هو 2λΩ>02\lambda\Omega > 0). وبما أن المعاملات حقيقية، يحلّ الجزء الحقيقي xp=(zeiΩt)x_p = \Re\bigl(z\eu^{\iu\Omega t}\bigr) المعادلةَ ذات الطرف الأيمن (AeiΩt)=AcosΩt\Re\bigl(A\eu^{\iu\Omega t}\bigr) = A\cos\Omega t.

7. اكتب ω02Ω2+2iλΩ=Deiφ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega = \sqrt{D}\,\eu^{\iu\varphi} حيث D=(ω02Ω2)2+4λ2Ω2D = (\omega_0^2 - \Omega^2)^2 + 4\lambda^2\Omega^2 وφ(0,π)\varphi \in \intoo0\pi (فالجزء التخيلي 2λΩ2\lambda\Omega موجب)، ومنه tanφ=2λΩω02Ω2\tan\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\omega_0^2 - \Omega^2}. عندئذ z=ADeiφz = \frac{A}{\sqrt D}\eu^{-\iu\varphi} و

xp(t)=(ADei(Ωtφ))=Rcos(Ωtφ),R=AD.x_p(t) = \Re\Bigl(\frac A{\sqrt D}\,\eu^{\iu(\Omega t - \varphi)}\Bigr) = R\cos(\Omega t - \varphi), \qquad R = \frac A{\sqrt D} .

8. عندما Ω0+\Omega \to 0^+: Dω04D \to \omega_0^4، ومنه RA/ω02R \to A/\omega_0^2 و tanφ0+\tan\varphi \to 0^+ مع φ(0,π2)\varphi \in \intoo0{\frac\pi2}: أي φ0\varphi \to 0. فتتبع الكتلة القوة تتبّعًا شبه ساكن، منزاحةً بمقدار القوة على الصلابة. وعندما Ω+\Omega \to +\infty: DΩ4D \sim \Omega^4، ومنه RA/Ω20R \sim A/\Omega^2 \to 0، و φπ\varphi \to \pi (فالعدد العقدي ω02Ω2+2iλΩ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega يذهب إلى الربع الثاني بعمدة π\to \pi): فتتحرك الكتلة بالكاد، وبتعاكس في الطور — إذ يهيمن العطالة.

9. حسب المبرهنة 5.12 (1)، يكون كل حلّ x=xp+xhx = x_p + x_h حيث xhx_h يحلّ (H)(H)؛ وحسب السؤال 2، xh(t)0x_h(t) \to 0، ومنه x(t)xp(t)0x(t) - x_p(t) \to 0: أي أن كل الحلول تتقارب نحو النظام المستقرّ نفسه. والشروط الابتدائية لا تشكّل إلا العابر.

10. إذا كان xx حلًّا دوريًا، كان xxp=xhx - x_p = x_h حلًّا دوريًا للمعادلة (H)(H) يؤول إلى 00 عند ++\infty؛ والدالة الدورية التي نهايتها 00 تساوي 00 تطابقيًا (فقيمها على دور واحد تتكرر إلى الأبد، فتكون كل قيمة نهايةَ متتالية جزئية تؤول إلى 00). ومنه x=xpx = x_p.

11. هنا λ=1\lambda = 1 و ω02=2\omega_0^2 = 2 و Ω=1\Omega = 1 و A=1A = 1: z=121+2i=12i5z = \frac1{2 - 1 + 2\iu} = \frac{1 - 2\iu}5، ومنه

xp=((12i)(cost+isint)5)=cost+2sint5.x_p = \Re\Bigl(\frac{(1 - 2\iu)(\cos t + \iu\sin t)}5\Bigr) = \frac{\cos t + 2\sin t}5 .

والمتجانسة: جذرا r2+2r+2r^2 + 2r + 2 هما 1±i-1 \pm \iu: أي xh=et(Ccost+Ssint)x_h = \eu^{-t}(C\cos t + S\sin t). والشروط: x(0)=15+C=0x(0) = \frac15 + C = 0 تعطي C=15C = -\frac15؛ وبالاشتقاق، x(0)=25C+S=0x'(0) = \frac25 - C + S = 0 تعطي S=C25=35S = C - \frac25 = -\frac35. ومنه

x(t)=cost+2sint5مستقرّetcost+3sint5عابر,x(t) = \underbrace{\frac{\cos t + 2\sin t}5}_{\text{مستقرّ}} - \underbrace{\eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5}_{\text{عابر}} ,

ويفنى العابر مثل et\eu^{-t}.

12. بالنشر، g(u)=u22(ω022λ2)u+ω04=(uur)2+g(ur)g(u) = u^2 - 2(\omega_0^2 - 2\lambda^2)u + \omega_0^4 = (u - u_r)^2 + g(u_r) حيث ur=ω022λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2 و

g(ur)=ω04ur2=(ω02ur)(ω02+ur)=2λ2(2ω022λ2)=4λ2(ω02λ2).g(u_r) = \omega_0^4 - u_r^2 = (\omega_0^2 - u_r)(\omega_0^2 + u_r) = 2\lambda^2\bigl(2\omega_0^2 - 2\lambda^2\bigr) = 4\lambda^2(\omega_0^2 - \lambda^2) .

فإذا كان 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2، كان ur>0u_r > 0 تواترًا مربَّعًا مقبولًا: فللدالة gg قيمة صغرى تامة هناك، ومنه تبلغ R=A/gR = A/\sqrt g قيمة قصوى تامة عند Ωr=ur=ω022λ2\Omega_r = \sqrt{u_r} = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}، مع Rmax=A/g(ur)=A2λω02λ2R_{\max} = A/\sqrt{g(u_r)} = \frac{A}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}}.

13. R(0)=A/ω02R(0) = A/\omega_0^2، ومنه

RmaxR(0)=ω022λω02λ2=ω02λω0ω02λ2=Q(1λ2ω02)1/2Q.\frac{R_{\max}}{R(0)} = \frac{\omega_0^2}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}} = \frac{\omega_0}{2\lambda}\cdot \frac{\omega_0}{\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}} = Q\,\Bigl(1 - \frac{\lambda^2}{\omega_0^2}\Bigr)^{-1/2} \geq Q .

ومن أجل التخميد الضعيف يكون معامل التصحيح قريبًا من 11: فالرنين يضرب الإزاحة الساكنة في QQ أساسًا.

14. V(Ω)2=A2ug(u)V(\Omega)^2 = \frac{A^2 u}{g(u)} حيث u=Ω2u = \Omega^2. ومشتقتها لها إشارة g(u)ug(u)=(ω02u)2+4λ2uu(2(uω02)+4λ2)=(ω02u)2+2u(ω02u)=(ω02u)(ω02+u)g(u) - u\,g'(u) = (\omega_0^2 - u)^2 + 4\lambda^2 u - u\bigl(2(u - \omega_0^2) + 4\lambda^2\bigr) = (\omega_0^2 - u)^2 + 2u(\omega_0^2 - u) = (\omega_0^2 - u)(\omega_0^2 + u)، وهي موجبة من أجل u<ω02u < \omega_0^2 وسالبة بعده: أي قيمة قصوى تامة عند Ω=ω0\Omega = \omega_0 بالضبط، مهما يكن التخميد. وهناك ينفجر tanφ\tan\varphi مع φ(0,π)\varphi \in \intoo0\pi: أي φ=π2\varphi = \frac\pi2، ويكون xp(t)=RΩsin(Ωtπ2)=RΩcos(Ωt)x_p'(t) = -R\Omega\sin(\Omega t - \frac\pi2) = R\Omega\cos(\Omega t) في طور القوة بالضبط: أي أفضل نقل للقدرة.

15. R=Rmax/2    g(u)=2g(ur)    (uur)2=g(ur)=4λ2(ω02λ2)R = R_{\max}/\sqrt2 \iff g(u) = 2g(u_r) \iff (u - u_r)^2 = g(u_r) = 4\lambda^2(\omega_0^2 - \lambda^2)، ومنه

u±=ur±2λω02λ2,Ω+2Ω2=4λω02λ2.u_\pm = u_r \pm 2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}, \qquad \Omega_+^2 - \Omega_-^2 = 4\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2} .

ثم Ω+Ω=Ω+2Ω2Ω++Ω\Omega_+ - \Omega_- = \frac{\Omega_+^2 - \Omega_-^2}{\Omega_+ + \Omega_-}، ومن أجل λω0\lambda \ll \omega_0 يكون كلٌّ من Ω±ω0\Omega_\pm \approx \omega_0: Ω+Ω4λω02ω0=2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx \frac{4\lambda\omega_0}{2\omega_0} = 2\lambda، ومنه ω0Ω+Ωω02λ=Q\frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-} \approx \frac{\omega_0}{2\lambda} = Q. فقياس عرض قمة رنين يقيس معامل جودتها.

16. Q=10Q = 10؛ وΩr=12(0.05)2=0.995=0.9975\Omega_r = \sqrt{1 - 2(0.05)^2} = \sqrt{0.995} = 0.9975؛ وRmax=12×0.0510.0025=10.1×0.99875=10.01R_{\max} = \frac1{2 \times 0.05 \sqrt{1 - 0.0025}} = \frac1{0.1 \times 0.99875} = 10.01؛ والاستجابة الساكنة R(0)=1R(0) = 1؛ وعرض النطاق 2λ=0.1\approx 2\lambda = 0.1. أي شوكة عالية رفيعة ارتفاعها Q\approx Q فوق هضبة ارتفاعها 11.

17. إذا كان 2λ2ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2 كان ur0u_r \leq 0 و g(u)=2(uur)>0g'(u) = 2(u - u_r) > 0 من أجل كل u>0u > 0: فتتزايد gg تمامًا على (0,+)\intoo0{+\infty}، ومنه تتناقص R=A/gR = A/\sqrt g تمامًا من R(0)=A/ω02R(0) = A/\omega_0^2: أي أن الاستجابة أكبر ما تكون عند التواتر المعدوم ولا قمة هناك.

18. العدد γ=iΩ\gamma = \iu\Omega ليس جذرًا لكثير الحدود r2+ω02r^2 + \omega_0^2 (إذ Ωω0\Omega \neq \omega_0)، ومنه يعطي الطريقة 5.13 مع m=0m = 0 أن xp=AcosΩtω02Ω2x_p = \frac{A\cos\Omega t}{\omega_0^2 - \Omega^2} (عوّض و تحقق: Ω2+ω02-\Omega^2 + \omega_0^2 مضروبًا في جيب التمام). والحل العام:

x(t)=AcosΩtω02Ω2+λ1cosω0t+μ1sinω0t.x(t) = \frac{A\cos\Omega t}{\omega_0^2 - \Omega^2} + \lambda_1\cos\omega_0 t + \mu_1\sin\omega_0 t .

19. يفرض x(0)=0x(0) = 0 أن λ1=Aω02Ω2\lambda_1 = -\frac A{\omega_0^2 - \Omega^2}، ويفرض x(0)=0x'(0) = 0 أن μ1=0\mu_1 = 0:

x(t)=Aω02Ω2(cosΩtcosω0t)=2Aω02Ω2sin((ω0Ω)t2)sin((ω0+Ω)t2),x(t) = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2}\, \bigl(\cos\Omega t - \cos\omega_0 t\bigr) = \frac{2A}{\omega_0^2 - \Omega^2}\, \sin\Bigl(\frac{(\omega_0 - \Omega)t}2\Bigr) \sin\Bigl(\frac{(\omega_0 + \Omega)t}2\Bigr) ,

حسب الصيغة الجدائية cosacosb=2sinba2sinb+a2\cos a - \cos b = 2\sin\frac{b - a}2\sin\frac{b + a}2 مطبَّقةً مع a=Ωta = \Omega t و b=ω0tb = \omega_0 t.

20. من أجل Ω\Omega قريبة من ω0\omega_0، يتذبذب الجيب الثاني عند التواتر السريع ω0+Ω2ω0\frac{\omega_0 + \Omega}2 \approx \omega_0، بينما يكون الأول غلافًا بطيئًا تواتره ω0Ω2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2: فتنمو سعة التذبذب السريع وتنحسر مع غلاف دوره 2πω0Ω\frac{2\pi}{\abs{\omega_0 - \Omega}} (أي ضربتان في كل دور غلاف)، وتبلغ قيمًا قصوى 2Aω02Ω2\frac{2A}{\abs{\omega_0^2 - \Omega^2}}. وعندما Ωω0\Omega \to \omega_0، تصير الضربات أبطأ (فالدور \to \infty) وأعلى (فالسعة \to \infty).

21. ثبّت tt. وعندما Ωω0\Omega \to \omega_0:

2Aω02Ω2sin((ω0Ω)t2)=2Aω0+Ωsin((ω0Ω)t2)ω0Ω2A2ω0t2=At2ω0,\frac{2A}{\omega_0^2 - \Omega^2}\sin\Bigl(\frac{(\omega_0 - \Omega)t}2\Bigr) = \frac{2A}{\omega_0 + \Omega}\cdot \frac{\sin\bigl(\frac{(\omega_0 - \Omega)t}2\bigr)} {\omega_0 - \Omega} \longrightarrow \frac{2A}{2\omega_0}\cdot\frac t2 = \frac{At}{2\omega_0} ,

بينما sin((ω0+Ω)t2)sin(ω0t)\sin\bigl(\frac{(\omega_0 + \Omega)t}2\bigr) \to \sin(\omega_0 t): فالنهاية هي x(t)=Atsinω0t2ω0x_\infty(t) = \frac{At\sin\omega_0 t}{2\omega_0}. وللتحقق المباشر: مع C=A2ω0C = \frac A{2\omega_0}، يحقق x=Ctsinω0tx_\infty = Ct\sin\omega_0 t العلاقة x=2Cω0cosω0tCω02tsinω0tx_\infty'' = 2C\omega_0\cos\omega_0 t - C\omega_0^2 t \sin\omega_0 t، ومنه x+ω02x=2Cω0cosω0t=Acosω0tx_\infty'' + \omega_0^2 x_\infty = 2C\omega_0\cos\omega_0 t = A\cos\omega_0 t، مع x(0)=0x_\infty(0) = 0 وx(0)=Csin0+Cω00cos0=0x_\infty'(0) = C\sin 0 + C\omega_0 \cdot 0 \cdot \cos 0 = 0 — ومن أجل ω0=A=1\omega_0 = A = 1 يكون هذا بالضبط المثال 5.19. فالرنين هو انحلال الضربات: أي أول انتفاخة من الغلاف، ممدودةً إلى طول لا نهائي.

22. بلا تخميد تنمو سعة الرنين خطيًا وبلا حدّ؛ ومع تخميد λ>0\lambda > 0 يتشبّع النموّ عند RmaxQAω02R_{\max} \approx Q\,\frac A{\omega_0^2}. والآلية: التبديد يسحب الطاقة بمعدل ينمو مع السعة (السؤال 23)، فيتوقف التراكم بالضبط عندما يحرق التخميد الطاقة بالسرعة التي تمدّه بها الإثارة.

23. مع xp=RΩsin(Ωtφ)x_p' = -R\Omega\sin(\Omega t - \varphi)، وعلى دور واحد يعطي المتوسطان cos2=sin2=12\langle\cos^2\rangle = \langle\sin^2\rangle = \frac12 وsincos=0\langle\sin\cos\rangle = 0 ما يلي:

Pdiss=2λR2Ω2sin2(Ωtφ)=λR2Ω2;\langle P_{\mathrm{diss}}\rangle = 2\lambda\,R^2\Omega^2\,\langle\sin^2(\Omega t - \varphi)\rangle = \lambda R^2\Omega^2 ;

وبنشر sin(Ωtφ)=sinΩtcosφcosΩtsinφ\sin(\Omega t - \varphi) = \sin\Omega t\cos\varphi - \cos\Omega t\sin\varphi:

Pin=ARΩcosΩtsin(Ωtφ)=ARΩsinφ2.\langle P_{\mathrm{in}}\rangle = -AR\Omega\,\bigl\langle\cos\Omega t\,\sin(\Omega t - \varphi)\bigr\rangle = AR\Omega\,\frac{\sin\varphi}2 .

وبما أن sinφ=2λΩD=2λΩRA\sin\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\sqrt D} = \frac{2\lambda\Omega R}A، فهذا هو ARΩ22λΩRA=λR2Ω2\frac{AR\Omega}2 \cdot \frac{2\lambda\Omega R}A = \lambda R^2\Omega^2: أي أن القدرتين المحقونة والمبدَّدة تتوازنان بالضبط — وهي الخاصية التي تعرّف النظام المستقرّ.

24. (أ) فصلت مبرهنة البنية كل حلّ إلى نظام مستقرّ زائد عابر (الأسئلة 9–11) وردّت الوحدانية إلى المسألة المتجانسة. (ب) وحوّلت الطريقة العقدية البحثَ عن حلّ خاص إلى قسمة واحدة لعددين عقديين (السؤال 6)، مع قراءة السعة والطور من مقياس وعمدة. (ج) ومنحني الرنين دراسة دالة خالصة — كثير حدود من الدرجة الثانية في u=Ω2u = \Omega^2، وقيمته الصغرى، ومجموعات مستوياته — على نهج الفصل 4 (الأسئلة 12–17).

25. الحرّ والمخمَد: أشباه تذبذبات متناقصة، وعمرها 1λ\frac1\lambda، ونحو Qπ\frac Q\pi تأرجحة. والمُثار والمخمَد: تفنى العابرات، وينجو نظام مستقرّ جيبيّ وحيد عند تواتر الإثارة، تبلغ سعته قمتها قرب ω0\omega_0 (وارتفاعها Q×\approx Q \times الساكنة، وعرضها ω0Q\approx \frac{\omega_0}Q) ويجتاح طوره من 00 إلى π\pi مارًّا بالقيمة π2\frac\pi2 عند ω0\omega_0. والحرّ وغير المخمَد: تذبذب دائم. والمُثار وغير المخمَد: ضربات، تنحلّ إلى رنين ينمو خطيًا عند الضبط التام. وعدد لابعديّ واحد، Q=ω02λQ = \frac{\omega_0}{2\lambda}، يضبط كل شيء — فارتفاع القمة وعرض النطاق وعمر العابر ثلاث قراءات للقرص نفسه. وأمّا التتمة: فإعادة كتابة x+2λx+ω02xx'' + 2\lambda x' + \omega_0^2x في صورة جملة من الرتبة الأولى تفتح طرائق المصفوفات في الفصل 21 ومجلد السنة 2، وتفكيك إثارة دورية كيفية إلى جيوب (متسلسلات فورييه، مجلد السنة 3) يجعل تحليل هذه المسألة ذا التواتر الواحد اللبنةَ الكونية: حُلَّ من أجل كل تواتر، ثم راكِب.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (395) في المسرد