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 I مجالًا ولتكن a,b:I→R (أو C) متصلتين. المعادلة
(E):y′+a(x)y=b(x),
ذات المجهول الدالة القابلة للاشتقاق y:I→R (أو C)، تُسمّى معادلة تفاضلية خطية من الرتبة الأولى. والمعادلة (H):y′+a(x)y=0 هي معادلتها المتجانسة.
مبرهنة 5.2(حلّ المعادلة المتجانسة)
لتكن A دالة أصلية للدالة a على I (وهي موجودة: الفصل 15). حلول (H) على I هي بالضبط الدوال
y(x)=λe−A(x),λ∈R (أو C).
برهان. هذه الدوال حلول: y′=−λA′e−A=−ay. وبالعكس، ليكن y حلًّا للمعادلة (H) ولنضع z(x)=y(x)eA(x). عندئذ
z′=y′eA+yaeA=(y′+ay)eA=0,
فتكون z ثابتة على المجال I، وليكن z=λ: أي y=λe−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=0 على R. الدالة الأصلية للدالة a(x)=cosx هي A(x)=sinx، ومنه فالحلول هي
y(x)=λe−sinx,λ∈R.
وقراءتان. كل حلّ دوريّ (ودوره 2π) ولا ينعدم أبدًا إلا إذا كان λ=0 — فإشارة λ هي إشارة y إلى الأبد، لأن الدالة الأسّية لا يمكن أن تقطع الصفر. والحلّ الذي يحقق y(0)=y0 هو y0e−sinx: 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:
حلول (E) على I هي بالضبط
y(x)=(λ+∫x0xb(t)eA(t)dt)e−A(x),λ∈R,
حيث x0∈I مثبَّت. وعلى نحو مكافئ: الحل العام للمعادلة (H) زائد حلّ خاص واحد للمعادلة (E).
من أجل كل x0∈I وكل y0، تكون لمسألة كوشي «(E) مع y(x0)=y0» حلٌّ واحد بالضبط على I.
برهان. (1) باتباع الطريقة المسمّاة تغيير الثابت، نبحث عن حلول على الصورة y=μ(x)e−A(x) حيث μ قابلة للاشتقاق — ولا تضيع أيّ عمومية، لأن كل دالة على I يمكن كتابتها هكذا (μ=yeA). وبالتعويض،
y′+ay=μ′e−A−μae−A+aμe−A=μ′e−A,
فيكون y حلًّا للمعادلة (E) إذا وفقط إذا كان μ′(x)=b(x)eA(x)، أي إذا وفقط إذا كان μ(x)=λ+∫x0xb(t)eA(t)dt من أجل ثابت λ ما (فدالتان أصليتان للدالة المتصلة نفسها على مجال تختلفان بثابت).
حُلَّ y′+xy=x2 على I=(0,+∞). هنا a(x)=x1 و A(x)=lnx وe−A(x)=x1. والحلول المتجانسة: xλ. وبتغيير الثابت: μ′(x)=x2⋅x=x3، ومنه μ=4x4+λ، و
y(x)=4x3+xλ,λ∈R.
ومع الشرط الابتدائي y(1)=0: يكون λ=−41. وللتحقق:y′+xy=43x2−x2λ+4x2+x2λ=x2.
مثال 5.6(التخمين يسبق المكاملة)
حُلَّ y′+2xy=x على R. تغيير الثابت يفي بالغرض (A=x2 و μ′=xex2 وμ=21ex2+λ)، لكن ملاحظة أن الثابتyp=21 حلٌّ للمعادلة (0+2x⋅21=x) أسرع. ومع الحلول المتجانسة λe−x2:
y(x)=21+λe−x2,λ∈R.
وكل حلّ يتقارب نحو 21 بسرعة بالغة عندما x→±∞: 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 a و b متصلتين. فمن أجل y′+xy=0 على R∗، تكون الحلول xλ على (0,+∞) و xμ على (−∞,0) بثابتين مستقلين: فلا سبب يجعل صيغة واحدة تلتحم عبر الشذوذ عند 0.
مثال 5.8(طرف أيمن عقديّ، وجوابان حقيقيان)
حُلَّ y′−y=cosx و y′−y=sinx دفعة واحدة. اعمل في C مع الطرف الأيمن eix: فتجريب yp=ceix يعطي c(i−1)eix=eix، ومنه
وبما أن للمعادلة معاملات حقيقية، ينفصل الجزآن الحقيقي والتخيلي: فالدالة 2sinx−cosx حلٌّ للمعادلة y′−y=cosx، والدالة −2sinx+cosx حلٌّ للمعادلة y′−y=sinx (وتحقق من الأولى: المشتقة 2cosx+sinx، ناقصَ الدالة، تعطي cosx). 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,b∈R ولتكن f:I→R متصلة. المعادلة
(E):y′′+ay′+by=f(x)
تُسمّى معادلة خطية من الرتبة الثانية ذات معاملات ثابتة؛ و(H):y′′+ay′+by=0 هي معادلتها المتجانسة، و χ(r)=r2+ar+b هو كثير حدودها المميِّز.
مبرهنة 5.10(الحلول المتجانسة)
ليكن Δ=a2−4b مميّز χ. الحلول الحقيقية للمعادلة (H) على R هي:
إذا كان Δ>0، مع r1=r2 الجذرين الحقيقيين: y=λer1x+μer2x؛
وإذا كان Δ=0، مع r0 الجذر المضاعف: y=(λ+μx)er0x؛
وإذا كان Δ<0، والجذران α±iω (حيث ω>0): y=eαx(λcosωx+μsinωx)؛
وفي كل حالة يجري (λ,μ) على R2.
برهان. لاحظ أولًا أنه من أجل r∈C، تكون x↦erx حلًّا للمعادلة (H) إذا وفقط إذا كان χ(r)=0 (عوّض: (r2+ar+b)erx=0). وهذا هو سبب كون الأسّيات التخمين الأول الطبيعي: فالاشتقاق يؤثر في erx كالضرب في العدد r، فتصير المعادلة التفاضلية المعادلةَ العددية χ(r)=0 — وتنضغط المسألة التحليلية كلها في إيجاد جذور معادلة واحدة من الدرجة الثانية.
والخطوة المفتاحية تغييرُ مجهول يخفض الرتبة. ليكن r جذرًا (عقديًا ربما) لكثير الحدود χ ولنكتب y=zerx، وهذا لا يفقد أيّ عمومية. عندئذ
فتصير (H) المعادلةَ من الرتبة الأولىu′+(2r+a)u=0 من أجل u=z′.
الحالة Δ=0: نختار r=r1؛ عندئذ 2r1+a=r1−r2 (لأن r1+r2=−a). وحسب المبرهنة 5.2، يكون z′=ce(r2−r1)x من أجل ثابت c ما؛ وبالمكاملة على R، يكون z=μe(r2−r1)x+λ حيث μ=r2−r1c، ومنه y=zer1x=λer1x+μer2x. وعندما Δ<0، يكون الجذران α±iω وتكون الحلول العقدية y=c1e(α+iω)x+c2e(α−iω)x حيث c1,c2∈C. فأيّ هذه الحلول حقيقية القيم؟ بما أن e(α+iω)x=e(α−iω)x، يكون مرافق y هو c2e(α+iω)x+c1e(α−iω)x، ويفرض y=y من أجل كل x أن c2=c1 (فالأسّيتان مستقلتان خطيًا: احسب عند نقطتين، أو قارن عند x=0 بعد القسمة على eαx). وبكتابة c1=2λ−iμ حيث λ,μ حقيقيان:
y=2ℜ(c1eαx(cosωx+isinωx))=eαx(λcosωx+μsinωx),
وبالعكس فإن كل دالة كهذه حلّ (فهي جزء حقيقي لحلّ عقديّ لمعادلة حقيقية): فيكون فضاء الحلول الحقيقية كما أُعلن.
الحالة Δ=0:r=r0 و 2r0+a=0، ومنه z′′=0: أي z=λ+μx وy=(λ+μx)er0x. ∎
مثال 5.11(مسألة كوشي من أولها إلى آخرها)
حُلَّ y′′−3y′+2y=0 مع y(0)=0 و y′(0)=1. لكثير الحدود المميِّز r2−3r+2=(r−1)(r−2) الجذران الحقيقيان 1 و 2: فالحل العام y=λex+μe2x. ويعطي الشرطان الجملة الخطية
λ+μ=0,λ+2μ=1,
ومنه μ=1 و λ=−1:
y(x)=e2x−ex.
وللتحقق: y(0)=0؛ وy′=2e2x−ex يحقق y′(0)=1؛ و y′′−3y′+2y=(4−6+2)e2x+(−1+3−2)ex=0. ولاحظ شكل الجواب: فقرب −∞ يهيمن النمط البطيء −ex؛ وقرب +∞ يهيمن النمط السريع e2x. 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 Δ=a2−4b وحدها — قبل حلّ أيّ شيء.
مبرهنة 5.12(البنية ومسألة كوشي)
إذا كان yp حلًّا خاصًّا للمعادلة (E)، فإن حلول (E) هي بالضبط yp+yh، حيث يجري yh على حلول (H).
(التراكب) إذا كان y1 حلًّا للمعادلة y′′+ay′+by=f1 وكان y2 حلًّا للمعادلة y′′+ay′+by=f2، فإن y1+y2 حلٌّ للمعادلة ذات الطرف الأيمن f1+f2.
من أجل كل x0∈I وكل (y0,y0′)، يكون لمسألة كوشي «(E) مع y(x0)=y0 و y′(x0)=y0′» حلٌّ واحد بالضبط على I. (والوجود ممنوح بوجود حلّ خاص؛ والوحدانية كاملة.)
برهان. (1) يكون y حلًّا للمعادلة (E) إذا وفقط إذا كان y−yp حلًّا للمعادلة (H)، بخطية y↦y′′+ay′+by. و (2) هي الخطية نفسها.
(3) حسب (1) يكفي أن نبرهن على أن الثابتين (λ,μ) يمكن دائمًا ضبطهما، ضبطًا وحيدًا، على أيّ معطيات (y0,y0′). وبانسحاب المتغير، لنفترض x0=0. في الحالة (1) من المبرهنة 5.10، يعطي y=λer1x+μer2x
y(0)=λ+μ,y′(0)=r1λ+r2μ:
وهي جملة خطية في (λ,μ) محدّدها r2−r1=0؛ وبحلّها صراحةً نجد μ=r2−r1y0′−r1y0 و λ=y0−μ: أي حلّ واحد بالضبط. وفي الحالة (2)، y(0)=λ وy′(0)=r0λ+μ: فالجملة مثلثية ومحدّدها 1، وحلّها λ=y0 و μ=y0′−r0y0. وفي الحالة (3)، y(0)=λ وy′(0)=αλ+ωμ: فالمحدّد ω=0، والحلّ λ=y0 وμ=ωy0′−αy0. وفي كل حالة يكون التطبيق(λ,μ)↦(y(x0),y′(x0)) تقابلًا خطيًا — وستضغط لغة الفصل 20 فحصَ الحالات هذا في جملة واحدة. ∎
طريقة 5.13(حلّ خاص من أجل f(x)=P(x)eγx)
عندما يكون الطرف الأيمن P(x)eγx حيث P كثير حدود و γ∈R (وهذا يشمل كثيرات الحدود والأسّيات، وعبر γ عقديّ أو التراكب، الدالتين cos و 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),
حيث Q كثير حدود من درجة P نفسها، وتُوجد معاملاته بالتعويض والمطابقة. ومن أجل f=Kcosωx (أو sin)، حُلَّ مع الطرف الأيمن Keiωx وخذ الجزء الحقيقي (أو التخيلي على التوالي).
مثال 5.14(التراكب في العمل)
حُلَّ y′′−y=ex+4 على R. والمتجانسة: χ(r)=r2−1، وجذراها ±1، ومنه yh=λex+μe−x. وافصل الطرف الأيمن وعالج كل قطعة بصندوق الطريقة. القطعة ex: هنا γ=1 جذر بسيط لكثير الحدود χ، فجرّب y1=cxex: عندئذ y1′′−y1=c(x+2)ex−cxex=2cex، ومنه c=21. القطعة 4: العدد γ=0 ليس جذرًا؛ فالثابت y2=−4 يفي بالغرض. وبالتراكب (المبرهنة 5.12 (2)):
y=2xex−4+λex+μe−x,(λ,μ)∈R2.
ولاحظ كيف اقتضت القطعتان صورتين مختلفتين (m=1 في مقابل m=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′=x على R. الطرف الأيمن هو P(x)e0⋅x مع P(x)=x، والعدد γ=0 جذر بسيط لكثير الحدود χ(r)=r2+r=r(r+1): ومنه m=1، ويكون التخمين الصحيح yp=x(αx+β)=αx2+βx، أي بدرجة أعلى بواحد من درجة P. وبالتعويض:
yp′′+yp′=2α+(2αx+β)=2αx+(2α+β),
والمطابقة مع x تعطي α=21 و β=−1: yp=2x2−x. والحل العام: y=2x2−x+λ+μe−x. ولو خمّنّا yp=αx+β (بتجاهل التضاعف) لأعطى التعويض yp′′+yp′=α، وهو ثابت — فلا اختيار للثابتين α,β يطابق x، والإخفاق بنيويّ: فالثوابت تحلّ المعادلة المتجانسة أصلًا، فهي غير مرئية للطرف الأيسر. والعامل xm 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 العامة الجوابَ المعروف عند Ω=0؟). وتكلّف هذه العادة نصف دقيقة؛ وهي تحوّل «صحيح غالبًا» إلى «متحقَّق منه».
ملاحظة 5.17(مزالق شائعة)
سوِّ أولًا. تفترض الصيغ أن المعادلة تُقرأ y′+a(x)y=b(x) — أي بمعامل 1 للمقدار y′. فمن أجل xy′−2y=x3، اقسم على x (على مجال يتفادى 0) قبل تعيين a و b، كما في التمرين 5.2.
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 الكاملyp+yh، لا على yh وحده — وفرضها قبل إضافة yp أشيع الأخطاء البنيوية.
انتبه إلى التضاعف. تخمين حلّ خاص يحلّ المعادلة المتجانسة غير مرئيّ للطرف الأيسر؛ والعامل xm في الطريقة 5.13 ليس اختياريًا (المثال 5.15).
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∗» تعني مسألتين مستقلتين.
مثال 5.18(إثارة بعيدة عن الرنين)
حُلَّ y′′+4y=sinx على R. التواتر الذاتي 2، وتواتر الإثارة 1: وبما أن iليس جذرًا لكثير الحدود χ(r)=r2+4، يكون التضاعف m=0 ويكفي جيب بسيط. وبتجريب yp=αsinx (ولا حاجة إلى جيب تمام: فالمعادلة بلا حدّ y′، والدالة sin تولّد sin):
yp′′+4yp=−αsinx+4αsinx=3αsinx,
ومنه α=31 ويكون الحل العام
y=3sinx+λcos2x+μsin2x.
وكل حلّ يبقى محدودًا: فهو تراكب لتذبذبين عند التواترين 1 (المفروض) و 2 (الذاتي). وقارن ذلك بالمثال التالي، حيث تغيّر الإثارة عند التواتر الذاتي شكلَ الجواب نفسه.
مثال 5.19(تذبذب مُثار)
حُلَّ y′′+y=cosx مع y(0)=0 و y′(0)=0.
المتجانسة:χ(r)=r2+1، وجذراها ±i: أي yh=λcosx+μsinx.
الحل الخاص: الطرف الأيمن ℜ(eix) مع γ=i جذرًا بسيطًا لكثير الحدود χ: فجرّب zp=cxeix (حيث c∈C). عندئذ zp′′+zp=c(2i)eix، وهو يساوي eix من أجل c=2i1=−2i. ومنه zp=−2ix(cosx+isinx) وyp=ℜ(zp)=2xsinx.
الحل العام:y=2xsinx+λcosx+μsinx. والشروط: y(0)=λ=0؛ وy′=2sinx+xcosx+μcosx، ومنه y′(0)=μ=0. والجواب: y=2xsinx — وهو تذبذب تنمو سعته خطيًا: أي ظاهرة الرنين، الناتجة عن إثارة الجملة عند تواترها الذاتي.
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: فالتطبيقL(y)=y′′+ay′+byخطيّ، وحلوله المتجانسة تكوّن نواةL، وهي فضاء متجهي بُعده يساوي رتبة المعادلة — وهذا هو المضمون الأمين لعبارة «ثابت واحد لكل رتبة» — ومجموعة حلول L(y)=fفضاء جزئي تآلفي، أي منسحب النواة. بل إن تطبيق كوشي (λ,μ)↦(y(x0),y′(x0)) في المبرهنة 5.12 تقابل خطيّ بين مستويين، أي جملة 2×2 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) تكوّن «حلًّا خاصًّا زائد حلول (H)» — هي الظهور الأول لنمط سيسمّيه الفصول 18 و20: فمجموعة حلول (H) هي نواةالتطبيق الخطي y↦y′′+ay′+by، ومجموعة حلول (E) منسحبٌ تآلفيّ لها. ويعود كثير الحدود المميِّز في صورة كثير الحدود المميِّز لمصفوفة في الفصل 21: فالمعادلة من الرتبة الثانية جملةٌ 2×2 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: y′+2y=e3x؛ ثم مسألة كوشي y(0)=1.
حل
حل التمرين 5.1.
المتجانسة: yh=λe−2x. والحل الخاص: جرّب yp=ce3x (فالعدد 3 ليس جذرًا لكثير الحدود r+2): 3c+2c=1، ومنه c=51. والحل العام: y=5e3x+λe−2x. ومع y(0)=1: 51+λ=1 و λ=54، ومنه y=5e3x+4e−2x.
تمرين 5.2★
حُلَّ على (0,+∞): xy′−2y=x3(ضع المعادلة في الصورة المسوّاة أولًا).
حل
حل التمرين 5.2.
على (0,+∞)، اقسم على x: y′−x2y=x2. وهنا A(x)=−2lnx و e−A(x)=x2: فالحلول المتجانسة λx2. وبتغيير الثابت: μ′(x)=x2⋅x−2=1، ومنه μ=x+λ و
y(x)=x3+λx2,λ∈R.
وللتحقق:x(3x2+2λx)−2(x3+λx2)=x3.
تمرين 5.3★
حُلَّ على R، معطيًا الحل العام الحقيقي: y′′−3y′+2y=0؛ و y′′+4y′+4y=0؛ وy′′−2y′+5y=0.
حُلَّ y′′−y=x2 على R، ثم مسألة كوشي y(0)=0 و y′(0)=1.
حل
حل التمرين 5.4.
المتجانسة: الجذران ±1، ومنه yh=λex+μe−x. والحل الخاص بطرف أيمن كثير الحدود (فالعدد γ=0 ليس جذرًا): yp=ax2+bx+c؛ وبالتعويض، يعطي 2a−(ax2+bx+c)=x2 أن a=−1 و b=0 و c=2a=−2: أي yp=−x2−2. والحل العام y=−x2−2+λex+μe−x.
ومسألة كوشي: y(0)=−2+λ+μ=0 وy′(0)=λ−μ=1: ومنه λ=23 و μ=21. أي y=−x2−2+23ex+e−x.
تمرين 5.5★★
حُلَّ على (−2π,2π): y′+ytanx=sin2x.
حل
حل التمرين 5.5.
a(x)=tanx و A(x)=−ln(cosx) (وهذا صالح: إذ cos>0 على المجال) و e−A=cosx: فالحلول المتجانسة λcosx. وبتغيير الثابت: μ′(x)=sin2x⋅cosx1=2sinx، ومنه μ=−2cosx+λ و
y(x)=−2cos2x+λcosx.
وللتحقق:y′=4cosxsinx−λsinx وytanx=−2cosxsinx+λsinx؛ ومجموعهما 2cosxsinx=sin2x، وهو المطلوب.
تمرين 5.6★★
حُلَّ y′′−4y′+3y=(2x+1)ex على R. (انتبه إلى التضاعف: هل 1 جذر لكثير الحدود المميِّز؟)
حل
حل التمرين 5.6.
χ(r)=r2−4r+3=(r−1)(r−3): العدد γ=1 جذر بسيط (أي m=1). جرّب yp=x(ax+b)ex. ومع u=ax2+bx،
وبالمطابقة مع (2x+1)ex: −4a=2 و 2a−2b=1، ومنه a=−21 و b=−1. والحل العام:
y=−(2x2+x)ex+λex+μe3x,(λ,μ)∈R2.
تمرين 5.7★★
حُلَّ y′′+4y=sin2x+x على R(بالتراكب؛ عالج كل طرف أيمن على حدة).
حل
حل التمرين 5.7.
المتجانسة: yh=λcos2x+μsin2x.
والطرف الأيمن x (فالعدد γ=0 ليس جذرًا): y1=ax+b مع 4(ax+b)=x: ومنه y1=4x.
والطرف الأيمن sin2x=ℑ(e2ix)، والعدد 2i جذر بسيط لكثير الحدود r2+4: فجرّب z=cxe2ix؛ عندئذ z′′+4z=4ice2ix، وهو يساوي e2ix من أجل c=4i1=−4i. ومنه z=−4ix(cos2x+isin2x) وy2=ℑ(z)=−4xcos2x.
وبالتراكب:
y=4x−4xcos2x+λcos2x+μsin2x.
تمرين 5.8★★
فنجان قهوة درجة حرارته T0=80∘C موضوع في غرفة درجة حرارتها 20∘C. ينصّ قانون نيوتن للتبريد على أن T′=−k(T−20) حيث k>0. حُلَّ من أجل T(t)، وإذا علمت أن القهوة عند 50∘C بعد 10 دقائق، فجد متى تبلغ 25∘C.
حل
حل التمرين 5.8.
للمعادلة T′+kT=20k حلٌّ خاص ثابت هو 20 وحلول متجانسة λe−kt: أي T(t)=20+λe−kt، ويعطي T(0)=80 أن λ=60:
T(t)=20+60e−kt.
ومن T(10)=50: e−10k=21، ومنه k=10ln2. ثم يقتضي T(t)=25 أن e−kt=605=121، أي
t=kln12=10ln2ln12≈35.8 دقيقة.
تمرين 5.9★★★
(المتذبذب المخمَد) من أجل ε≥0، تأمّل y′′+2εy′+y=0.
حُلَّ من أجل ε∈[0,1) ومن أجل ε=1 ومن أجل ε>1.
بيّن أنه من أجل ε>0 يؤول كل حلّ إلى 0 عند +∞، وأنه من أجل ε=0 لا تؤول الحلول غير المعدومة إلى ذلك.
من أجل ε∈(0,1)، بيّن أن أصفار حلّ غير معدوم متباعدة بانتظام، وأن الفجوة 1−ε2π.
حل
حل التمرين 5.9.
χ(r)=r2+2εr+1 وΔ=4(ε2−1). ومن أجل ε∈[0,1): الجذران −ε±i1−ε2، ومنه y=e−εt(λcosωt+μsinωt) حيث ω=1−ε2. ومن أجل ε=1: الجذر المضاعف −1، ومنه y=(λ+μt)e−t. ومن أجل ε>1: الجذران الحقيقيان r±=−ε±ε2−1، وكلاهما <0، وy=λer+t+μer−t.
من أجل ε∈(0,1): ∣y∣≤e−εt(∣λ∣+∣μ∣)→0. ومن أجل ε=1: (λ+μt)e−t→0 (فالأسّية تفوق كثير الحدود، القضية 4.6). ومن أجل ε>1: تتناقص الأسّيتان لأن r±<0 (وبالفعل ε2−1<ε). ومن أجل ε=0: للمقدار y=λcost+μsint سعة ثابتة λ2+μ2=0 إلا إذا كان y=0.
اكتب λcosωt+μsinωt=Rcos(ωt−φ) حيث R=λ2+μ2>0. وأصفار y هي أصفار cos(ωt−φ) (فالعامل e−εt لا ينعدم أبدًا): أي ωt−φ≡2π(modπ)، وهي متتالية حسابية فجوتها ωπ=1−ε2π.
تمرين 5.10★★★
جد كل الدوال f:R→R القابلة للاشتقاق مرتين والتي تحقق
∀x,y∈R,f(x+y)+f(x−y)=2f(x)f(y),
مع f(0)=0 و f غير ثابتة. إرشاد: ثبّت y، واشتقّ مرتين بالنسبة إلى x عند 0؛ وبيّن أن f(0)=1 وأن f′′=cf من أجل ثابت c ما؛ ثم حُلَّ بحسب إشارة c وتحقق من أيّ الحلول يحقق المعادلة الدالية.
حل
حل التمرين 5.10.
ضع x=y=0: 2f(0)=2f(0)2، ويعطي f(0)=0 أن f(0)=1. ثبّت x واشتقّ المعادلة مرتين بالنسبة إلى y:
f′′(x+y)+f′′(x−y)=2f(x)f′′(y).
وبوضع y=0: 2f′′(x)=2f(x)f′′(0)، أي
f′′(x)=cf(x),c=f′′(0).
الحالة c=ω2>0:f(x)=λcoshωx+μsinhωx؛ ويعطي f(0)=1 أن λ=1. وبالتعويض في المعادلة الدالية وباستعمال صيغ الجمع (القضية 4.18)، تفرض المعادلة أن μ=0 (قارن معاملي sinhωxsinhωy أو احسب عند x=y): ومنه f=coshωx، وهي تحقق فعلًا cosh(x+y)+cosh(x−y)=2coshxcoshy.
الحالة c=−ω2<0: وبالمثل f(x)=cosωx (حيث ω=0)، وهي تحقق المعادلة.
الحالة c=0: تكون f تآلفية مع f(0)=1: أي f(x)=1+μx؛ وتفرض المعادلة أن μ=0، وهذا مستبعد (f غير ثابتة).
والخلاصة: الحلول هي f(x)=cosωx وf(x)=coshωx حيث ω>0.
تمرين 5.11★★
(معادلة أويلر) حُلَّ x2y′′−xy′+y=0 على (0,+∞). إرشاد: ضع z(t)=y(et)، أي عوّض x=et، وبيّن أن z تحقق معادلة خطية ذات معاملات ثابتة.
حل
حل التمرين 5.11.
ضع z(t)=y(et)، بحيث يكون y(x)=z(lnx) من أجل x>0. عندئذ
y′(x)=xz′(lnx),y′′(x)=x2z′′(lnx)−z′(lnx),
وبالتعويض في المعادلة:
x2y′′−xy′+y=(z′′−z′)−z′+z=z′′−2z′+z=0.
وكثير الحدود المميِّز (r−1)2: أي الجذر المضاعف 1، ومنه z(t)=(λ+μt)et، وبالعودة إلى المتغير x=et:
y(x)=(λ+μlnx)x,λ,μ∈R.
تمرين 5.12★★★
تأمّل المعادلة xy′=2y على المستقيم الحقيقي كله، ذات المجهول الدالة القابلة للاشتقاق y:R→R.
حُلَّ على (0,+∞) وعلى (−∞,0).
بيّن أنه من أجل أيّ ثابتين a,b∈R، تكون الدالة التي تساوي ax2 من أجل x≥0 و bx2 من أجل x<0 قابلة للاشتقاق على R وتحلّ المعادلة في كل مكان.
استنتج أن مجموعة الحلول على R عائلة ذات وسيطين، واشرح لماذا لا يناقض هذا الوحدانية في المبرهنة 5.4.
حل
حل التمرين 5.12.
في الصورة المسوّاة y′−x2y=0 على كل مجال: A(x)=−2ln∣x∣، ومنه فالحلول هي y=ax2 على (0,+∞) و y=bx2 على (−∞,0)، بثابتين مستقلين (المبرهنة 5.2).
لتكن y=ax2 من أجل x≥0 و bx2 من أجل x<0. على كل نصف مستقيم مفتوح تكون y قابلة للاشتقاق مع xy′=2y. وعند 0: تؤول نسبتا التزايد hy(h)−y(0)=ah و bh إلى 0، فتوجد y′(0)=0، وتُقرأ المعادلة عند x=0 هكذا 0⋅y′(0)=2y(0)=0: وهي متحققة. إذن تحلّ y المعادلة على R كلها.
الحلول على 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=0، لا يكون المعامل a(x)=−x2 متصلًا عند 0 — بل ليس معرَّفًا أصلًا — فلا تكون R مجالًا تنطبق عليه المبرهنة. فالشذوذ عند 0 يفصل نصفي المستقيم، والقيمة y(0)=0 مفروضة ولا تحمل أيّ معلومة عبره. وكل معطى كوشي عند x0=0 لا يحدّد الحل إلا على نصف المستقيم الذي يحتوي x0.
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),
حيث λ≥0 التخميد و ω0>0 التواتر الذاتي و A>0 و Ω>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<ω0 (النظام دون التخميد الحرج) ونكتب ωd=ω02−λ2.
الجزء 1 — المتذبذب الحرّ. هنا A=0.
حُلَّ المعادلة المتجانسة (H) من أجل 0<λ<ω0 ومن أجل λ=0. (والنظامان λ≥ω0 عولجا في التمرين 5.9؛ فاذكرهما.)
بيّن أنه من أجل كل λ>0، تؤول كل حلول (H) إلى 0 عند +∞ — في الأنظمة الثلاثة كلها.
عرّف الطاقة E(t)=21x′(t)2+21ω02x(t)2 على طول حلّ للمعادلة (H). بيّن أن E′(t)=−2λx′(t)2≤0، واستنتج (دون حلّ أيّ شيء) أن مسألة كوشي «(H) مع x(t0)=x′(t0)=0» ليس لها إلا الحل المعدوم، من أجل كل λ≥0.
من أجل 0<λ<ω0، اكتب الحل غير المعدوم على الصورة x(t)=Re−λtcos(ωdt−φ) وليكن Td=ωd2π شبه الدور. بيّن أن x(t+Td)=e−λTdx(t): أي أن كل تأرجحة هي السابقة مصغَّرةً بالعامل الثابت e−δ، حيث δ=ωd2πλ (وهو التناقص اللوغاريتمي). واحسب δ من أجل ω0=1 و λ=0.1.
عرّف معامل الجودةQ=2λω0. بيّن أنه بعد الزمن λ1 (أي تناقص السعة بالعامل e مرة واحدة)، يكون المتذبذب قد أتمّ 2πλωd من أشباه الأدوار، وهو من أجل التخميد الضعيف (λ≪ω0) قريب من πQ: فمعامل الجودة يعدّ، بمعامل π، التذبذبات التي تنجو قبل أن تتناقص السعة بالعامل e.
الجزء 2 — النظام المستقرّ. الآن A>0 و λ>0.
ابحث عن حلّ خاص بوصفه الجزء الحقيقي للمقدار zeiΩt حيث z∈C (الطريقة 5.13). بيّن أن ذلك يفي بالغرض مع
z=ω02−Ω2+2iλΩA.
استنتج النظام المستقرّ في صورة السعة والطور: xp(t)=R(Ω)cos(Ωt−φ(Ω)) حيث
فسّر النظامين الطرفيين: احسب نهايتَي R و φ عندما Ω→0+ (أي الاستجابة شبه الساكنة A/ω02، والطور 0) وعندما Ω→+∞ (أي R∼A/Ω2→0، والطور →π: فتتحرك الكتلة عكس إثارة أسرع مما ينبغي).
بيّن أن كل حلّ للمعادلة (EΩ) هو xp زائد حلٍّ للمعادلة (H)، ومنه فهو يتقارب نحو النظام المستقرّ xp عندما t→+∞، مهما تكن الشروط الابتدائية: فبعد فناء العابر لا تبقى للمتذبذب أيّ ذاكرة عن كيفية بدئه.
بيّن أن xp هو الحل الدوري الوحيد للمعادلة (EΩ).
أنجز مسألة كوشي واحدة إلى نهايتها: من أجل x′′+2x′+2x=cost مع x(0)=x′(0)=0، بيّن أن الحل هو
بوضع u=Ω2 وg(u)=(ω02−u)2+4λ2u، بيّن: أنه إذا كان 2λ2<ω02 بلغت R قيمة قصوى تامة عند تواتر الرنينΩr=ω02−2λ2، مع
Rmax=R(Ωr)=2λω02−λ2A.
بيّن أن R(0)Rmax=Q(1−ω02λ2)−1/2≥Q: أي أنه عند الرنين تتضخّم الإثارة بمعامل الجودة (أساسًا).
برهن على أن سعة السرعةV(Ω)=ΩR(Ω) تبلغ قيمتها القصوى عند Ω=ω0 بالضبط (لا عند Ωr)، وأن الطور هناك φ(ω0)=2π: أي أنه عند Ω=ω0 تكون السرعة في طور القوة بالضبط.
(عرض النطاق) حُلَّ g(u)=2g(ur) حلًّا مضبوطًا، حيث ur=ω02−2λ2، واستنتج أن التواترين Ω± اللذين عندهما R=Rmax/2 يحققان Ω+2−Ω−2=4λω02−λ2؛ واستنتج أنه من أجل التخميد الضعيف يكون عرض النطاق Ω+−Ω−≈2λ، أي Q≈Ω+−Ω−ω0: فقمم الرنين الحادّة هي جمل ذات Q عالٍ.
صورة عددية من أجل ω0=1 و λ=0.05 (أي Q=10) و A=1: احسب Ωr و Rmax و الاستجابة الساكنة R(0) وعرض النطاق التقريبي.
بيّن أنه إذا كان 2λ2≥ω02 فإن R متناقصة تمامًا على (0,+∞): أي أن الجمل الشديدة التخميد بلا قمة رنين البتة.
من أجل Ω=ω0، جد الحل العام للمعادلة x′′+ω02x=Acos(Ωt).
حُلَّ مسألة كوشي x(0)=x′(0)=0 وحوّل الجواب إلى الصورة الجدائية
x(t)=ω02−Ω22Asin(2(ω0−Ω)t)sin(2(ω0+Ω)t).
من أجل Ω قريبة من ω0، اقرأ الجداء بوصفه تذبذبًا سريعًا عند التواتر 2ω0+Ω مضمَّنًا بغلاف بطيء عند التواتر 2∣ω0−Ω∣: وهي الضربات. أعط دور الغلاف و السعة القصوى، ولاحظ كيف ينفجران معًا عندما Ω→ω0.
ثبّت t واجعل Ω→ω0 في صيغة السؤال 19: بيّن أن النهاية هي
x∞(t)=2ω0Atsin(ω0t),
وتحقق مباشرة من أن x∞ يحلّ المعادلة الرنينية x′′+ω02x=Acos(ω0t) مع x(0)=x′(0)=0 (وقارن المثال 5.19): فالرنين هو نهاية ضربات تزداد بطئًا واتساعًا أبدًا.
قابل بين مصيرَي الرنين: النموّ الخطي 2ω0At بلا تخميد، في مقابل التشبّع عند Rmax≈Qω02A مع تخميد ضعيف. وفي جملة واحدة: ما الآلية الفيزيائية التي تحوّل الأول إلى الثاني؟
الجزء 5 — ميزان الطاقة وتوليفة ختامية.
في النظام المستقرّ من الجزء 2، احسب متوسط كلٍّ ممّا يلي على دور واحد Ω2π: (أ) القدرة التي تحقنها الإثارة، Pin(t)=Acos(Ωt)⋅xp′(t)؛ و (ب) القدرة التي يبدّدها التخميد، Pdiss(t)=2λxp′(t)2. وبيّن أن المتوسطين يساويان λR2Ω2: فتغذّي الإثارة بالضبط ما يحرقه التخميد — ولهذا يكون النظام المستقرّ مستقرًّا.
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.
توليفة: صِف خريطة السلوك الكاملة للمعادلة (EΩ) — الحرّ في مقابل المُثار، والمخمَد في مقابل غير المخمَد، ودور Q بوصفه القرص اللابعدي الوحيد الذي يضبط ارتفاع القمة وعرض النطاق وعمر العابر — واذكر أين تستمر القصة: الجمل 2×2 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 وΔ=4(λ2−ω02)<0 من أجل 0<λ<ω0: الجذران −λ±iωd، ومنه حسب المبرهنة 5.10
x(t)=e−λt(λ1cosωdt+μ1sinωdt),(λ1,μ1)∈R2.
ومن أجل λ=0: x=λ1cosω0t+μ1sinω0t. وأمّا النظامان الحرج (λ=ω0) و فوق الحرج (λ>ω0) فهما نظاما التمرين 5.9 (بعد إعادة سلّم الزمن): أي (λ1+μ1t)e−λt، أو تراكيب er±t حيث r±=−λ±λ2−ω02 على التوالي.
2. دون التخميد الحرج: ∣x∣≤e−λt(∣λ1∣+∣μ1∣)→0. وفي الحالة الحرجة: (λ1+μ1t)e−λt→0 لأن الأسّيات تفوق كثيرات الحدود (القضية 4.6). وفوق الحرجة: r−<r+=−λ+λ2−ω02<0 لأن λ2−ω02<λ؛ فتتناقص الأسّيتان معًا.
3. على طول حلّ للمعادلة (H)، وباستعمال x′′=−2λx′−ω02x:
فإذا كان x(t0)=x′(t0)=0 كان E(t0)=0؛ والمقدار E موجب وغير متزايد، ومنه E≡0 على [t0,+∞)، فيُفرض x≡0 هناك؛ ومن أجل t≤t0، أجرِ الحجة نفسها على x~(t)=x(2t0−t)، وهي تحلّ المعادلة بتخميد −λ لكن لها مع ذلك E~(t0)=0 وE~′=+2λx~′2≥0 حيث E~≥0؛ والدالة الموجبة غير المتناقصة والمعدومة عند الطرف الأيمن من (−∞,t0] معدومةٌ في كل مكان. إذن x≡0 على R — وهو برهان بالطاقة على الوحدانية، صالح لكل λ≥0.
4.x(t+Td)=Re−λte−λTdcos(ωdt+2π−φ)=e−λTdx(t). ومعامل التقلص في كل شبه دور هو e−δ حيث δ=λTd=ωd2πλ. ومن أجل ω0=1 و λ=0.1: ωd=0.99=0.99499، ومنه δ=0.994990.62832=0.6315: أي أن كل تأرجحة تحتفظ بنسبة e−0.63≈53% من سعتها.
5. معامل السعة هو e−λt، وهو يتناقص بالعامل e خلال t=λ1. ويحوي ذلك المجال Td1/λ=2πλωd من أشباه الأدوار. ومن أجل λ≪ω0، يكون ωd≈ω0 وهذا هو ≈2πλω0=πQ. فوتر غيتار ذو Q=300 يرنّ نحو مئة دور؛ ومخمّد باب ذو Q=1 لا يتمّ دورًا واحدًا.
6. بتعويض zeiΩt في الطرف الأيسر نجد z(−Ω2+2iλΩ+ω02)eiΩt، وهو يساوي AeiΩt بالضبط من أجل z=ω02−Ω2+2iλΩA (والمقام غير معدوم: فجزؤه التخيلي هو 2λΩ>0). وبما أن المعاملات حقيقية، يحلّ الجزء الحقيقي xp=ℜ(zeiΩt) المعادلةَ ذات الطرف الأيمن ℜ(AeiΩt)=AcosΩt.
7. اكتب ω02−Ω2+2iλΩ=Deiφ حيث D=(ω02−Ω2)2+4λ2Ω2 وφ∈(0,π) (فالجزء التخيلي 2λΩ موجب)، ومنه tanφ=ω02−Ω22λΩ. عندئذ z=DAe−iφ و
xp(t)=ℜ(DAei(Ωt−φ))=Rcos(Ωt−φ),R=DA.
8. عندما Ω→0+: D→ω04، ومنه R→A/ω02 و tanφ→0+ مع φ∈(0,2π): أي φ→0. فتتبع الكتلة القوة تتبّعًا شبه ساكن، منزاحةً بمقدار القوة على الصلابة. وعندما Ω→+∞: D∼Ω4، ومنه R∼A/Ω2→0، و φ→π (فالعدد العقدي ω02−Ω2+2iλΩ يذهب إلى الربع الثاني بعمدة→π): فتتحرك الكتلة بالكاد، وبتعاكس في الطور — إذ يهيمن العطالة.
9. حسب المبرهنة 5.12 (1)، يكون كل حلّ x=xp+xh حيث xh يحلّ (H)؛ وحسب السؤال 2، xh(t)→0، ومنه x(t)−xp(t)→0: أي أن كل الحلول تتقارب نحو النظام المستقرّ نفسه. والشروط الابتدائية لا تشكّل إلا العابر.
10. إذا كان x حلًّا دوريًا، كان x−xp=xh حلًّا دوريًا للمعادلة (H) يؤول إلى 0 عند +∞؛ والدالة الدورية التي نهايتها 0 تساوي 0 تطابقيًا (فقيمها على دور واحد تتكرر إلى الأبد، فتكون كل قيمة نهايةَ متتالية جزئية تؤول إلى 0). ومنه x=xp.
11. هنا λ=1 و ω02=2 و Ω=1 و A=1: z=2−1+2i1=51−2i، ومنه
xp=ℜ(5(1−2i)(cost+isint))=5cost+2sint.
والمتجانسة: جذرا r2+2r+2 هما −1±i: أي xh=e−t(Ccost+Ssint). والشروط: x(0)=51+C=0 تعطي C=−51؛ وبالاشتقاق، x′(0)=52−C+S=0 تعطي S=C−52=−53. ومنه
x(t)=مستقرّ5cost+2sint−عابرe−t5cost+3sint,
ويفنى العابر مثل e−t.
12. بالنشر، g(u)=u2−2(ω02−2λ2)u+ω04=(u−ur)2+g(ur) حيث ur=ω02−2λ2 و
فإذا كان 2λ2<ω02، كان ur>0 تواترًا مربَّعًا مقبولًا: فللدالة g قيمة صغرى تامة هناك، ومنه تبلغ R=A/g قيمة قصوى تامة عند Ωr=ur=ω02−2λ2، مع Rmax=A/g(ur)=2λω02−λ2A.
ومن أجل التخميد الضعيف يكون معامل التصحيح قريبًا من 1: فالرنين يضرب الإزاحة الساكنة في Q أساسًا.
14.V(Ω)2=g(u)A2u حيث u=Ω2. ومشتقتها لها إشارة g(u)−ug′(u)=(ω02−u)2+4λ2u−u(2(u−ω02)+4λ2)=(ω02−u)2+2u(ω02−u)=(ω02−u)(ω02+u)، وهي موجبة من أجل u<ω02 وسالبة بعده: أي قيمة قصوى تامة عند Ω=ω0 بالضبط، مهما يكن التخميد. وهناك ينفجر tanφ مع φ∈(0,π): أي φ=2π، ويكون xp′(t)=−RΩsin(Ωt−2π)=RΩcos(Ωt) في طور القوة بالضبط: أي أفضل نقل للقدرة.
ثم Ω+−Ω−=Ω++Ω−Ω+2−Ω−2، ومن أجل λ≪ω0 يكون كلٌّ من Ω±≈ω0: Ω+−Ω−≈2ω04λω0=2λ، ومنه Ω+−Ω−ω0≈2λω0=Q. فقياس عرض قمة رنين يقيس معامل جودتها.
16.Q=10؛ وΩr=1−2(0.05)2=0.995=0.9975؛ وRmax=2×0.051−0.00251=0.1×0.998751=10.01؛ والاستجابة الساكنة R(0)=1؛ وعرض النطاق ≈2λ=0.1. أي شوكة عالية رفيعة ارتفاعها ≈Q فوق هضبة ارتفاعها 1.
17. إذا كان 2λ2≥ω02 كان ur≤0 و g′(u)=2(u−ur)>0 من أجل كل u>0: فتتزايد g تمامًا على (0,+∞)، ومنه تتناقص R=A/g تمامًا من R(0)=A/ω02: أي أن الاستجابة أكبر ما تكون عند التواتر المعدوم ولا قمة هناك.
18. العدد γ=iΩ ليس جذرًا لكثير الحدود r2+ω02 (إذ Ω=ω0)، ومنه يعطي الطريقة 5.13 مع m=0 أن xp=ω02−Ω2AcosΩt (عوّض و تحقق: −Ω2+ω02 مضروبًا في جيب التمام). والحل العام:
x(t)=ω02−Ω2AcosΩt+λ1cosω0t+μ1sinω0t.
19. يفرض x(0)=0 أن λ1=−ω02−Ω2A، ويفرض x′(0)=0 أن μ1=0:
حسب الصيغة الجدائية cosa−cosb=2sin2b−asin2b+a مطبَّقةً مع a=Ωt و b=ω0t.
20. من أجل Ω قريبة من ω0، يتذبذب الجيب الثاني عند التواتر السريع 2ω0+Ω≈ω0، بينما يكون الأول غلافًا بطيئًا تواتره 2∣ω0−Ω∣: فتنمو سعة التذبذب السريع وتنحسر مع غلاف دوره ∣ω0−Ω∣2π (أي ضربتان في كل دور غلاف)، وتبلغ قيمًا قصوى ∣ω02−Ω2∣2A. وعندما Ω→ω0، تصير الضربات أبطأ (فالدور →∞) وأعلى (فالسعة →∞).
بينما sin(2(ω0+Ω)t)→sin(ω0t): فالنهاية هي x∞(t)=2ω0Atsinω0t. وللتحقق المباشر: مع C=2ω0A، يحقق x∞=Ctsinω0t العلاقة x∞′′=2Cω0cosω0t−Cω02tsinω0t، ومنه x∞′′+ω02x∞=2Cω0cosω0t=Acosω0t، مع x∞(0)=0 وx∞′(0)=Csin0+Cω0⋅0⋅cos0=0 — ومن أجل ω0=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 يتشبّع النموّ عند Rmax≈Qω02A. 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(Ωt−φ)، وعلى دور واحد يعطي المتوسطان ⟨cos2⟩=⟨sin2⟩=21 و⟨sincos⟩=0 ما يلي:
⟨Pdiss⟩=2λR2Ω2⟨sin2(Ωt−φ)⟩=λR2Ω2;
وبنشر sin(Ωt−φ)=sinΩtcosφ−cosΩtsinφ:
⟨Pin⟩=−ARΩ⟨cosΩtsin(Ωt−φ)⟩=ARΩ2sinφ.
وبما أن sinφ=D2λΩ=A2λΩR، فهذا هو 2ARΩ⋅A2λΩR=λR2Ω2: 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 مقياسوعمدة. (ج) ومنحني الرنين دراسة دالة خالصة — كثير حدود من الدرجة الثانية في u=Ω2، وقيمته الصغرى، ومجموعات مستوياته — على نهج الفصل 4 (الأسئلة 12–17).
25. الحرّ والمخمَد: أشباه تذبذبات متناقصة، وعمرها λ1، ونحو πQ تأرجحة. والمُثار والمخمَد: تفنى العابرات، وينجو نظام مستقرّ جيبيّ وحيد عند تواتر الإثارة، تبلغ سعته قمتها قرب ω0 (وارتفاعها ≈Q× الساكنة، وعرضها ≈Qω0) ويجتاح طوره من 0 إلى π مارًّا بالقيمة 2π عند ω0. والحرّ وغير المخمَد: تذبذب دائم. والمُثار وغير المخمَد: ضربات، تنحلّ إلى رنين ينمو خطيًا عند الضبط التام. وعدد لابعديّ واحد، Q=2λω0، يضبط كل شيء — فارتفاع القمة وعرض النطاق وعمر العابر ثلاث قراءات للقرص نفسه. وأمّا التتمة: فإعادة كتابة x′′+2λx′+ω02x 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.