Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

5Persamaan Diferensial Linear

Pertama kali ditemui pada jilid sekolah menengah, persamaan diferensial di sini diperlakukan dengan bukti lengkap dan dalam keumuman yang lebih besar: persamaan linear orde satu berkoefisien variabel (yang diselesaikan tuntas dengan metode variasi konstanta) dan persamaan linear orde dua berkoefisien konstan, yaitu model bagi osilasi. Kedua kasusnya memperlihatkan struktur yang sama: penyelesaian umum == satu penyelesaian khusus ++ penyelesaian umum persamaan homogennya.

5.1 Persamaan linear orde satu

Definisi 5.1

Misalkan II sebuah selang dan a,b ⁣:I→Ra, b \colon I \to \R (atau C\C) kontinu. Persamaan

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

dengan fungsi y ⁣:I→Ry \colon I \to \R (atau C\C) yang dapat diturunkan sebagai variabelnya, disebut persamaan diferensial linear orde satu. Persamaan (H) ⁣:y′+a(x)y=0(H)\colon y' + a(x) y = 0 adalah persamaan homogen yang bersesuaian dengannya.

Teorema 5.2 (Menyelesaikan persamaan homogennya)

Misalkan AA sebuah antiturunan aa pada II (yang memang ada: Bab 15). Penyelesaian (H)(H) pada II tepat berupa fungsi

y(x)=λ e−A(x),λ∈R (atau C).y(x) = \lambda\, \eu^{-A(x)}, \qquad \lambda \in \R \text{ (atau } \C).

Bukti. Fungsi itu memang penyelesaiannya: y′=−λA′e−A=−ayy' = -\lambda A' \eu^{-A} = -a y. Sebaliknya, misalkan yy memenuhi (H)(H) lalu tulis z(x)=y(x) eA(x)z(x) = y(x)\, \eu^{A(x)}. Maka

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

sehingga zz konstan pada selang II, katakanlah z=λz = \lambda: jadi y=λe−Ay = \lambda \eu^{-A}. (Perhatikan logikanya: tak ada penyelesaian yang hilang, karena setiap penyelesaian sudah dituliskan dalam bentuk yang dinyatakan tadi.) ∎

Contoh 5.3 (Persamaan homogen berkoefisien variabel)

Selesaikan y′+(cos⁡x) y=0y' + (\cos x)\,y = 0 pada R\R. Sebuah antiturunan a(x)=cos⁡xa(x) = \cos x adalah A(x)=sin⁡xA(x) = \sin x, jadi penyelesaiannya adalah

y(x)=λ e−sin⁡x,λ∈R.y(x) = \lambda\,\eu^{-\sin x}, \qquad \lambda \in \R .

Dua pembacaan. Setiap penyelesaiannya periodik (dengan periode 2π2\pi) dan tak pernah lenyap kecuali bila λ=0\lambda = 0 — tanda λ\lambda adalah tanda yy untuk selamanya, karena eksponensial tak dapat memotong nol. Dan penyelesaian yang melewati y(0)=y0y(0) = y_0 adalah y0e−sin⁡xy_0\eu^{-\sin x}: jadi tepat satu kurva keluarga itu melewati setiap titik awal, yaitu gambaran berdimensi satu dari Teorema 5.4 (2).

Teorema 5.4 (Variasi konstanta; masalah Cauchy)

Dengan notasi di atas:

  1. Penyelesaian (E)(E) pada II tepat berupa

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

    dengan x0∈Ix_0 \in I yang tetap. Setara dengan itu: penyelesaian umum (H)(H) ditambah satu penyelesaian khusus (E)(E).

  2. Untuk setiap x0∈Ix_0 \in I dan y0y_0, masalah Cauchy “(E)(E) beserta y(x0)=y0y(x_0) = y_0” mempunyai tepat satu penyelesaian pada II.

Bukti. (1) Dengan mengikuti metode yang bernama variasi konstanta, cari penyelesaian yang berbentuk y=μ(x) e−A(x)y = \mu(x)\, \eu^{-A(x)} dengan μ\mu dapat diturunkan — tak ada keumuman yang hilang, karena setiap fungsi pada II dapat ditulis demikian (μ=y eA\mu = y\,\eu^{A}). Dengan mensubstitusikannya,

y′+ay=μ′e−A−μae−A+aμe−A=μ′ e−A,y' + ay = \mu' \eu^{-A} - \mu a \eu^{-A} + a\mu\eu^{-A} = \mu'\, \eu^{-A},

sehingga yy memenuhi (E)(E) jika dan hanya jika μ′(x)=b(x) eA(x)\mu'(x) = b(x)\,\eu^{A(x)}, yakni jika dan hanya jika μ(x)=λ+∫x0xb(t)eA(t) ⁣dt\mu(x) = \lambda + \int_{x_0}^x b(t)\eu^{A(t)}\dd t untuk suatu konstanta λ\lambda (karena dua antiturunan dari fungsi kontinu yang sama pada sebuah selang berselisih sebuah konstanta).

(2) Pada rumus itu, y(x0)=λ e−A(x0)y(x_0) = \lambda\,\eu^{-A(x_0)}: syarat y(x0)=y0y(x_0) = y_0 menentukan λ=y0eA(x0)\lambda = y_0 \eu^{A(x_0)} secara tunggal. ∎

Contoh 5.5

Selesaikan y′+yx=x2y' + \dfrac{y}{x} = x^2 pada I=(0, +∞)I = \intoo{0}{+\infty}. Di sini a(x)=1xa(x) = \frac 1x, A(x)=ln⁡xA(x) = \ln x, e−A(x)=1x\eu^{-A(x)} = \frac 1x. Penyelesaian homogennya: λx\frac{\lambda}{x}. Variasi konstanta: μ′(x)=x2⋅x=x3\mu'(x) = x^2 \cdot x = x^3, jadi μ=x44+λ\mu = \frac{x^4}{4} + \lambda, dan

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

Dengan syarat awal y(1)=0y(1) = 0: λ=−14\lambda = -\frac14. Periksa: y′+yx=3x24−λx2+x24+λx2=x2y' + \frac yx = \frac{3x^2}{4} - \frac{\lambda}{x^2} + \frac{x^2}{4} + \frac{\lambda}{x^2} = x^2.

Contoh 5.6 (Menerka mengalahkan mengintegralkan)

Selesaikan y′+2x y=xy' + 2x\,y = x pada R\R. Variasi konstanta memang berhasil (A=x2A = x^2, μ′=x ex2\mu' = x\,\eu^{x^2}, μ=12ex2+λ\mu = \frac12\eu^{x^2} + \lambda), tetapi mengamati bahwa konstanta yp=12y_p = \frac12 memenuhi persamaan itu (0+2x⋅12=x0 + 2x\cdot\frac12 = x) jauh lebih cepat. Dengan penyelesaian homogennya λ e−x2\lambda\,\eu^{-x^2}:

y(x)=12+λ e−x2,λ∈R.y(x) = \frac12 + \lambda\,\eu^{-x^2}, \qquad \lambda \in \R .

Setiap penyelesaiannya konvergen ke 12\frac12 dengan sangat cepat ketika x→±∞x \to \pm\infty: penyelesaian khusus yang konstan itu adalah sebuah kesetimbangan yang dihampiri semua penyelesaian. Inti gagasannya: sebelum meluncurkan metode umumnya, luangkan sepuluh detik untuk mencari penyelesaian khusus yang kasatmata (konstanta, monomial, kelipatan ruas kanan); teorema strukturnya lalu merampungkan pekerjaannya.

Catatan 5.7 (Selangnya penting)

Teorema itu hidup pada sebuah selang yang di situ aa dan bb kontinu. Untuk y′+yx=0y' + \frac yx = 0 pada R∗\R^*, penyelesaiannya adalah λx\frac{\lambda}{x} pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty} dan μx\frac{\mu}{x} pada (−∞, 0)\intoo{-\infty}{0} dengan konstanta yang saling bebas: tak ada alasan bagi satu rumus tunggal untuk merekat melewati kesingularan di 00.

Contoh 5.8 (Ruas kanan yang kompleks, dua jawaban real)

Selesaikan y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x dan y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x sekaligus. Bekerjalah di C\C dengan ruas kanan eix\eu^{\iu x}: mencoba yp=c eixy_p = c\,\eu^{\iu x} memberikan c(i−1)eix=eixc(\iu - 1)\eu^{\iu x} = \eu^{\iu x}, jadi

c=1i−1=−1−i2,yp=−(1+i)(cos⁡x+isin⁡x)2=sin⁡x−cos⁡x2+i −sin⁡x−cos⁡x2.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 .

Karena persamaannya berkoefisien real, bagian real dan bagian imajinernya terpisah: sin⁡x−cos⁡x2\frac{\sin x - \cos x}2 memenuhi y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x, dan −sin⁡x+cos⁡x2-\frac{\sin x + \cos x}2 memenuhi y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x (periksa yang pertama: turunannya cos⁡x+sin⁡x2\frac{\cos x + \sin x}2, dikurangi fungsinya, memberikan cos⁡x\cos x). Satu baris kompleks menggantikan dua kali variasi konstanta — penghematan yang sama seperti yang disistematiskan Metode 5.13 untuk orde dua, dan dividen yang berulang dari Bab 3.

5.2 Persamaan linear orde dua berkoefisien konstan

Definisi 5.9

Misalkan a,b∈Ra, b \in \R dan f ⁣:I→Rf \colon I \to \R kontinu. Persamaan

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

disebut persamaan linear orde dua berkoefisien konstan; (H) ⁣:y′′+ay′+by=0(H)\colon y'' + ay' + by = 0 adalah persamaan homogennya, dan χ(r)=r2+ar+b\chi(r) = r^2 + ar + b adalah polinomial karakteristiknya.

Teorema 5.10 (Penyelesaian homogennya)

Misalkan Δ=a2−4b\Delta = a^2 - 4b diskriminan χ\chi. Penyelesaian real (H)(H) pada R\R adalah:

  1. jika Δ>0\Delta > 0, dengan r1≠r2r_1 \neq r_2 kedua akar realnya:   y=λ er1x+μ er2x\;y = \lambda\, \eu^{r_1 x} + \mu\, \eu^{r_2 x};
  2. jika Δ=0\Delta = 0, dengan r0r_0 akar gandanya:   y=(λ+μx) er0x\;y = (\lambda + \mu x)\, \eu^{r_0 x};
  3. jika Δ<0\Delta < 0, dengan akar α±iω\alpha \pm \iu\omega (ω>0\omega > 0):   y=eαx(λcos⁡ωx+μsin⁡ωx)\;y = \eu^{\alpha x} (\lambda \cos\omega x + \mu \sin\omega x);

dan pada masing-masing kasus (λ,μ)(\lambda, \mu) menjelajahi R2\R^2.

Bukti. Amati lebih dulu bahwa untuk r∈Cr \in \C, x↦erxx \mapsto \eu^{rx} memenuhi (H)(H) jika dan hanya jika χ(r)=0\chi(r) = 0 (substitusikan: (r2+ar+b)erx=0(r^2 + ar + b)\eu^{rx} = 0). Itulah sebabnya eksponensial menjadi terkaan pertama yang wajar: pendiferensialan bekerja pada erx\eu^{rx} sebagai perkalian dengan bilangan rr, sehingga persamaan diferensialnya menjadi persamaan numerik χ(r)=0\chi(r) = 0 — seluruh masalah analitisnya termampatkan menjadi pencarian akar satu persamaan kuadrat.

Langkah kuncinya adalah pergantian variabel yang menurunkan ordenya. Misalkan rr sebuah akar χ\chi (yang mungkin kompleks) lalu tulis y=z erxy = z\, \eu^{rx}, yang tidak menghilangkan keumuman. Maka

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},

sehingga (H)(H) menjadi persamaan orde satu u′+(2r+a)u=0u' + (2r + a) u = 0 bagi u=z′u = z'.

Kasus Δ≠0\Delta \neq 0: pilih r=r1r = r_1; maka 2r1+a=r1−r22r_1 + a = r_1 - r_2 (karena r1+r2=−ar_1 + r_2 = -a). Menurut Teorema 5.2, z′=c e(r2−r1)xz' = c\,\eu^{(r_2 - r_1)x} untuk suatu konstanta cc; dengan mengintegralkannya pada R\R, z=μ e(r2−r1)x+λz = \mu\, \eu^{(r_2 - r_1)x} + \lambda dengan μ=cr2−r1\mu = \frac{c}{r_2 - r_1}, sehingga y=z er1x=λ er1x+μ er2xy = z\, \eu^{r_1 x} = \lambda\,\eu^{r_1x} + \mu\,\eu^{r_2x}. Ketika Δ<0\Delta < 0, akarnya adalah α±iω\alpha \pm \iu\omega dan penyelesaian kompleksnya adalah y=c1e(α+iω)x+c2e(α−iω)xy = c_1\eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + c_2\eu^{(\alpha-\iu\omega)x} dengan c1,c2∈Cc_1, c_2 \in \C. Yang mana di antaranya yang bernilai real? Karena e(α+iω)x‾=e(α−iω)x\conj{\eu^{(\alpha+\iu\omega)x}} = \eu^{(\alpha-\iu\omega)x}, konjugat yy adalah c2‾ e(α+iω)x+c1‾ e(α−iω)x\conj{c_2}\, \eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + \conj{c_1}\,\eu^{(\alpha-\iu\omega)x}, dan y=y‾y = \conj y untuk setiap xx memaksa c2=c1‾c_2 = \conj{c_1} (karena kedua eksponensial itu bebas linear: hitung nilainya di dua titik, atau bandingkan di x=0x=0 setelah membaginya dengan eαx\eu^{\alpha x}). Dengan menulis c1=λ−iμ2c_1 = \frac{\lambda - \iu\mu}2 dengan λ,μ\lambda, \mu real:

y=2 ℜ(c1 eαx(cos⁡ωx+isin⁡ωx))=eαx(λcos⁡ωx+μsin⁡ωx),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),

dan sebaliknya setiap fungsi semacam itu merupakan penyelesaian (yaitu bagian real sebuah penyelesaian kompleks bagi persamaan yang real): jadi ruang penyelesaian realnya persis seperti yang dinyatakan tadi.

Kasus Δ=0\Delta = 0: r=r0r = r_0, 2r0+a=02r_0 + a = 0, jadi z′′=0z'' = 0: sehingga z=λ+μxz = \lambda + \mu x dan y=(λ+μx)er0xy = (\lambda + \mu x)\eu^{r_0 x}. ∎

Contoh 5.11 (Sebuah masalah Cauchy, dari awal sampai akhir)

Selesaikan y′′−3y′+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0 dengan y(0)=0y(0) = 0, y′(0)=1y'(0) = 1. Polinomial karakteristiknya r2−3r+2=(r−1)(r−2)r^2 - 3r + 2 = (r - 1)(r - 2) mempunyai akar real 11 dan 22: jadi penyelesaian umumnya y=λex+μe2xy = \lambda\eu^{x} + \mu\eu^{2x}. Kedua syaratnya memberikan sistem linear

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

jadi μ=1\mu = 1, λ=−1\lambda = -1:

y(x)=e2x−ex.y(x) = \eu^{2x} - \eu^{x} .

Periksa: y(0)=0y(0) = 0; y′=2e2x−exy' = 2\eu^{2x} - \eu^x memberikan y′(0)=1y'(0) = 1; dan y′′−3y′+2y=(4−6+2)e2x+(−1+3−2)ex=0y'' - 3y' + 2y = (4 - 6 + 2)\eu^{2x} + (-1 + 3 - 2)\eu^x = 0. Perhatikan bentuk jawabannya: di dekat −∞-\infty ragam yang lambat −ex-\eu^x mendominasi; di dekat +∞+\infty ragam yang cepat e2x\eu^{2x} yang mendominasi. Membaca penyelesaian sebagai superposisi ragam dengan laju peluruhan atau pertumbuhan yang berbeda adalah kebiasaan yang menguntungkan — begitulah pemilahan peralihan dan keadaan tunak pada soal akhir pekan ditata.

Ketiga regim y'' + ay' + by = 0 yang penyelesaiannya meluruh: osilasi teredam (akar kompleks), kembali kritis (akar ganda), peluruhan teredam lebih (dua akar real). Regim mana yang terjadi terbaca dari tanda = a2 - 4b saja — sebelum apa pun diselesaikan.
Ketiga regim y′′+ay′+by=0y'' + ay' + by = 0 yang penyelesaiannya meluruh: osilasi teredam (akar kompleks), kembali kritis (akar ganda), peluruhan teredam lebih (dua akar real). Regim mana yang terjadi terbaca dari tanda Δ=a2−4b\Delta = a^2 - 4b saja — sebelum apa pun diselesaikan.

Teorema 5.12 (Struktur dan masalah Cauchy)

  1. Jika ypy_p satu penyelesaian khusus (E)(E), maka penyelesaian (E)(E) tepat berupa yp+yhy_p + y_h, dengan yhy_h menjelajahi penyelesaian (H)(H).
  2. (Superposisi) Jika y1y_1 memenuhi y′′+ay′+by=f1y'' + ay' + by = f_1 dan y2y_2 memenuhi y′′+ay′+by=f2y'' + ay' + by = f_2, maka y1+y2y_1 + y_2 memenuhi persamaan dengan ruas kanan f1+f2f_1 + f_2.
  3. Untuk setiap x0∈Ix_0 \in I dan (y0,y0′)(y_0, y_0'), masalah Cauchy “(E)(E), y(x0)=y0y(x_0) = y_0, y′(x0)=y0′y'(x_0) = y_0'” mempunyai tepat satu penyelesaian pada II. (Keberadaannya diberikan oleh sebuah penyelesaian khusus; ketunggalannya penuh.)

Bukti. (1) Di sini yy memenuhi (E)(E) jika dan hanya jika y−ypy - y_p memenuhi (H)(H), menurut kelinearan y↦y′′+ay′+byy \mapsto y'' + ay' + by. Butir (2) adalah kelinearan yang sama.

(3) Menurut (1) cukup dibuktikan bahwa konstanta (λ,μ)(\lambda, \mu) selalu dapat disetel, secara tunggal, ke sebarang data (y0,y0′)(y_0, y_0'). Dengan menggeser variabelnya, andaikan x0=0x_0 = 0. Pada kasus (1) Teorema 5.10, y=λer1x+μer2xy = \lambda\eu^{r_1x} + \mu\eu^{r_2x} gives

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

sebuah sistem linear dalam (λ,μ)(\lambda, \mu) yang determinannya r2−r1≠0r_2 - r_1 \neq 0; dengan menyelesaikannya secara eksplisit, μ=y0′−r1y0r2−r1\mu = \frac{y_0' - r_1y_0}{r_2 - r_1} dan λ=y0−μ\lambda = y_0 - \mu: jadi tepat satu penyelesaian. Pada kasus (2), y(0)=λy(0) = \lambda dan y′(0)=r0λ+μy'(0) = r_0\lambda + \mu: sistemnya segitiga dengan determinan 11, yang diselesaikan oleh λ=y0\lambda = y_0, μ=y0′−r0y0\mu = y_0' - r_0y_0. Pada kasus (3), y(0)=λy(0) = \lambda dan y′(0)=αλ+ωμy'(0) = \alpha\lambda + \omega\mu: determinannya ω≠0\omega \neq 0, yang diselesaikan oleh λ=y0\lambda = y_0, μ=y0′−αy0ω\mu = \frac{y_0' - \alpha y_0}\omega. Pada masing-masing kasus pemetaan (λ,μ)↦(y(x0),y′(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) adalah bijeksi linear — dan bahasa Bab 20 akan memampatkan pemeriksaan kasus ini menjadi satu kalimat. ∎

Metode 5.13 (Penyelesaian khusus untuk f(x)=P(x) eγxf(x) = P(x)\,\eu^{\gamma x})

Ketika ruas kanannya P(x) eγxP(x)\,\eu^{\gamma x} dengan PP sebuah polinomial dan γ∈R\gamma \in \R (yang mencakup polinomial, eksponensial, dan lewat γ\gamma kompleks atau superposisi, juga cos⁡\cos dan sin⁡\sin): carilah penyelesaian khusus yang berbentuk

yp(x)=xm Q(x) eγx,m=kegandaan γ sebagai akar χ (m=0,1 atau 2),y_p(x) = x^{m}\, Q(x)\, \eu^{\gamma x}, \qquad m = \text{kegandaan } \gamma \text{ sebagai akar } \chi \ (m = 0, 1 \text{ atau } 2),

dengan QQ polinomial berderajat sama dengan PP, yang koefisiennya ditemukan lewat substitusi dan penyamaan. Untuk f=Kcos⁡ωxf = K\cos\omega x (atau sin⁡\sin), selesaikan dengan ruas kanan KeiωxK\eu^{\iu\omega x} lalu ambil bagian realnya (masing-masing bagian imajinernya).

Contoh 5.14 (Superposisi dalam praktik)

Selesaikan y′′−y=ex+4y'' - y = \eu^{x} + 4 pada R\R. Homogennya: χ(r)=r2−1\chi(r) = r^2 - 1, dengan akar ±1\pm1, jadi yh=λex+μe−xy_h = \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}. Belah ruas kanannya lalu tangani setiap potongan dengan kotak metodenya. Potongan ex\eu^x: di sini γ=1\gamma = 1 adalah akar sederhana χ\chi, jadi cobalah y1=c x exy_1 = c\,x\,\eu^x: maka y1′′−y1=c(x+2)ex−cxex=2c exy_1'' - y_1 = c(x + 2)\eu^x - cx\eu^x = 2c\,\eu^x, yang memberikan c=12c = \frac12. Potongan 44: di sini γ=0\gamma = 0 bukan akarnya; konstanta y2=−4y_2 = -4 memenuhi. Menurut superposisi (Teorema 5.12 (2)):

y=x ex2−4+λ ex+μ e−x,(λ,μ)∈R2.y = \frac{x\,\eu^x}2 - 4 + \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}, \qquad (\lambda, \mu) \in \R^2 .

Perhatikan bagaimana kedua potongan itu menuntut bentuk yang berbeda (m=1m = 1 berbanding m=0m = 0): uji kegandaannya diterapkan pada masing-masing eksponen secara terpisah, dan itulah seluruh maksud pembelahan ruas kanannya sebelum menerka.

Contoh 5.15 (Kaidah kegandaan dalam praktik)

Selesaikan y′′+y′=xy'' + y' = x pada R\R. Ruas kanannya adalah P(x)e0⋅xP(x)\eu^{0 \cdot x} dengan P(x)=xP(x) = x, dan γ=0\gamma = 0 adalah akar sederhana χ(r)=r2+r=r(r+1)\chi(r) = r^2 + r = r(r + 1): jadi m=1m = 1, dan terkaan yang benar adalah yp=x (αx+β)=αx2+βxy_p = x\,(\alpha x + \beta) = \alpha x^2 + \beta x, yang satu derajat lebih tinggi daripada PP. Dengan mensubstitusikannya:

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

dan penyamaan dengan xx memberikan α=12\alpha = \frac12, β=−1\beta = -1: jadi yp=x22−xy_p = \frac{x^2}2 - x. Penyelesaian umumnya: y=x22−x+λ+μ e−xy = \frac{x^2}2 - x + \lambda + \mu\,\eu^{-x}. Seandainya kita menerka yp=αx+βy_p = \alpha x + \beta (dengan mengabaikan kegandaannya), substitusi akan memberikan yp′′+yp′=αy_p'' + y_p' = \alpha, yaitu sebuah konstanta — tak ada pilihan α,β\alpha, \beta yang dapat mencocoki xx, dan kegagalannya bersifat struktural: konstanta sudah memenuhi persamaan homogennya, jadi ia tak terlihat oleh ruas kirinya. Faktor xmx^m ada justru untuk memanjat keluar dari ruang penyelesaian homogennya.

Catatan 5.16 (Polis asuransi tiga puluh detik)

Setiap persamaan yang diselesaikan pada bab ini ditutup dengan pemeriksaan substitusi, dan itu bukan hiasan. Perhitungan persamaan diferensial merangkai banyak langkah kecil (sebuah antiturunan, sebuah aturan hasil kali, dua konstanta), dan satu salah tanda merambat tanpa terlihat; mensubstitusikan kembali rumus akhirnya ke dalam persamaan menangkap hampir semuanya dengan ongkos satu kali penurunan. Peliharalah refleks itu dalam tiga lapis: periksa penyelesaian khusus itu sendiri (bagian homogennya toh saling hapus), periksa syarat awalnya pada penyelesaian penuh, dan bila ada parameter, periksa sebuah nilai merosot (apakah rumus untuk Ω\Omega yang umum menghasilkan jawaban yang sudah dikenal di Ω=0\Omega = 0?). Kebiasaan itu berongkos setengah menit; ia mengubah “mungkin benar” menjadi “sudah terverifikasi”.

Catatan 5.17 (Jebakan yang lazim)

  1. Normalkan lebih dulu. Rumusnya mengandaikan persamaannya berbunyi y′+a(x)y=b(x)y' + a(x)y = b(x) — dengan koefisien 11 pada y′y'. Untuk xy′−2y=x3xy' - 2y = x^3, bagilah dengan xx (pada selang yang menghindari 00) sebelum mengenali aa dan bb, seperti pada Latihan 5.2.
  2. Satu konstanta per dimensi, yang ditetapkan pada akhirnya. Penyelesaian umum orde satu memikul satu konstanta, dan yang orde dua memikul dua; syarat awalnya dikenakan pada penyelesaian yang lengkap yp+yhy_p + y_h, jangan pernah pada yhy_h saja — mengenakannya sebelum menambahkan ypy_p adalah kesalahan struktural yang paling sering terjadi.
  3. Perhatikan kegandaannya. Terkaan penyelesaian khusus yang memenuhi persamaan homogen tak terlihat oleh ruas kirinya; faktor xmx^m pada Metode 5.13 bukanlah pilihan (Contoh 5.15).
  4. Selangnya adalah bagian dari jawabannya. Penyelesaian hidup pada selang yang di situ koefisiennya kontinu; merekatkannya melewati kesingularan dapat melahirkan konstanta palsu (Latihan 5.12) atau merusak ketunggalannya. “Selesaikan pada R∗\R^*” berarti dua masalah yang saling bebas.

Contoh 5.18 (Pemaksaan di luar resonansi)

Selesaikan y′′+4y=sin⁡xy'' + 4y = \sin x pada R\R. Frekuensi alaminya 22, frekuensi pemaksanya 11: karena i\iu bukan akar χ(r)=r2+4\chi(r) = r^2 + 4, kegandaannya m=0m = 0 dan sinusoid biasa sudah cukup. Dengan mencoba yp=αsin⁡xy_p = \alpha\sin x (tanpa perlu kosinus: persamaannya tak mempunyai suku y′y', dan sin⁡\sin melahirkan kembali sin⁡\sin):

yp′′+4yp=−αsin⁡x+4αsin⁡x=3αsin⁡x,y_p'' + 4y_p = -\alpha\sin x + 4\alpha\sin x = 3\alpha\sin x ,

jadi α=13\alpha = \frac13 dan penyelesaian umumnya adalah

y=sin⁡x3+λcos⁡2x+μsin⁡2x.y = \frac{\sin x}3 + \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x .

Setiap penyelesaiannya tetap terbatas: yakni superposisi dua osilasi pada frekuensi 11 (yang dipaksakan) dan 22 (yang alami). Bandingkan dengan contoh berikutnya, yang di situ pemaksaan pada frekuensi alaminya mengubah bentuk jawabannya sama sekali.

Contoh 5.19 (Sebuah osilasi terpaksa)

Selesaikan y′′+y=cos⁡xy'' + y = \cos x, y(0)=0y(0) = 0, y′(0)=0y'(0) = 0.

Homogennya: χ(r)=r2+1\chi(r) = r^2 + 1, dengan akar ±i\pm\iu: jadi yh=λcos⁡x+μsin⁡xy_h = \lambda\cos x + \mu \sin x.

Khususnya: ruas kanannya ℜ(eix)\Re(\eu^{\iu x}) dengan γ=i\gamma = \iu akar sederhana χ\chi: cobalah zp=c x eixz_p = c\, x\, \eu^{\iu x} (c∈Cc \in \C). Maka zp′′+zp=c (2i)eixz_p'' + z_p = c\,(2\iu)\eu^{\iu x}, yang sama dengan eix\eu^{\iu x} untuk c=12i=−i2c = \frac{1}{2\iu} = -\frac\iu2. Jadi zp=−i2x(cos⁡x+isin⁡x)z_p = -\frac{\iu}{2} x (\cos x + \iu \sin x) dan yp=ℜ(zp)=xsin⁡x2y_p = \Re(z_p) = \frac{x \sin x}{2}.

Penyelesaian umumnya: y=xsin⁡x2+λcos⁡x+μsin⁡xy = \frac{x\sin x}{2} + \lambda\cos x + \mu\sin x. Syaratnya: y(0)=λ=0y(0) = \lambda = 0; lalu y′=sin⁡x+xcos⁡x2+μcos⁡xy' = \frac{\sin x + x\cos x}{2} + \mu\cos x, sehingga y′(0)=μ=0y'(0) = \mu = 0. Jawabannya: y=xsin⁡x2y = \frac{x\sin x}{2} — yaitu osilasi yang amplitudonya tumbuh linear: inilah gejala resonansi, yang disebabkan oleh pemaksaan sistem itu pada frekuensi alaminya.

Resonansi: penyelesaian y = x x/2 bagi y'' + y = x berayun di antara garis y = ± x2 (garis putus-putus), dengan amplitudo yang terus tumbuh.
Resonansi: penyelesaian y=xsin⁡x2y = \frac{x \sin x}{2} bagi y′′+y=cos⁡xy'' + y = \cos x berayun di antara garis y=±x2y = \pm\frac x2 (garis putus-putus), dengan amplitudo yang terus tumbuh.

Catatan 5.20 (Selingan: kelinearan adalah sebuah geometri)

Lihat kembali bentuk setiap himpunan penyelesaian pada bab ini: sebuah penyelesaian istimewa ditambah sebuah ruang penyelesaian homogen dengan satu konstanta bebas (orde satu) atau dua (orde dua). Bab tentang aljabar linear (Bab 18, 19 dan 20) akan memasok kosakata yang tepat: pemetaan L(y)=y′′+ay′+byL(y) = y'' + ay' + by bersifat linear, penyelesaian homogennya membentuk kernel LL, yaitu ruang vektor yang dimensinya sama dengan orde persamaannya — itulah isi jujur ungkapan “satu konstanta per orde” — dan himpunan penyelesaian L(y)=fL(y) = f adalah sebuah subruang afin, yaitu geseran kernelnya. Bahkan pemetaan Cauchy (λ,μ)↦(y(x0),y′(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) pada Teorema 5.12 adalah bijeksi linear antara dua bidang, yakni sistem 2×22 \times 2 yang punya invers (Bab 21). Tak ada satu pun pada bab ini yang perlu dikerjakan ulang — ia hanya perlu dinamai ulang, dan penamaan ulang itu adalah pemanasan terbaik bagi aljabar linear: setiap definisi abstrak di sana sudah mencari nafkahnya di sini.

Catatan 5.21 (Di mana bab ini dipakai)

Teorema strukturnya — bahwa penyelesaian (E)(E) berupa “satu penyelesaian khusus ditambah penyelesaian (H)(H)” — adalah kemunculan pertama sebuah pola yang akan dinamai Bab 18 dan 20: himpunan penyelesaian (H)(H) adalah kernel pemetaan linear y↦y′′+ay′+byy \mapsto y'' + ay' + by, dan himpunan penyelesaian (E)(E) adalah geseran afinnya. Polinomial karakteristiknya muncul kembali sebagai polinomial karakteristik sebuah matriks pada Bab 21: persamaan orde dua sesungguhnya sistem orde satu 2×22 \times 2 yang menyamar, sudut pandang yang disistematiskan jilid Tahun ke-2. Integral yang dituntut variasi konstanta dipasok oleh Bab 15, dan soal akhir pekan di bawah — yaitu osilator teredam yang dipaksa — adalah kasus model bagi setiap pertanyaan osilasi dalam sains, dari rangkaian listrik sampai jembatan gantung.

5.3 Latihan

Latihan 5.1 ★

Selesaikan pada R\R:   y′+2y=e3x\;y' + 2y = \eu^{3x}; lalu masalah Cauchy y(0)=1y(0) = 1.

Solusi

Solusi Latihan 5.1.

Homogennya: yh=λ e−2xy_h = \lambda\,\eu^{-2x}. Khususnya: cobalah yp=c e3xy_p = c\,\eu^{3x} (karena 33 bukan akar r+2r + 2): 3c+2c=13c + 2c = 1, c=15c = \frac15. Penyelesaian umumnya: y=e3x5+λ e−2xy = \frac{\eu^{3x}}{5} + \lambda\,\eu^{-2x}. Dengan y(0)=1y(0) = 1: 15+λ=1\frac15 + \lambda = 1, λ=45\lambda = \frac45, jadi y=e3x+4 e−2x5y = \frac{\eu^{3x} + 4\,\eu^{-2x}}{5}.

Latihan 5.2 ★

Selesaikan pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}:   xy′−2y=x3\;x y' - 2y = x^3 (bawalah persamaannya ke bentuk yang ternormalkan lebih dulu).

Solusi

Solusi Latihan 5.2.

Pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}, bagilah dengan xx: y′−2x y=x2y' - \frac{2}{x}\,y = x^2. Di sini A(x)=−2ln⁡xA(x) = -2\ln x, e−A(x)=x2\eu^{-A(x)} = x^2: jadi penyelesaian homogennya λx2\lambda x^2. Variasi konstanta: μ′(x)=x2⋅x−2=1\mu'(x) = x^2 \cdot x^{-2} = 1, jadi μ=x+λ\mu = x + \lambda dan

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

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

Latihan 5.3 ★

Selesaikan pada R\R, dengan memberikan penyelesaian umum yang real:   y′′−3y′+2y=0\;y'' - 3y' + 2y = 0;   y′′+4y′+4y=0\;y'' + 4y' + 4y = 0;   y′′−2y′+5y=0\;y'' - 2y' + 5y = 0.

Solusi

Solusi Latihan 5.3.

y′′−3y′+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0: akarnya 11 dan 22;   y=λ ex+μ e2x\;y = \lambda\,\eu^{x} + \mu\,\eu^{2x}.

y′′+4y′+4y=0y'' + 4y' + 4y = 0: akar gandanya −2-2;   y=(λ+μx) e−2x\;y = (\lambda + \mu x)\,\eu^{-2x}.

y′′−2y′+5y=0y'' - 2y' + 5y = 0: akarnya 1±2i1 \pm 2\iu;   y=ex(λcos⁡2x+μsin⁡2x)\;y = \eu^{x}(\lambda\cos 2x + \mu\sin 2x).

Latihan 5.4 ★

Selesaikan y′′−y=x2y'' - y = x^2 pada R\R, lalu masalah Cauchy y(0)=0y(0) = 0, y′(0)=1y'(0) = 1.

Solusi

Solusi Latihan 5.4.

Homogennya: akar ±1\pm 1, jadi yh=λ ex+μ e−xy_h = \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}. Penyelesaian khusus dengan ruas kanan polinomial (γ=0\gamma = 0 bukan akarnya): yp=ax2+bx+cy_p = ax^2 + bx + c; dengan mensubstitusikannya, 2a−(ax2+bx+c)=x22a - (ax^2 + bx + c) = x^2 memberikan a=−1a = -1, b=0b = 0, c=2a=−2c = 2a = -2: jadi yp=−x2−2y_p = -x^2 - 2. Penyelesaian umumnya y=−x2−2+λex+μe−xy = -x^2 - 2 + \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}.

Cauchy: y(0)=−2+λ+μ=0y(0) = -2 + \lambda + \mu = 0 dan y′(0)=λ−μ=1y'(0) = \lambda - \mu = 1: jadi λ=32\lambda = \frac32, μ=12\mu = \frac12. Sehingga y=−x2−2+3ex+e−x2y = -x^2 - 2 + \frac{3\eu^x + \eu^{-x}}{2}.

Latihan 5.5 ★★

Selesaikan pada (−π2, π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}:   y′+ytan⁡x=sin⁡2x\;y' + y\tan x = \sin 2x.

Solusi

Solusi Latihan 5.5.

a(x)=tan⁡xa(x) = \tan x, A(x)=−ln⁡(cos⁡x)A(x) = -\ln(\cos x) (yang sah karena cos⁡>0\cos > 0 pada selang itu), e−A=cos⁡x\eu^{-A} = \cos x: jadi penyelesaian homogennya λcos⁡x\lambda\cos x. Variasi konstanta: μ′(x)=sin⁡2x⋅1cos⁡x=2sin⁡x\mu'(x) = \sin 2x \cdot \frac{1}{\cos x} = 2\sin x, jadi μ=−2cos⁡x+λ\mu = -2\cos x + \lambda dan

y(x)=−2cos⁡2x+λcos⁡x.y(x) = -2\cos^2 x + \lambda \cos x .

Periksa: y′=4cos⁡xsin⁡x−λsin⁡xy' = 4\cos x \sin x - \lambda\sin x dan ytan⁡x=−2cos⁡xsin⁡x+λsin⁡xy\tan x = -2\cos x\sin x + \lambda \sin x; jumlahnya adalah 2cos⁡xsin⁡x=sin⁡2x2\cos x\sin x = \sin 2x, sesuai tuntutannya.

Latihan 5.6 ★★

Selesaikan y′′−4y′+3y=(2x+1) exy'' - 4y' + 3y = (2x + 1)\,\eu^{x} pada R\R. (Perhatikan kegandaannya: apakah 11 akar polinomial karakteristiknya?)

Solusi

Solusi Latihan 5.6.

χ(r)=r2−4r+3=(r−1)(r−3)\chi(r) = r^2 - 4r + 3 = (r-1)(r-3): di sini γ=1\gamma = 1 akar sederhana (m=1m = 1). Cobalah yp=x(ax+b) exy_p = x(ax + b)\,\eu^x. Dengan u=ax2+bxu = ax^2 + bx,

yp′′−4yp′+3yp=(u′′+(2−4)u′+χ(1)u)ex=(2a−2(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 .

Samakan dengan (2x+1)ex(2x + 1)\eu^x: −4a=2-4a = 2 dan 2a−2b=12a - 2b = 1, jadi a=−12a = -\frac12, b=−1b = -1. Penyelesaian umumnya:

y=−(x22+x)ex+λ ex+μ e3x,(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 .

Latihan 5.7 ★★

Selesaikan y′′+4y=sin⁡2x+xy'' + 4y = \sin 2x + x pada R\R (superposisi; tangani setiap ruas kanannya secara terpisah).

Solusi

Solusi Latihan 5.7.

Homogennya: yh=λcos⁡2x+μsin⁡2xy_h = \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x.

Ruas kanan xx (dengan γ=0\gamma = 0 bukan akarnya): y1=ax+by_1 = ax + b dengan 4(ax+b)=x4(ax + b) = x: jadi y1=x4y_1 = \frac x4.

Ruas kanan sin⁡2x=ℑ(e2ix)\sin 2x = \Im(\eu^{2\iu x}), dengan 2i2\iu akar sederhana r2+4r^2 + 4: cobalah z=c x e2ixz = c\,x\,\eu^{2\iu x}; maka z′′+4z=4ic e2ixz'' + 4z = 4\iu c\,\eu^{2\iu x}, yang sama dengan e2ix\eu^{2\iu x} untuk c=14i=−i4c = \frac{1}{4\iu} = -\frac{\iu}{4}. Jadi z=−ix4(cos⁡2x+isin⁡2x)z = -\frac{\iu x}{4}(\cos 2x + \iu \sin 2x) dan y2=ℑ(z)=−xcos⁡2x4y_2 = \Im(z) = -\frac{x\cos 2x}{4}.

Menurut superposisi:

y=x4−xcos⁡2x4+λcos⁡2x+μsin⁡2x.y = \frac{x}{4} - \frac{x\cos 2x}{4} + \lambda\cos 2x + \mu\sin 2x .

Latihan 5.8 ★★

Secangkir kopi bersuhu T0=80 ∘T_0 = 80\,^\circC berada di ruangan bersuhu 20 ∘20\,^\circC. Hukum pendinginan Newton menyatakan T′=−k (T−20)T' = -k\,(T - 20) dengan k>0k > 0. Selesaikan untuk T(t)T(t), lalu bila diketahui kopinya bersuhu 50 ∘50\,^\circC setelah 1010 menit, carilah kapan ia mencapai 25 ∘25\,^\circC.

Solusi

Solusi Latihan 5.8.

Persamaan T′+kT=20kT' + kT = 20k mempunyai penyelesaian khusus yang konstan 2020 dan penyelesaian homogen λe−kt\lambda\eu^{-kt}: jadi T(t)=20+λ e−ktT(t) = 20 + \lambda\,\eu^{-kt}, dan T(0)=80T(0) = 80 memberikan λ=60\lambda = 60:

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

T(10)=50T(10) = 50: e−10k=12\eu^{-10k} = \frac12, jadi k=ln⁡210k = \frac{\ln 2}{10}. Lalu T(t)=25T(t) = 25 menuntut e−kt=560=112\eu^{-kt} = \frac{5}{60} = \frac{1}{12}, yakni

t=ln⁡12k=10 ln⁡12ln⁡2≈35.8 menit.t = \frac{\ln 12}{k} = 10\,\frac{\ln 12}{\ln 2} \approx 35.8 \text{ menit.}

Latihan 5.9 ★★★

(Osilator teredam) Untuk ε≥0\varepsilon \geq 0, tinjau y′′+2εy′+y=0y'' + 2\varepsilon y' + y = 0.

  1. Selesaikan untuk ε∈[0, 1)\varepsilon \in \intco{0}{1}, ε=1\varepsilon = 1, dan ε>1\varepsilon > 1.
  2. Tunjukkan bahwa untuk ε>0\varepsilon > 0 setiap penyelesaiannya menuju 00 di +∞+\infty, dan bahwa untuk ε=0\varepsilon = 0 penyelesaian yang tak nol tidak demikian.
  3. Untuk ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}, tunjukkan bahwa nol sebuah penyelesaian tak nol berjarak teratur, dengan celah π1−ε2\frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.
Solusi

Solusi Latihan 5.9.

  1. χ(r)=r2+2εr+1\chi(r) = r^2 + 2\varepsilon r + 1, Δ=4(ε2−1)\Delta = 4(\varepsilon^2 - 1). Untuk ε∈[0, 1)\varepsilon \in \intco{0}{1}: akarnya −ε±i1−ε2-\varepsilon \pm \iu\sqrt{1 - \varepsilon^2}, jadi y=e−εt(λcos⁡ωt+μsin⁡ωt)y = \eu^{-\varepsilon t}\bigl(\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t\bigr) dengan ω=1−ε2\omega = \sqrt{1 - \varepsilon^2}. Untuk ε=1\varepsilon = 1: akar gandanya −1-1, jadi y=(λ+μt) e−ty = (\lambda + \mu t)\,\eu^{-t}. Untuk ε>1\varepsilon > 1: akar realnya r±=−ε±ε2−1r_\pm = -\varepsilon \pm \sqrt{\varepsilon^2 - 1}, keduanya <0< 0, dan y=λer+t+μer−ty = \lambda\eu^{r_+t} + \mu\eu^{r_-t}.
  2. Untuk ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}: ∣y∣≤e−εt(∣λ∣+∣μ∣)→0\abs y \leq \eu^{-\varepsilon t}(\abs\lambda + \abs\mu) \to 0. Untuk ε=1\varepsilon = 1: (λ+μt)e−t→0(\lambda + \mu t)\eu^{-t} \to 0 (karena eksponensial mengalahkan polinomial, Proposisi 4.6). Untuk ε>1\varepsilon > 1: kedua eksponensialnya meluruh karena r±<0r_\pm < 0 (memang ε2−1<ε\sqrt{\varepsilon^2 - 1} < \varepsilon). Untuk ε=0\varepsilon = 0: y=λcos⁡t+μsin⁡ty = \lambda\cos t + \mu\sin t mempunyai amplitudo tetap λ2+μ2≠0\sqrt{\lambda^2 + \mu^2} \neq 0 kecuali bila y=0y = 0.
  3. Tulis λcos⁡ωt+μsin⁡ωt=Rcos⁡(ωt−φ)\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t = R\cos(\omega t - \varphi) dengan R=λ2+μ2>0R = \sqrt{\lambda^2 + \mu^2} > 0. Nol yy adalah nol cos⁡(ωt−φ)\cos(\omega t - \varphi) (karena faktor e−εt\eu^{-\varepsilon t} tak pernah lenyap): ωt−φ≡π2(modπ)\omega t - \varphi \equiv \frac\pi2 \pmod \pi, yaitu barisan aritmetika dengan celah πω=π1−ε2\frac{\pi}{\omega} = \frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.

Latihan 5.10 ★★★

Carilah semua fungsi f ⁣:R→Rf \colon \R \to \R yang dapat diturunkan dua kali dan memenuhi

∀x,y∈R,f(x+y)+f(x−y)=2f(x)f(y),\forall x, y \in \R, \qquad f(x + y) + f(x - y) = 2 f(x) f(y),

dengan f(0)≠0f(0) \ne 0 dan ff tidak konstan. Petunjuk: tetapkan yy, lalu turunkan dua kali terhadap xx di 00; tunjukkan f(0)=1f(0) = 1 dan f′′=cff'' = c f untuk suatu konstanta cc; lalu selesaikan menurut tanda cc dan periksa penyelesaian mana yang memenuhi persamaan fungsionalnya.

Solusi

Solusi Latihan 5.10.

Ambil x=y=0x = y = 0: 2f(0)=2f(0)22f(0) = 2f(0)^2, dan f(0)≠0f(0) \neq 0 memberikan f(0)=1f(0) = 1. Tetapkan xx lalu turunkan persamaannya dua kali terhadap yy:

f′′(x+y)+f′′(x−y)=2f(x)f′′(y).f''(x+y) + f''(x-y) = 2 f(x) f''(y) .

Dengan mengambil y=0y = 0:   2f′′(x)=2f(x)f′′(0)\;2f''(x) = 2 f(x) f''(0), yaitu

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

Kasus c=ω2>0c = \omega^2 > 0: f(x)=λcosh⁡ωx+μsinh⁡ωxf(x) = \lambda\cosh\omega x + \mu\sinh\omega x; lalu f(0)=1f(0) = 1 memberikan λ=1\lambda = 1. Dengan memasukkannya ke persamaan fungsionalnya dan memakai rumus penjumlahan (Proposisi 4.18), persamaan itu memaksa μ=0\mu = 0 (bandingkan koefisien sinh⁡ωxsinh⁡ωy\sinh\omega x \sinh\omega y atau hitung nilainya di x=yx = y): jadi f=cosh⁡ωxf = \cosh\omega x, yang memang memenuhi cosh⁡(x+y)+cosh⁡(x−y)=2cosh⁡xcosh⁡y\cosh(x+y) + \cosh(x-y) = 2\cosh x\cosh y.

Kasus c=−ω2<0c = -\omega^2 < 0: serupa dengan itu, f(x)=cos⁡ωxf(x) = \cos\omega x (ω≠0\omega \neq 0), yang memenuhi persamaannya.

Kasus c=0c = 0: ff afin dengan f(0)=1f(0) = 1: f(x)=1+μxf(x) = 1 + \mu x; lalu persamaannya memaksa μ=0\mu = 0, yang tersingkir (karena ff tidak konstan).

Kesimpulannya: penyelesaiannya adalah f(x)=cos⁡ωxf(x) = \cos\omega x dan f(x)=cosh⁡ωxf(x) = \cosh\omega x, dengan ω>0\omega > 0.

Latihan 5.11 ★★

(Persamaan Euler) Selesaikan x2y′′−xy′+y=0x^2 y'' - x y' + y = 0 pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}. Petunjuk: tulis z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t), yakni substitusikan x=etx = \eu^t, lalu tunjukkan bahwa zz memenuhi persamaan linear berkoefisien konstan.

Solusi

Solusi Latihan 5.11.

Tulis z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t), sehingga y(x)=z(ln⁡x)y(x) = z(\ln x) untuk x>0x > 0. Maka

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

lalu dengan mensubstitusikannya ke dalam persamaannya:

x2y′′−xy′+y=(z′′−z′)−z′+z=z′′−2z′+z=0.x^2y'' - xy' + y = \bigl(z'' - z'\bigr) - z' + z = z'' - 2z' + z = 0 .

Polinomial karakteristiknya (r−1)2(r - 1)^2: akar gandanya 11, jadi z(t)=(λ+μt) etz(t) = (\lambda + \mu t)\,\eu^t dan, kembali dalam variabel x=etx = \eu^t:

y(x)=(λ+μln⁡x) x,λ,μ∈R.y(x) = (\lambda + \mu\ln x)\,x, \qquad \lambda, \mu \in \R .

Latihan 5.12 ★★★

Tinjau persamaan x y′=2yx\,y' = 2y pada seluruh garis real, dengan fungsi y ⁣:R→Ry \colon \R \to \R yang dapat diturunkan sebagai variabelnya.

  1. Selesaikan pada (0, +∞)\intoo{0}{+\infty} dan pada (−∞, 0)\intoo{-\infty}{0}.
  2. Tunjukkan bahwa untuk konstanta a,b∈Ra, b \in \R yang mana pun, fungsi yang sama dengan ax2ax^2 untuk x≥0x \geq 0 dan dengan bx2bx^2 untuk x<0x < 0 dapat diturunkan pada R\R dan memenuhi persamaannya di mana-mana.
  3. Simpulkan bahwa himpunan penyelesaiannya pada R\R adalah keluarga berparameter dua, lalu jelaskan mengapa ini tidak bertentangan dengan ketunggalan pada Teorema 5.4.
Solusi

Solusi Latihan 5.12.

  1. Dalam bentuk ternormalkan y′−2x y=0y' - \frac2x\,y = 0 pada masing-masing selang: A(x)=−2ln⁡∣x∣A(x) = -2\ln\abs x, jadi penyelesaiannya adalah y=ax2y = a x^2 pada (0, +∞)\intoo0{+\infty} dan y=bx2y = b x^2 pada (−∞, 0)\intoo{-\infty}0, dengan konstanta yang saling bebas (Teorema 5.2).
  2. Misalkan y=ax2y = ax^2 untuk x≥0x \geq 0 dan bx2bx^2 untuk x<0x < 0. Pada masing-masing setengah garis terbukanya, yy dapat diturunkan dengan xy′=2yxy' = 2y. Di 00: hasil bagi selisihnya y(h)−y(0)h=ah\frac{y(h) - y(0)}h = ah atau bhbh menuju 00, jadi y′(0)=0y'(0) = 0 ada, dan persamaannya di x=0x = 0 berbunyi 0⋅y′(0)=2y(0)=00 \cdot y'(0) = 2y(0) = 0: yang terpenuhi. Jadi yy memenuhi persamaannya pada seluruh R\R.
  3. Penyelesaian pada R\R tepat berupa fungsi rekatan itu: yaitu keluarga berparameter dua bagi persamaan orde satu. Tak ada pertentangan dengan Teorema 5.4, yang hipotesisnya gugur di sini: bila ditulis y′+a(x)y=0y' + a(x)y = 0, koefisien a(x)=−2xa(x) = -\frac2x tidak kontinu di 00 — bahkan tidak terdefinisi — sehingga R\R bukanlah selang yang teoremanya berlaku di sana. Kesingularan di 00 memutuskan kedua setengah garisnya, dan nilai y(0)=0y(0) = 0 terpaksa demikian tanpa membawa informasi menyeberang. Setiap data Cauchy di x0≠0x_0 \neq 0 hanya menentukan penyelesaiannya pada setengah garis yang memuat x0x_0.

5.4 Soal: Osilator teredam yang dipaksa

Soal 5.1

Satu persamaan mengatur sebuah massa pada pegas di dalam medium kental, muatan pada rangkaian RLC, dan gedung yang bergoyang tertiup angin:

(EΩ) ⁣:x′′+2λx′+ω02 x=Acos⁡(Ωt),(E_\Omega)\colon\quad x'' + 2\lambda x' + \omega_0^2\,x = A\cos(\Omega t),

dengan λ≥0\lambda \geq 0 redamannya, ω0>0\omega_0 > 0 frekuensi alaminya, serta A>0A > 0, Ω>0\Omega > 0 amplitudo dan frekuensi pemaksanya. Soal ini menyarikan perilakunya selengkapnya: peluruhan peralihannya, keadaan tunak periodik yang tunggal, kurva resonansi beserta ketajamannya (yaitu faktor kualitas), layangan pada kasus tanpa redaman, dan neraca energi yang menopang osilasinya. Kecuali dinyatakan lain, 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 (yaitu regim redaman lemah) dan kita tulis ωd=ω02−λ2\omega_d = \sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}.

Bagian I — Osilator bebas. Di sini A=0A = 0.

  1. Selesaikan persamaan homogennya (H)(H) untuk 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0, dan untuk λ=0\lambda = 0. (Regim λ≥ω0\lambda \geq \omega_0 sudah ditangani pada Latihan 5.9; kutiplah dari sana.)
  2. Tunjukkan bahwa untuk setiap λ>0\lambda > 0, semua penyelesaian (H)(H) menuju 00 di +∞+\infty — pada ketiga regimnya.
  3. Definisikan energinya E(t)=12x′(t)2+12ω02 x(t)2\mathcal E(t) = \frac12 x'(t)^2 + \frac12\omega_0^2\,x(t)^2 sepanjang sebuah penyelesaian (H)(H). Tunjukkan E′(t)=−2λ x′(t)2≤0\mathcal E'(t) = -2\lambda\,x'(t)^2 \leq 0, lalu simpulkan (tanpa menyelesaikan apa pun) bahwa masalah Cauchy “(H)(H), x(t0)=x′(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0” hanya mempunyai penyelesaian nol, untuk setiap λ≥0\lambda \geq 0.
  4. Untuk 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0, tulis penyelesaian yang tak nol sebagai x(t)=R e−λtcos⁡(ωdt−φ)x(t) = R\,\eu^{-\lambda t}\cos(\omega_d t - \varphi) lalu misalkan Td=2πωdT_d = \frac{2\pi}{\omega_d} pseudoperiodenya. Tunjukkan bahwa x(t+Td)=e−λTd x(t)x(t + T_d) = \eu^{-\lambda T_d}\,x(t): jadi setiap ayunan adalah ayunan sebelumnya yang menyusut dengan faktor tetap e−δ\eu^{-\delta}, δ=2πλωd\delta = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d} (yaitu dekremen logaritmiknya). Hitung δ\delta untuk ω0=1\omega_0 = 1, λ=0.1\lambda = 0.1.
  5. Definisikan faktor kualitas Q=ω02λQ = \dfrac{\omega_0}{2\lambda}. Tunjukkan bahwa setelah waktu 1λ\frac1\lambda (yaitu satu kali pelipatan amplitudo sebesar e\eu), osilatornya sudah menyelesaikan ωd2πλ\frac{\omega_d}{2\pi\lambda} pseudoperiode, yang untuk redaman lemah (λ≪ω0\lambda \ll \omega_0) kira-kira sama dengan Qπ\frac Q\pi: jadi faktor kualitas mencacah, sampai faktor π\pi, banyaknya osilasi yang bertahan sebelum amplitudonya meluruh sebesar e\eu.

Bagian II — Keadaan tunak. Sekarang A>0A > 0 dan λ>0\lambda > 0.

  1. Carilah penyelesaian khusus sebagai bagian real z eiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} dengan z∈Cz \in \C (Metode 5.13). Tunjukkan bahwa ini berhasil dengan

    z=Aω02−Ω2+2iλΩ.z = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} .
  2. Simpulkan keadaan tunaknya dalam bentuk amplitudo–fase: xp(t)=R(Ω)cos⁡(Ωt−φ(Ω))x_p(t) = R(\Omega)\cos\bigl(\Omega t - \varphi(\Omega)\bigr) dengan

    R(Ω)=A(ω02−Ω2)2+4λ2Ω2,tan⁡φ=2λΩω02−Ω2,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. Tafsirkan kedua regim ekstremnya: hitung limit RR dan φ\varphi ketika Ω→0+\Omega \to 0^+ (tanggapan kuasi-statis A/ω02A/\omega_0^2, dengan fase 00) dan ketika Ω→+∞\Omega \to +\infty (R∼A/Ω2→0R \sim A/\Omega^2 \to 0, dengan fase →π\to \pi: jadi massanya bergerak berlawanan dengan pemaksaan yang terlalu cepat).
  4. Tunjukkan bahwa setiap penyelesaian (EΩ)(E_\Omega) berupa xpx_p ditambah sebuah penyelesaian (H)(H), sehingga ia konvergen ke keadaan tunak xpx_p ketika t→+∞t \to +\infty, apa pun syarat awalnya: setelah peralihannya mati, osilatornya tak mempunyai ingatan tentang bagaimana ia dimulai.
  5. Tunjukkan bahwa xpx_p adalah satu-satunya penyelesaian periodik (EΩ)(E_\Omega).
  6. Kerjakan satu masalah Cauchy sampai tuntas: untuk x′′+2x′+2x=cos⁡tx'' + 2x' + 2x = \cos t dengan x(0)=x′(0)=0x(0) = x'(0) = 0, tunjukkan bahwa penyelesaiannya

    x(t)=cos⁡t+2sin⁡t5−e−t cos⁡t+3sin⁡t5,x(t) = \frac{\cos t + 2\sin t}5 - \eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5 ,

    lalu kenali bagian peralihan dan bagian tunaknya.

Bagian III — Kurva resonansi. Telaah Ω↦R(Ω)\Omega \mapsto R(\Omega) pada (0, +∞)\intoo0{+\infty}.

  1. Dengan menulis u=Ω2u = \Omega^2 dan g(u)=(ω02−u)2+4λ2ug(u) = (\omega_0^2 - u)^2 + 4\lambda^2 u, tunjukkan: jika 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2, maka RR mencapai maksimum tegas pada frekuensi resonansi Ωr=ω02−2λ2\Omega_r = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}, dengan

    Rmax⁡=R(Ωr)=A2λω02−λ2.R_{\max} = R(\Omega_r) = \frac{A}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}} .
  2. Tunjukkan bahwa Rmax⁡R(0)=Q (1−λ2ω02)−1/2≥Q\dfrac{R_{\max}}{R(0)} = Q\,\bigl(1 - \tfrac{\lambda^2}{\omega_0^2}\bigr)^{-1/2} \geq Q: jadi pada resonansi, pemaksaannya diperkuat sebesar (pada dasarnya) faktor kualitasnya.
  3. Buktikan bahwa amplitudo kecepatan V(Ω)=Ω R(Ω)V(\Omega) = \Omega\,R(\Omega) maksimum tepat di Ω=ω0\Omega = \omega_0 (bukan di Ωr\Omega_r), dan bahwa fase di sana adalah φ(ω0)=π2\varphi(\omega_0) = \frac\pi2: jadi di Ω=ω0\Omega = \omega_0 kecepatannya tepat sefase dengan gayanya.
  4. (Lebar pita) Selesaikan g(u)=2 g(ur)g(u) = 2\,g(u_r) secara eksak, dengan ur=ω02−2λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2, lalu simpulkan bahwa kedua frekuensi Ω±\Omega_\pm yang di sana R=Rmax⁡/2R = R_{\max}/\sqrt2 memenuhi Ω+2−Ω−2=4λω02−λ2\Omega_+^2 - \Omega_-^2 = 4\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}; lalu simpulkan bahwa untuk redaman lemah lebar pitanya Ω+−Ω−≈2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx 2\lambda, yakni Q≈ω0Ω+−Ω−Q \approx \frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-}: jadi puncak resonansi yang tajam adalah sistem ber-QQ tinggi.
  5. Potret numerik untuk ω0=1\omega_0 = 1, λ=0.05\lambda = 0.05 (Q=10Q = 10), A=1A = 1: hitung Ωr\Omega_r, Rmax⁡R_{\max}, tanggapan statis R(0)R(0), dan lebar pitanya secara hampiran.
  6. Tunjukkan bahwa jika 2λ2≥ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2, maka RR turun tegas pada (0, +∞)\intoo0{+\infty}: jadi sistem yang teredam berat sama sekali tak mempunyai puncak resonansi.

Bagian IV — Tanpa redaman: layangan dan resonansi. Di sini λ=0\lambda = 0.

  1. Untuk Ω≠ω0\Omega \neq \omega_0, carilah penyelesaian umum x′′+ω02x=Acos⁡(Ωt)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\Omega t).
  2. Selesaikan masalah Cauchy x(0)=x′(0)=0x(0) = x'(0) = 0 lalu ubahlah jawabannya menjadi bentuk hasil kali

    x(t)=2Aω02−Ω2 sin⁡((ω0−Ω)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. Untuk Ω\Omega yang dekat dengan ω0\omega_0, bacalah hasil kali itu sebagai osilasi cepat pada frekuensi ω0+Ω2\frac{\omega_0 + \Omega}2 yang termodulasi oleh selubung lambat pada frekuensi ∣ω0−Ω∣2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2: inilah layangan. Berikan periode selubungnya dan amplitudo maksimumnya, lalu catat bagaimana keduanya meledak ketika Ω→ω0\Omega \to \omega_0.
  4. Tetapkan tt lalu ambil Ω→ω0\Omega \to \omega_0 pada rumus pertanyaan 19: tunjukkan bahwa limitnya adalah

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

    lalu periksa langsung bahwa x∞x_\infty memenuhi persamaan resonannya x′′+ω02x=Acos⁡(ω0t)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\omega_0 t) dengan x(0)=x′(0)=0x(0) = x'(0) = 0 (bandingkan Contoh 5.19): jadi resonansi adalah limit layangan yang kian lambat dan kian besar.

  5. Pertentangkan kedua nasib resonansi: pertumbuhan linear At2ω0\frac{At}{2\omega_0} tanpa redaman, berbanding kejenuhan pada Rmax⁡≈Q Aω02R_{\max} \approx Q\,\frac{A}{\omega_0^2} dengan redaman lemah. Dalam satu kalimat: mekanisme fisis apa yang mengubah yang pertama menjadi yang kedua?

Bagian V — Neraca energi dan sintesis.

  1. Pada keadaan tunak Bagian II, hitunglah rata-rata sepanjang satu periode 2πΩ\frac{2\pi}\Omega dari (a) daya yang disuntikkan oleh pemaksaannya, Pin(t)=Acos⁡(Ωt)⋅xp′(t)P_{\mathrm{in}}(t) = A\cos(\Omega t) \cdot x_p'(t), dan (b) daya yang dilesapkan oleh redamannya, Pdiss(t)=2λ xp′(t)2P_{\mathrm{diss}}(t) = 2\lambda\,x_p'(t)^2. Tunjukkan bahwa kedua rata-ratanya sama dengan λ R2Ω2\lambda\,R^2\Omega^2: jadi pemaksaannya memasok persis apa yang dibakar redamannya — dan itulah sebabnya keadaan tunak itu tunak.
  2. Di mana persisnya soal ini memakai: (i) teorema struktur Teorema 5.12; (ii) metode eksponensial kompleks; (iii) telaah fungsi variabel real dalam gaya Bab 4? Satu kalimat untuk masing-masing.
  3. Sintesis: gambarkan peta perilaku lengkap (EΩ)(E_\Omega) — yang bebas berbanding yang terpaksa, yang teredam berbanding tanpa redaman, peran QQ sebagai satu-satunya tombol tanpa dimensi yang menyetel tinggi puncak, lebar pita dan umur peralihannya — lalu sebutkan tempat kisahnya berlanjut: sistem orde satu 2×22 \times 2 (Bab 21 dan jilid Tahun ke-2) dan penguraian pemaksaan periodik yang umum menjadi sinusoid (deret Fourier, pada jilid Tahun ke-3), yang untuknya kasus sinusoidal soal ini menjadi batu bangunan yang mendasar.
Solusi

Solusi Soal 5.1.

1. χ(r)=r2+2λr+ω02\chi(r) = r^2 + 2\lambda r + \omega_0^2, Δ=4(λ2−ω02)<0\Delta = 4(\lambda^2 - \omega_0^2) < 0 untuk 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0: akarnya −λ±iωd-\lambda \pm \iu\omega_d, jadi menurut Teorema 5.10

x(t)=e−λt(λ1cos⁡ωdt+μ1sin⁡ωdt),(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 .

Untuk λ=0\lambda = 0: x=λ1cos⁡ω0t+μ1sin⁡ω0tx = \lambda_1\cos\omega_0 t + \mu_1\sin\omega_0 t. Regim kritis (λ=ω0\lambda = \omega_0) dan teredam lebih (λ>ω0\lambda > \omega_0) adalah regim pada Latihan 5.9 (setelah waktunya diskalakan ulang): yaitu (λ1+μ1t)e−λt(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t}, dan kombinasi er±t\eu^{r_\pm t} dengan r±=−λ±λ2−ω02r_\pm = -\lambda \pm \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2}.

2. Teredam lemah: ∣x∣≤e−λt(∣λ1∣+∣μ1∣)→0\abs x \leq \eu^{-\lambda t}(\abs{\lambda_1} + \abs{\mu_1}) \to 0. Kritis: (λ1+μ1t)e−λt→0(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t} \to 0 karena eksponensial mengalahkan polinomial (Proposisi 4.6). Teredam lebih: r−<r+=−λ+λ2−ω02<0r_- < r_+ = -\lambda + \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < 0 karena λ2−ω02<λ\sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < \lambda; jadi kedua eksponensialnya meluruh.

3. Sepanjang sebuah penyelesaian (H)(H), dengan memakai x′′=−2λx′−ω02xx'' = -2\lambda x' - \omega_0^2 x:

E′(t)=x′x′′+ω02xx′=x′(−2λx′−ω02x)+ω02xx′=−2λ x′2≤0.\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 .

Jika x(t0)=x′(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0 maka E(t0)=0\mathcal E(t_0) = 0; di sini E\mathcal E tak negatif dan tak naik, sehingga E≡0\mathcal E \equiv 0 pada [t0, +∞)\intco{t_0}{+\infty}, yang memaksa x≡0x \equiv 0 di sana; untuk t≤t0t \leq t_0, jalankan argumen yang sama pada x~(t)=x(2t0−t)\tilde x(t) = x(2t_0 - t), yang memenuhi persamaan dengan redaman −λ-\lambda tetapi tetap mempunyai E~(t0)=0\tilde{\mathcal E}(t_0) = 0 dan E~′=+2λx~′2≥0\tilde{\mathcal E}' = +2\lambda\tilde x'^2 \geq 0 dengan E~≥0\tilde{\mathcal E} \geq 0; tak negatif, tidak turun, dan nol di ujung kanan (−∞, t0]\intoc{-\infty}{t_0} berarti nol di sepanjangnya. Jadi x≡0x \equiv 0 pada R\R — yaitu bukti ketunggalan lewat energi, yang sah untuk setiap λ≥0\lambda \geq 0.

4. x(t+Td)=R e−λte−λTdcos⁡(ωdt+2π−φ)=e−λTdx(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). Faktor penyusutan per pseudoperiodenya adalah e−δ\eu^{-\delta} dengan δ=λTd=2πλωd\delta = \lambda T_d = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d}. Untuk ω0=1\omega_0 = 1, λ=0.1\lambda = 0.1: ωd=0.99=0.99499\omega_d = \sqrt{0.99} = 0.99499, jadi δ=0.628320.99499=0.6315\delta = \frac{0.62832}{0.99499} = 0.6315: setiap ayunan menyisakan e−0.63≈53%\eu^{-0.63} \approx 53\% amplitudonya.

5. Faktor amplitudonya adalah e−λt\eu^{-\lambda t}, yang meluruh sebesar e\eu selama t=1λt = \frac1\lambda. Selang itu memuat 1/λTd=ωd2πλ\frac{1/\lambda}{T_d} = \frac{\omega_d}{2\pi\lambda} pseudoperiode. Untuk λ≪ω0\lambda \ll \omega_0, ωd≈ω0\omega_d \approx \omega_0 sehingga ini ≈ω02πλ=Qπ\approx \frac{\omega_0}{2\pi\lambda} = \frac Q\pi. Senar gitar ber-Q=300Q = 300 berdenting sekitar seratus periode; sedangkan peredam pintu dengan Q=1Q = 1 tak menuntaskan satu pun.

6. Mensubstitusikan z eiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} ke ruas kirinya memberikan z (−Ω2+2iλΩ+ω02) eiΩtz\,(-\Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega + \omega_0^2)\,\eu^{\iu\Omega t}, yang sama dengan A eiΩtA\,\eu^{\iu\Omega t} tepat untuk z=Aω02−Ω2+2iλΩz = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} (penyebutnya tak nol: bagian imajinernya adalah 2λΩ>02\lambda\Omega > 0). Karena koefisiennya real, bagian real xp=ℜ(zeiΩt)x_p = \Re\bigl(z\eu^{\iu\Omega t}\bigr) memenuhi persamaan dengan ruas kanan ℜ(AeiΩt)=Acos⁡Ωt\Re\bigl(A\eu^{\iu\Omega t}\bigr) = A\cos\Omega t.

7. Tulis ω02−Ω2+2iλΩ=D eiφ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega = \sqrt{D}\,\eu^{\iu\varphi} dengan D=(ω02−Ω2)2+4λ2Ω2D = (\omega_0^2 - \Omega^2)^2 + 4\lambda^2\Omega^2 dan φ∈(0, π)\varphi \in \intoo0\pi (karena bagian imajinernya 2λΩ2\lambda\Omega positif), sehingga tan⁡φ=2λΩω02−Ω2\tan\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\omega_0^2 - \Omega^2}. Lalu z=ADe−iφz = \frac{A}{\sqrt D}\eu^{-\iu\varphi} dan

xp(t)=ℜ(AD ei(Ωt−φ))=Rcos⁡(Ωt−φ),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. Ketika Ω→0+\Omega \to 0^+: D→ω04D \to \omega_0^4, jadi R→A/ω02R \to A/\omega_0^2 dan tan⁡φ→0+\tan\varphi \to 0^+ dengan φ∈(0, π2)\varphi \in \intoo0{\frac\pi2}: sehingga φ→0\varphi \to 0. Massanya mengikuti gayanya secara kuasi-statis, tergeser sebesar gaya dibagi kekakuan. Ketika Ω→+∞\Omega \to +\infty: D∼Ω4D \sim \Omega^4, jadi R∼A/Ω2→0R \sim A/\Omega^2 \to 0, dan φ→π\varphi \to \pi (bilangan kompleks ω02−Ω2+2iλΩ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega menuju kuadran kedua dengan argumen →π\to \pi): jadi massanya nyaris tak bergerak, dan berlawanan fase — karena kelembamannya mendominasi.

9. Menurut Teorema 5.12 (1), setiap penyelesaian berupa x=xp+xhx = x_p + x_h dengan xhx_h memenuhi (H)(H); menurut pertanyaan 2, xh(t)→0x_h(t) \to 0, jadi x(t)−xp(t)→0x(t) - x_p(t) \to 0: semua penyelesaian konvergen ke keadaan tunak yang sama. Syarat awalnya hanya membentuk peralihannya.

10. Jika xx penyelesaian periodik, maka x−xp=xhx - x_p = x_h adalah penyelesaian periodik (H)(H) yang menuju 00 di +∞+\infty; dan fungsi periodik yang berlimit 00 identik dengan 00 (karena nilainya pada satu periode berulang selamanya, sehingga setiap nilainya menjadi limit sebuah barisan bagian yang menuju 00). Jadi x=xpx = x_p.

11. Di sini λ=1\lambda = 1, ω02=2\omega_0^2 = 2, Ω=1\Omega = 1, A=1A = 1: jadi z=12−1+2i=1−2i5z = \frac1{2 - 1 + 2\iu} = \frac{1 - 2\iu}5, sehingga

xp=ℜ((1−2i)(cos⁡t+isin⁡t)5)=cos⁡t+2sin⁡t5.x_p = \Re\Bigl(\frac{(1 - 2\iu)(\cos t + \iu\sin t)}5\Bigr) = \frac{\cos t + 2\sin t}5 .

Homogennya: akar r2+2r+2r^2 + 2r + 2 adalah −1±i-1 \pm \iu: jadi xh=e−t(Ccos⁡t+Ssin⁡t)x_h = \eu^{-t}(C\cos t + S\sin t). Syaratnya: x(0)=15+C=0x(0) = \frac15 + C = 0 memberikan C=−15C = -\frac15; lalu dengan menurunkannya, x′(0)=25−C+S=0x'(0) = \frac25 - C + S = 0 memberikan S=C−25=−35S = C - \frac25 = -\frac35. Jadi

x(t)=cos⁡t+2sin⁡t5⏟tunak−e−t cos⁡t+3sin⁡t5⏟peralihan,x(t) = \underbrace{\frac{\cos t + 2\sin t}5}_{\text{tunak}} - \underbrace{\eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5}_{\text{peralihan}} ,

dengan peralihannya mati seperti e−t\eu^{-t}.

12. Dengan menjabarkannya, g(u)=u2−2(ω02−2λ2)u+ω04=(u−ur)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) dengan ur=ω02−2λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2 dan

g(ur)=ω04−ur2=(ω02−ur)(ω02+ur)=2λ2(2ω02−2λ2)=4λ2(ω02−λ2).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) .

Jika 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2, maka ur>0u_r > 0 merupakan kuadrat frekuensi yang sah: di sana gg mempunyai minimum tegas, sehingga R=A/gR = A/\sqrt g mempunyai maksimum tegas di Ωr=ur=ω02−2λ2\Omega_r = \sqrt{u_r} = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}, dengan Rmax⁡=A/g(ur)=A2λω02−λ2R_{\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, jadi

Rmax⁡R(0)=ω022λω02−λ2=ω02λ⋅ω0ω02−λ2=Q (1−λ2ω02)−1/2≥Q.\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 .

Untuk redaman lemah faktor koreksinya dekat dengan 11: jadi resonansi mengalikan pergeseran statisnya dengan QQ pada dasarnya.

14. V(Ω)2=A2ug(u)V(\Omega)^2 = \frac{A^2 u}{g(u)} dengan u=Ω2u = \Omega^2. Turunannya bertanda sama dengan g(u)−u g′(u)=(ω02−u)2+4λ2u−u(2(u−ω02)+4λ2)=(ω02−u)2+2u(ω02−u)=(ω02−u)(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), yang positif untuk u<ω02u < \omega_0^2 dan negatif setelahnya: jadi maksimum tegasnya tepat di Ω=ω0\Omega = \omega_0, untuk redaman apa pun. Di sana tan⁡φ\tan\varphi meledak dengan φ∈(0, π)\varphi \in \intoo0\pi: jadi φ=π2\varphi = \frac\pi2, dan xp′(t)=−RΩsin⁡(Ωt−π2)=RΩcos⁡(Ωt)x_p'(t) = -R\Omega\sin(\Omega t - \frac\pi2) = R\Omega\cos(\Omega t) tepat sefase dengan gayanya: yaitu pemindahan daya yang optimal.

15. R=Rmax⁡/2  ⟺  g(u)=2g(ur)  ⟺  (u−ur)2=g(ur)=4λ2(ω02−λ2)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), yang memberikan

u±=ur±2λω02−λ2,Ω+2−Ω−2=4λω02−λ2.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} .

Lalu Ω+−Ω−=Ω+2−Ω−2Ω++Ω−\Omega_+ - \Omega_- = \frac{\Omega_+^2 - \Omega_-^2}{\Omega_+ + \Omega_-}, dan untuk λ≪ω0\lambda \ll \omega_0 kedua Ω±≈ω0\Omega_\pm \approx \omega_0: sehingga Ω+−Ω−≈4λω02ω0=2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx \frac{4\lambda\omega_0}{2\omega_0} = 2\lambda, jadi ω0Ω+−Ω−≈ω02λ=Q\frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-} \approx \frac{\omega_0}{2\lambda} = Q. Jadi mengukur lebar puncak resonansi berarti mengukur faktor kualitasnya.

16. Q=10Q = 10; Ωr=1−2(0.05)2=0.995=0.9975\Omega_r = \sqrt{1 - 2(0.05)^2} = \sqrt{0.995} = 0.9975; Rmax⁡=12×0.051−0.0025=10.1×0.99875=10.01R_{\max} = \frac1{2 \times 0.05 \sqrt{1 - 0.0025}} = \frac1{0.1 \times 0.99875} = 10.01; tanggapan statisnya R(0)=1R(0) = 1; lebar pitanya ≈2λ=0.1\approx 2\lambda = 0.1. Jadi sebuah paku yang tinggi dan tipis setinggi ≈Q\approx Q di atas dataran setinggi 11.

17. Jika 2λ2≥ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2 maka ur≤0u_r \leq 0 dan g′(u)=2(u−ur)>0g'(u) = 2(u - u_r) > 0 untuk setiap u>0u > 0: jadi gg naik tegas pada (0, +∞)\intoo0{+\infty}, sehingga R=A/gR = A/\sqrt g turun tegas dari R(0)=A/ω02R(0) = A/\omega_0^2: tanggapannya terbesar pada frekuensi nol dan tak ada puncak sama sekali.

18. Di sini γ=iΩ\gamma = \iu\Omega bukan akar r2+ω02r^2 + \omega_0^2 (karena Ω≠ω0\Omega \neq \omega_0), jadi Metode 5.13 dengan m=0m = 0 memberikan xp=Acos⁡Ωtω02−Ω2x_p = \frac{A\cos\Omega t}{\omega_0^2 - \Omega^2} (substitusikan lalu periksa: −Ω2+ω02-\Omega^2 + \omega_0^2 dikali kosinusnya). Penyelesaian umumnya:

x(t)=Acos⁡Ωtω02−Ω2+λ1cos⁡ω0t+μ1sin⁡ω0t.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. Syarat x(0)=0x(0) = 0 memaksa λ1=−Aω02−Ω2\lambda_1 = -\frac A{\omega_0^2 - \Omega^2}, dan x′(0)=0x'(0) = 0 memaksa μ1=0\mu_1 = 0:

x(t)=Aω02−Ω2 (cos⁡Ωt−cos⁡ω0t)=2Aω02−Ω2 sin⁡((ω0−Ω)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) ,

menurut rumus hasil kali cos⁡a−cos⁡b=2sin⁡b−a2sin⁡b+a2\cos a - \cos b = 2\sin\frac{b - a}2\sin\frac{b + a}2 yang diterapkan dengan a=Ωta = \Omega t, b=ω0tb = \omega_0 t.

20. Untuk Ω\Omega yang dekat dengan ω0\omega_0, sinus kedua berayun pada frekuensi cepat ω0+Ω2≈ω0\frac{\omega_0 + \Omega}2 \approx \omega_0, sedangkan yang pertama menjadi selubung lambat berfrekuensi ∣ω0−Ω∣2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2: jadi amplitudo osilasi cepatnya membesar dan mengecil dengan periode selubung 2π∣ω0−Ω∣\frac{2\pi}{\abs{\omega_0 - \Omega}} (dua layangan per periode selubung), dan mencapai maksimum 2A∣ω02−Ω2∣\frac{2A}{\abs{\omega_0^2 - \Omega^2}}. Ketika Ω→ω0\Omega \to \omega_0, layangannya menjadi lebih lambat (periodenya →∞\to \infty) sekaligus lebih tinggi (amplitudonya →∞\to \infty).

21. Tetapkan tt. Ketika Ω→ω0\Omega \to \omega_0:

2Aω02−Ω2sin⁡((ω0−Ω)t2)=2Aω0+Ω⋅sin⁡((ω0−Ω)t2)ω0−Ω⟶2A2ω0⋅t2=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} ,

sedangkan sin⁡((ω0+Ω)t2)→sin⁡(ω0t)\sin\bigl(\frac{(\omega_0 + \Omega)t}2\bigr) \to \sin(\omega_0 t): jadi limitnya adalah x∞(t)=Atsin⁡ω0t2ω0x_\infty(t) = \frac{At\sin\omega_0 t}{2\omega_0}. Pemeriksaan langsung: dengan C=A2ω0C = \frac A{2\omega_0}, x∞=Ctsin⁡ω0tx_\infty = Ct\sin\omega_0 t mempunyai x∞′′=2Cω0cos⁡ω0t−Cω02tsin⁡ω0tx_\infty'' = 2C\omega_0\cos\omega_0 t - C\omega_0^2 t \sin\omega_0 t, sehingga x∞′′+ω02x∞=2Cω0cos⁡ω0t=Acos⁡ω0tx_\infty'' + \omega_0^2 x_\infty = 2C\omega_0\cos\omega_0 t = A\cos\omega_0 t, dengan x∞(0)=0x_\infty(0) = 0 dan x∞′(0)=Csin⁡0+Cω0⋅0⋅cos⁡0=0x_\infty'(0) = C\sin 0 + C\omega_0 \cdot 0 \cdot \cos 0 = 0 — dan untuk ω0=A=1\omega_0 = A = 1 inilah persis Contoh 5.19. Jadi resonansi adalah kemerosotan layangan: yaitu gelembung pertama selubungnya, yang direntangkan sampai panjang tak hingga.

22. Tanpa redaman, amplitudo resonannya tumbuh linear dan tanpa batas; dengan redaman λ>0\lambda > 0 pertumbuhannya jenuh pada Rmax⁡≈Q Aω02R_{\max} \approx Q\,\frac A{\omega_0^2}. Mekanismenya: pelesapan mengambil energi dengan laju yang tumbuh bersama amplitudonya (pertanyaan 23), sehingga penumpukannya berhenti tepat ketika redamannya membakar energi secepat pemaksaannya memasoknya.

23. Dengan xp′=−RΩsin⁡(Ωt−φ)x_p' = -R\Omega\sin(\Omega t - \varphi), sepanjang satu periode rata-ratanya ⟨cos⁡2⟩=⟨sin⁡2⟩=12\langle\cos^2\rangle = \langle\sin^2\rangle = \frac12 dan ⟨sin⁡cos⁡⟩=0\langle\sin\cos\rangle = 0 memberikan:

⟨Pdiss⟩=2λ R2Ω2 ⟨sin⁡2(Ωt−φ)⟩=λR2Ω2;\langle P_{\mathrm{diss}}\rangle = 2\lambda\,R^2\Omega^2\,\langle\sin^2(\Omega t - \varphi)\rangle = \lambda R^2\Omega^2 ;

lalu dengan menjabarkan sin⁡(Ωt−φ)=sin⁡Ωtcos⁡φ−cos⁡Ωtsin⁡φ\sin(\Omega t - \varphi) = \sin\Omega t\cos\varphi - \cos\Omega t\sin\varphi:

⟨Pin⟩=−ARΩ ⟨cos⁡Ωt sin⁡(Ωt−φ)⟩=ARΩ sin⁡φ2.\langle P_{\mathrm{in}}\rangle = -AR\Omega\,\bigl\langle\cos\Omega t\,\sin(\Omega t - \varphi)\bigr\rangle = AR\Omega\,\frac{\sin\varphi}2 .

Karena sin⁡φ=2λΩD=2λΩRA\sin\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\sqrt D} = \frac{2\lambda\Omega R}A, ini sama dengan ARΩ2⋅2λΩRA=λR2Ω2\frac{AR\Omega}2 \cdot \frac{2\lambda\Omega R}A = \lambda R^2\Omega^2: jadi daya yang disuntikkan dan yang dilesapkan berimbang persis — yaitu sifat yang mendefinisikan regim tunak.

24. (i) Teorema strukturnya memilah setiap penyelesaian menjadi keadaan tunak ditambah peralihan (pertanyaan 9–11) dan menyusutkan ketunggalannya menjadi masalah homogen. (ii) Metode kompleksnya mengubah pencarian penyelesaian khusus menjadi satu pembagian bilangan kompleks (pertanyaan 6), dengan amplitudo dan fasenya terbaca dari sebuah modulus dan sebuah argumen. (iii) Kurva resonansinya murni telaah fungsi — yaitu sebuah kuadrat dalam u=Ω2u = \Omega^2, minimumnya, himpunan arasnya — dalam gaya Bab 4 (pertanyaan 12–17).

25. Bebas dan teredam: pseudo-osilasi yang meluruh, dengan umur 1λ\frac1\lambda dan sekitar Qπ\frac Q\pi ayunan. Terpaksa dan teredam: peralihannya mati, dan satu keadaan tunak sinusoidal yang tunggal bertahan pada frekuensi pemaksanya, dengan amplitudo yang memuncak di dekat ω0\omega_0 (tingginya ≈Q×\approx Q \times nilai statisnya, lebarnya ≈ω0Q\approx \frac{\omega_0}Q) dan fase yang menyapu dari 00 ke π\pi lewat π2\frac\pi2 di ω0\omega_0. Bebas dan tanpa redaman: osilasi abadi. Terpaksa dan tanpa redaman: layangan, yang merosot menjadi resonansi yang tumbuh linear pada penalaan yang persis. Satu bilangan tanpa dimensi, Q=ω02λQ = \frac{\omega_0}{2\lambda}, menyetel segalanya — tinggi puncak, lebar pita, dan umur peralihannya adalah tiga pembacaan tombol yang sama. Kelanjutannya: menulis ulang x′′+2λx′+ω02xx'' + 2\lambda x' + \omega_0^2x sebagai sistem orde satu membuka metode matriks pada Bab 21 dan jilid Tahun ke-2, dan menguraikan pemaksaan periodik yang sebarang menjadi sinusoid (deret Fourier, jilid Tahun ke-3) menjadikan analisis frekuensi tunggal pada soal ini sebagai batu bangunan yang universal: selesaikan untuk setiap frekuensi, lalu superposisikan.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium