Mathematics · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1 · Bachelor Year 1

5Lineaire differentiaalvergelijkingen

Differentiaalvergelijkingen kwamen voor het eerst voor in het bovenbouwvolume; hier worden ze met volledige bewijzen en in grotere algemeenheid behandeld: lineaire vergelijkingen van de eerste orde met variabele coëfficiënten (volledig opgelost met de methode van de variatie van constanten) en lineaire vergelijkingen van de tweede orde met constante coëfficiënten, het model voor oscillaties. Beide gevallen vertonen dezelfde structuur: algemene oplossing == één particuliere oplossing ++ algemene oplossing van de homogene vergelijking.

5.1 Lineaire vergelijkingen van de eerste orde

Definitie 5.1

Zij II een interval en zij a,b ⁣:IRa, b \colon I \to \R (of C\C) continu. De vergelijking

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

in de onbekende afleidbare functie y ⁣:IRy \colon I \to \R (of C\C), heet een lineaire differentiaalvergelijking van de eerste orde. De vergelijking (H) ⁣:y+a(x)y=0(H)\colon y' + a(x) y = 0 is haar homogene vergelijking.

Stelling 5.2 (De homogene vergelijking oplossen)

Zij AA een primitieve functie van aa op II (die bestaat: Hoofdstuk 15). De oplossingen van (H)(H) op II zijn precies de functies

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

Bewijs. Deze functies zijn oplossingen: y=λAeA=ayy' = -\lambda A' \eu^{-A} = -a y. Omgekeerd, zij yy een oplossing van (H)(H) en zet z(x)=y(x)eA(x)z(x) = y(x)\, \eu^{A(x)}. Dan is

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

zodat zz constant is op het interval II, zeg z=λz = \lambda: y=λeAy = \lambda \eu^{-A}. (Let op de logica: er gaat geen oplossing verloren, want elke oplossing is in de aangekondigde vorm geschreven.)

Voorbeeld 5.3 (Een homogene vergelijking met variabele coëfficiënt)

Los y+(cosx)y=0y' + (\cos x)\,y = 0 op op R\R. Een primitieve functie van a(x)=cosxa(x) = \cos x is A(x)=sinxA(x) = \sin x, dus de oplossingen zijn

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

Twee lezingen. Elke oplossing is periodiek (periode 2π2\pi) en wordt nooit nul tenzij λ=0\lambda = 0 — het teken van λ\lambda is voor altijd het teken van yy, want een exponentiële kan de nul niet oversteken. En de oplossing door y(0)=y0y(0) = y_0 is y0esinxy_0\eu^{-\sin x}: precies één kromme van de familie door elk beginpunt, het eendimensionale beeld van Stelling 5.4 (2).

Stelling 5.4 (Variatie van constanten; Cauchy-probleem)

Met bovenstaande notaties:

  1. De oplossingen van (E)(E) op II zijn precies

    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,

    met x0Ix_0 \in I vast. Equivalent: algemene oplossing van (H)(H) plus één particuliere oplossing van (E)(E).

  2. Voor elke x0Ix_0 \in I en elke y0y_0 heeft het Cauchy-probleem(E)(E) en y(x0)=y0y(x_0) = y_0” precies één oplossing op II.

Bewijs. (1) Volgens de methode die variatie van constanten heet, zoeken we oplossingen van de vorm y=μ(x)eA(x)y = \mu(x)\, \eu^{-A(x)} met μ\mu afleidbaar — daarbij gaat geen algemeenheid verloren, want elke functie op II laat zich zo schrijven (μ=yeA\mu = y\,\eu^{A}). Substitutie geeft

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

zodat yy een oplossing van (E)(E) is dan en slechts dan als μ(x)=b(x)eA(x)\mu'(x) = b(x)\,\eu^{A(x)}, dan en slechts dan als μ(x)=λ+x0xb(t)eA(t) ⁣dt\mu(x) = \lambda + \int_{x_0}^x b(t)\eu^{A(t)}\dd t voor een zekere constante λ\lambda (twee primitieve functies van dezelfde continue functie op een interval verschillen een constante).

(2) In de formule is y(x0)=λeA(x0)y(x_0) = \lambda\,\eu^{-A(x_0)}: de voorwaarde y(x0)=y0y(x_0) = y_0 legt λ=y0eA(x0)\lambda = y_0 \eu^{A(x_0)} ondubbelzinnig vast.

Voorbeeld 5.5

Los y+yx=x2y' + \dfrac{y}{x} = x^2 op op I=(0,+)I = \intoo{0}{+\infty}. Hier is a(x)=1xa(x) = \frac 1x, A(x)=lnxA(x) = \ln x en eA(x)=1x\eu^{-A(x)} = \frac 1x. Homogene oplossingen: λx\frac{\lambda}{x}. Variatie van constanten: μ(x)=x2x=x3\mu'(x) = x^2 \cdot x = x^3, dus μ=x44+λ\mu = \frac{x^4}{4} + \lambda, en

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

Met de beginvoorwaarde y(1)=0y(1) = 0 is λ=14\lambda = -\frac14. Controle: 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.

Voorbeeld 5.6 (Raden verslaat integreren)

Los y+2xy=xy' + 2x\,y = x op op R\R. Variatie van constanten werkt (A=x2A = x^2, μ=xex2\mu' = x\,\eu^{x^2}, μ=12ex2+λ\mu = \frac12\eu^{x^2} + \lambda), maar opmerken dat de constante yp=12y_p = \frac12 de vergelijking oplost (0+2x12=x0 + 2x\cdot\frac12 = x) gaat sneller. Met de homogene oplossingen λex2\lambda\,\eu^{-x^2}:

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

Elke oplossing convergeert bijzonder snel naar 12\frac12 als x±x \to \pm\infty: de constante particuliere oplossing is een evenwicht waar alle oplossingen bij aansluiten. Het inzicht: vóór je de algemene methode start, besteed je tien seconden aan het zoeken naar een voor de hand liggende particuliere oplossing (een constante, een monoom, een veelvoud van het rechterlid); de structuurstelling maakt het werk dan af.

Opmerking 5.7 (Intervallen doen ertoe)

De stelling leeft op een interval waar aa en bb continu zijn. Voor y+yx=0y' + \frac yx = 0 op R\R^* zijn de oplossingen λx\frac{\lambda}{x} op (0,+)\intoo{0}{+\infty} en μx\frac{\mu}{x} op (,0)\intoo{-\infty}{0} met onafhankelijke constanten: er is geen reden waarom één formule over de singulariteit in 00 heen zou lijmen.

Voorbeeld 5.8 (Eén complex rechterlid, twee reële antwoorden)

Los yy=cosxy' - y = \cos x en yy=sinxy' - y = \sin x in één beweging op. Werk in C\C met het rechterlid eix\eu^{\iu x}: de poging yp=ceixy_p = c\,\eu^{\iu x} geeft c(i1)eix=eixc(\iu - 1)\eu^{\iu x} = \eu^{\iu x}, dus

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 .

Omdat de vergelijking reële coëfficiënten heeft, splitsen reëel en imaginair deel: sinxcosx2\frac{\sin x - \cos x}2 lost yy=cosxy' - y = \cos x op, en sinx+cosx2-\frac{\sin x + \cos x}2 lost yy=sinxy' - y = \sin x op (controleer de eerste: de afgeleide cosx+sinx2\frac{\cos x + \sin x}2 min de functie geeft cosx\cos x). Eén complexe regel verving twee keer variatie van constanten — dezelfde zuinigheid die Methode 5.13 voor de tweede orde systematiseert, en een terugkerend dividend van Hoofdstuk 3.

5.2 Lineaire vergelijkingen van de tweede orde met constante coëfficiënten

Definitie 5.9

Zij a,bRa, b \in \R en zij f ⁣:IRf \colon I \to \R continu. De vergelijking

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

heet een lineaire vergelijking van de tweede orde met constante coëfficiënten; (H) ⁣:y+ay+by=0(H)\colon y'' + ay' + by = 0 is haar homogene vergelijking en χ(r)=r2+ar+b\chi(r) = r^2 + ar + b haar karakteristieke veelterm.

Stelling 5.10 (Homogene oplossingen)

Zij Δ=a24b\Delta = a^2 - 4b de discriminant van χ\chi. De reële oplossingen van (H)(H) op R\R zijn:

  1. als Δ>0\Delta > 0, met r1r2r_1 \neq r_2 de twee reële wortels:   y=λer1x+μer2x\;y = \lambda\, \eu^{r_1 x} + \mu\, \eu^{r_2 x};
  2. als Δ=0\Delta = 0, met r0r_0 de dubbele wortel:   y=(λ+μx)er0x\;y = (\lambda + \mu x)\, \eu^{r_0 x};
  3. als Δ<0\Delta < 0, met wortels α±iω\alpha \pm \iu\omega (ω>0\omega > 0):   y=eαx(λcosωx+μsinωx)\;y = \eu^{\alpha x} (\lambda \cos\omega x + \mu \sin\omega x);

telkens met (λ,μ)(\lambda, \mu) dat R2\R^2 doorloopt.

Bewijs. Merk eerst op dat voor rCr \in \C de functie xerxx \mapsto \eu^{rx} een oplossing van (H)(H) is dan en slechts dan als χ(r)=0\chi(r) = 0 (substitutie: (r2+ar+b)erx=0(r^2 + ar + b)\eu^{rx} = 0). Daarom zijn exponentiëlen de natuurlijke eerste gok: differentiëren werkt op erx\eu^{rx} als vermenigvuldigen met het getal rr, zodat de differentiaalvergelijking de numerieke vergelijking χ(r)=0\chi(r) = 0 wordt — het hele analytische probleem wordt samengeperst tot het vinden van de wortels van één vierkantsvergelijking.

De sleutelstap is een verandering van onbekende die de orde verlaagt. Zij rr een (eventueel complexe) wortel van χ\chi en schrijf y=zerxy = z\, \eu^{rx}, waarbij geen algemeenheid verloren gaat. Dan is

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},

zodat (H)(H) de vergelijking u+(2r+a)u=0u' + (2r + a) u = 0 van de eerste orde wordt voor u=zu = z'.

Geval Δ0\Delta \neq 0: kies r=r1r = r_1; dan is 2r1+a=r1r22r_1 + a = r_1 - r_2 (want r1+r2=ar_1 + r_2 = -a). Volgens Stelling 5.2 is z=ce(r2r1)xz' = c\,\eu^{(r_2 - r_1)x} voor een zekere constante cc; integreren op R\R geeft z=μe(r2r1)x+λz = \mu\, \eu^{(r_2 - r_1)x} + \lambda met μ=cr2r1\mu = \frac{c}{r_2 - r_1}, en dus y=zer1x=λer1x+μer2xy = z\, \eu^{r_1 x} = \lambda\,\eu^{r_1x} + \mu\,\eu^{r_2x}. Is Δ<0\Delta < 0, dan zijn de wortels α±iω\alpha \pm \iu\omega en zijn de complexe oplossingen y=c1e(α+iω)x+c2e(αiω)xy = c_1\eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + c_2\eu^{(\alpha-\iu\omega)x} met c1,c2Cc_1, c_2 \in \C. Welke daarvan zijn reëelwaardig? Omdat e(α+iω)x=e(αiω)x\conj{\eu^{(\alpha+\iu\omega)x}} = \eu^{(\alpha-\iu\omega)x}, is de toegevoegde van yy gelijk aan c2e(α+iω)x+c1e(αiω)x\conj{c_2}\, \eu^{(\alpha+\iu\omega)x} + \conj{c_1}\,\eu^{(\alpha-\iu\omega)x}, en y=yy = \conj y voor alle xx dwingt c2=c1c_2 = \conj{c_1} af (de twee exponentiëlen zijn lineair onafhankelijk: evalueer in twee punten, of vergelijk in x=0x=0 na deling door eαx\eu^{\alpha x}). Schrijven we c1=λiμ2c_1 = \frac{\lambda - \iu\mu}2 met reële λ,μ\lambda, \mu, dan is

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),

en omgekeerd is elke zo’n functie een oplossing (reëel deel van een complexe oplossing van een reële vergelijking): de reële oplossingsruimte is zoals aangekondigd.

Geval Δ=0\Delta = 0: r=r0r = r_0 en 2r0+a=02r_0 + a = 0, dus z=0z'' = 0: z=λ+μxz = \lambda + \mu x en y=(λ+μx)er0xy = (\lambda + \mu x)\eu^{r_0 x}.

Voorbeeld 5.11 (Een Cauchy-probleem van begin tot eind)

Los y3y+2y=0y'' - 3y' + 2y = 0 op met y(0)=0y(0) = 0 en y(0)=1y'(0) = 1. De karakteristieke veelterm r23r+2=(r1)(r2)r^2 - 3r + 2 = (r - 1)(r - 2) heeft de reële wortels 11 en 22: de algemene oplossing is y=λex+μe2xy = \lambda\eu^{x} + \mu\eu^{2x}. De twee voorwaarden geven het lineaire stelsel

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

dus μ=1\mu = 1 en λ=1\lambda = -1:

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

Controle: y(0)=0y(0) = 0; y=2e2xexy' = 2\eu^{2x} - \eu^x geeft y(0)=1y'(0) = 1; en y3y+2y=(46+2)e2x+(1+32)ex=0y'' - 3y' + 2y = (4 - 6 + 2)\eu^{2x} + (-1 + 3 - 2)\eu^x = 0. Let op de vorm van het antwoord: bij -\infty overheerst de trage mode ex-\eu^x, bij ++\infty de snelle mode e2x\eu^{2x}. Oplossingen lezen als superposities van modes met verschillende afname- of groeisnelheden is de lonende gewoonte — zo is ook de splitsing tussen inschakelverschijnsel en regime in de weekendopgave georganiseerd.

De drie regimes van y'' + ay' + by = 0 met afnemende oplossingen: gedempte oscillatie (complexe wortels), kritieke terugkeer (dubbele wortel), overgedempte afname (twee reële wortels). Welk regime optreedt lees je af aan het teken van = a2 - 4b alleen — nog vóór je iets oplost.
De drie regimes van y+ay+by=0y'' + ay' + by = 0 met afnemende oplossingen: gedempte oscillatie (complexe wortels), kritieke terugkeer (dubbele wortel), overgedempte afname (twee reële wortels). Welk regime optreedt lees je af aan het teken van Δ=a24b\Delta = a^2 - 4b alleen — nog vóór je iets oplost.

Stelling 5.12 (Structuur en Cauchy-probleem)

  1. Is ypy_p één particuliere oplossing van (E)(E), dan zijn de oplossingen van (E)(E) precies yp+yhy_p + y_h, waarbij yhy_h de oplossingen van (H)(H) doorloopt.
  2. (Superpositie) Lost y1y_1 de vergelijking y+ay+by=f1y'' + ay' + by = f_1 op en y2y_2 die met rechterlid f2f_2, dan lost y1+y2y_1 + y_2 de vergelijking met rechterlid f1+f2f_1 + f_2 op.
  3. Voor alle x0Ix_0 \in I en (y0,y0)(y_0, y_0') heeft het Cauchy-probleem(E)(E), y(x0)=y0y(x_0) = y_0, y(x0)=y0y'(x_0) = y_0'” precies één oplossing op II. (Bestaan onder voorbehoud van een particuliere oplossing; uniciteit volledig.)

Bewijs. (1) yy lost (E)(E) op precies wanneer yypy - y_p de vergelijking (H)(H) oplost, wegens de lineariteit van yy+ay+byy \mapsto y'' + ay' + by. (2) is dezelfde lineariteit.

(3) Wegens (1) volstaat het te bewijzen dat de constanten (λ,μ)(\lambda, \mu) altijd, en op één manier, aan willekeurige gegevens (y0,y0)(y_0, y_0') aangepast kunnen worden. Na verschuiving van de variabele mogen we x0=0x_0 = 0 aannemen. In geval (1) van Stelling 5.10 geeft 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 :

een lineair stelsel in (λ,μ)(\lambda, \mu) met determinant r2r10r_2 - r_1 \neq 0; expliciet oplossen geeft μ=y0r1y0r2r1\mu = \frac{y_0' - r_1y_0}{r_2 - r_1} en λ=y0μ\lambda = y_0 - \mu: precies één oplossing. In geval (2) is y(0)=λy(0) = \lambda en y(0)=r0λ+μy'(0) = r_0\lambda + \mu: het stelsel is driehoekig met determinant 11, met oplossing λ=y0\lambda = y_0 en μ=y0r0y0\mu = y_0' - r_0y_0. In geval (3) is y(0)=λy(0) = \lambda en y(0)=αλ+ωμy'(0) = \alpha\lambda + \omega\mu: determinant ω0\omega \neq 0, met oplossing λ=y0\lambda = y_0 en μ=y0αy0ω\mu = \frac{y_0' - \alpha y_0}\omega. In elk geval is de afbeelding (λ,μ)(y(x0),y(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) een lineaire bijectie — de taal van Hoofdstuk 20 zal dit gevalsonderzoek tot één zin samenpersen.

Methode 5.13 (Particuliere oplossing bij f(x)=P(x)eγxf(x) = P(x)\,\eu^{\gamma x})

Is het rechterlid P(x)eγxP(x)\,\eu^{\gamma x} met PP een veelterm en γR\gamma \in \R (dat dekt veeltermen, exponentiëlen, en via complexe γ\gamma of superpositie ook cos\cos en sin\sin), zoek dan een particuliere oplossing van de vorm

yp(x)=xmQ(x)eγx,m=multipliciteit van γ als wortel van χ (m=0,1 of 2),y_p(x) = x^{m}\, Q(x)\, \eu^{\gamma x}, \qquad m = \text{multipliciteit van } \gamma \text{ als wortel van } \chi \ (m = 0, 1 \text{ of } 2),

met QQ een veelterm van dezelfde graad als PP, waarvan je de coëfficiënten vindt door substitutie en gelijkstelling. Voor f=Kcosωxf = K\cos\omega x (of sin\sin) los je op met rechterlid KeiωxK\eu^{\iu\omega x} en neem je het reële (respectievelijk imaginaire) deel.

Voorbeeld 5.14 (Superpositie in actie)

Los yy=ex+4y'' - y = \eu^{x} + 4 op op R\R. Homogeen: χ(r)=r21\chi(r) = r^2 - 1 met wortels ±1\pm1, dus yh=λex+μexy_h = \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}. Splits het rechterlid en behandel elk stuk met het methodekader. Stuk ex\eu^x: hier is γ=1\gamma = 1 een enkelvoudige wortel van χ\chi, dus probeer y1=cxexy_1 = c\,x\,\eu^x: dan is y1y1=c(x+2)excxex=2cexy_1'' - y_1 = c(x + 2)\eu^x - cx\eu^x = 2c\,\eu^x, wat c=12c = \frac12 geeft. Stuk 44: γ=0\gamma = 0 is geen wortel; de constante y2=4y_2 = -4 voldoet. Met de superpositie (Stelling 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 .

Merk op hoe de twee stukken verschillende vormen eisten (m=1m = 1 tegenover m=0m = 0): de multipliciteitstoets pas je op elke exponent afzonderlijk toe, en dat is de hele reden om het rechterlid te splitsen vóór je gaat raden.

Voorbeeld 5.15 (De multipliciteitsregel aan het werk)

Los y+y=xy'' + y' = x op op R\R. Het rechterlid is P(x)e0xP(x)\eu^{0 \cdot x} met P(x)=xP(x) = x, en γ=0\gamma = 0 is een enkelvoudige wortel van χ(r)=r2+r=r(r+1)\chi(r) = r^2 + r = r(r + 1): dus m=1m = 1, en de juiste gok is yp=x(αx+β)=αx2+βxy_p = x\,(\alpha x + \beta) = \alpha x^2 + \beta x, één graad hoger dan PP. Substitutie geeft

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

en gelijkstellen met xx levert α=12\alpha = \frac12 en β=1\beta = -1: yp=x22xy_p = \frac{x^2}2 - x. Algemene oplossing: y=x22x+λ+μexy = \frac{x^2}2 - x + \lambda + \mu\,\eu^{-x}. Hadden we yp=αx+βy_p = \alpha x + \beta gegokt (met verwaarlozing van de multipliciteit), dan zou substitutie yp+yp=αy_p'' + y_p' = \alpha geven, een constante — geen enkele keuze van α,β\alpha, \beta kan xx evenaren, en dat falen is structureel: constanten lossen de homogene vergelijking al op en zijn dus onzichtbaar voor het linkerlid. De factor xmx^m bestaat juist om uit de homogene oplossingsruimte te klimmen.

Opmerking 5.16 (De verzekeringspolis van dertig seconden)

Elke opgeloste vergelijking in dit hoofdstuk eindigt met een controle door substitutie, en dat is niet ter versiering. Een berekening aan een differentiaalvergelijking rijgt vele kleine stappen aaneen (een primitieve functie, een productregel, twee constanten), en één tekenfout plant zich onzichtbaar voort; de eindformule terug in de vergelijking invullen vangt er vrijwel alle op, tegen de kostprijs van één keer differentiëren. Kweek de reflex in drie lagen: controleer de particuliere oplossing apart (het homogene deel valt toch weg), controleer de beginvoorwaarden op de volledige oplossing, en controleer, wanneer er een parameter in het spel is, een ontaarde waarde (levert de formule voor algemene Ω\Omega het bekende antwoord in Ω=0\Omega = 0?). De gewoonte kost een halve minuut en zet “waarschijnlijk juist” om in “geverifieerd”.

Opmerking 5.17 (Veelgemaakte fouten)

  1. Normaliseer eerst. De formules gaan ervan uit dat de vergelijking y+a(x)y=b(x)y' + a(x)y = b(x) luidt — met coëfficiënt 11 bij yy'. Voor xy2y=x3xy' - 2y = x^3 deel je eerst door xx (op een interval dat 00 mijdt) vóór je aa en bb afleest, zoals in Oefening 5.2.
  2. Eén constante per dimensie, pas op het eind vastgelegd. De algemene oplossing van de eerste orde draagt één constante, die van de tweede orde twee; beginvoorwaarden leg je op aan de volledige oplossing yp+yhy_p + y_h, nooit aan yhy_h alleen — ze opleggen vóór het optellen van ypy_p is de meest voorkomende structurele fout.
  3. Let op de multipliciteit. Een gok voor de particuliere oplossing die de homogene vergelijking oplost, is onzichtbaar voor het linkerlid; de factor xmx^m van Methode 5.13 is niet vrijblijvend (Voorbeeld 5.15).
  4. Intervallen horen bij het antwoord. Oplossingen leven op intervallen waar de coëfficiënten continu zijn; over een singulariteit heen lijmen kan valse constanten scheppen (Oefening 5.12) of de uniciteit vernietigen. “Los op op R\R^*” betekent twee onafhankelijke problemen.

Voorbeeld 5.18 (Aandrijving buiten resonantie)

Los y+4y=sinxy'' + 4y = \sin x op op R\R. Eigenfrequentie 22, aandrijffrequentie 11: omdat i\iu geen wortel van χ(r)=r2+4\chi(r) = r^2 + 4 is, is de multipliciteit m=0m = 0 en volstaat een gewone sinusoïde. De poging yp=αsinxy_p = \alpha\sin x (een cosinus is niet nodig: de vergelijking heeft geen yy'-term, en sin\sin brengt weer sin\sin voort) geeft

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

dus α=13\alpha = \frac13, en de algemene oplossing is

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

Elke oplossing blijft begrensd: een superpositie van twee oscillaties met de frequenties 11 (opgelegd) en 22 (eigen). Vergelijk met het volgende voorbeeld, waar aandrijving op de eigenfrequentie de vorm van het antwoord zelf verandert.

Voorbeeld 5.19 (Een aangedreven oscillatie)

Los y+y=cosxy'' + y = \cos x op met y(0)=0y(0) = 0 en y(0)=0y'(0) = 0.

Homogeen: χ(r)=r2+1\chi(r) = r^2 + 1 met wortels ±i\pm\iu: yh=λcosx+μsinxy_h = \lambda\cos x + \mu \sin x.

Particulier: het rechterlid is (eix)\Re(\eu^{\iu x}) met γ=i\gamma = \iu een enkelvoudige wortel van χ\chi: probeer zp=cxeixz_p = c\, x\, \eu^{\iu x} met cCc \in \C. Dan is zp+zp=c(2i)eixz_p'' + z_p = c\,(2\iu)\eu^{\iu x}, wat gelijk is aan eix\eu^{\iu x} voor c=12i=i2c = \frac{1}{2\iu} = -\frac\iu2. Dus zp=i2x(cosx+isinx)z_p = -\frac{\iu}{2} x (\cos x + \iu \sin x) en yp=(zp)=xsinx2y_p = \Re(z_p) = \frac{x \sin x}{2}.

Algemene oplossing: y=xsinx2+λcosx+μsinxy = \frac{x\sin x}{2} + \lambda\cos x + \mu\sin x. Voorwaarden: y(0)=λ=0y(0) = \lambda = 0; en y=sinx+xcosx2+μcosxy' = \frac{\sin x + x\cos x}{2} + \mu\cos x, dus y(0)=μ=0y'(0) = \mu = 0. Antwoord: y=xsinx2y = \frac{x\sin x}{2} — een oscillatie waarvan de amplitude lineair groeit: het verschijnsel resonantie, veroorzaakt door het systeem op zijn eigenfrequentie aan te drijven.

Resonantie: de oplossing y = x x/2 van y'' + y = x oscilleert tussen de rechten y = ± x2 (streepjeslijn), met een steeds groeiende amplitude.
Resonantie: de oplossing y=xsinx2y = \frac{x \sin x}{2} van y+y=cosxy'' + y = \cos x oscilleert tussen de rechten y=±x2y = \pm\frac x2 (streepjeslijn), met een steeds groeiende amplitude.

Opmerking 5.20 (Tussenspel: lineariteit is een meetkunde)

Kijk nog eens naar de vorm van elke oplossingsverzameling in dit hoofdstuk: één bijzondere oplossing plus een ruimte homogene oplossingen met één vrije constante (eerste orde) of twee (tweede orde). De hoofdstukken over lineaire algebra (Hoofdstukken 18, 19 en 20) zullen het exacte vocabulaire leveren: de afbeelding L(y)=y+ay+byL(y) = y'' + ay' + by is lineair, haar homogene oplossingen vormen de kern van LL, een vectorruimte waarvan de dimensie gelijk is aan de orde van de vergelijking — dat is de eerlijke inhoud van “één constante per orde” — en de oplossingsverzameling van L(y)=fL(y) = f is een affiene deelruimte, een verschuiving van de kern. Zelfs de Cauchy-afbeelding (λ,μ)(y(x0),y(x0))(\lambda, \mu) \mapsto (y(x_0), y'(x_0)) van Stelling 5.12 is een lineaire bijectie tussen twee vlakken, dat wil zeggen een inverteerbaar 2×22 \times 2-stelsel (Hoofdstuk 21). Niets in dit hoofdstuk zal overgedaan hoeven worden — het zal alleen hernoemd worden, en dat hernoemen is de best denkbare opwarming voor de lineaire algebra: elke abstracte definitie daar heeft hier haar brood al verdiend.

Opmerking 5.21 (Waar dit hoofdstuk gebruikt wordt)

De structuurstelling — de oplossingen van (E)(E) vormen “één particuliere oplossing plus de oplossingen van (H)(H)” — is de eerste verschijning van een patroon dat Hoofdstukken 18 en 20 zullen benoemen: de oplossingsverzameling van (H)(H) is de kern van de lineaire afbeelding yy+ay+byy \mapsto y'' + ay' + by, en die van (E)(E) is een affiene verschuiving ervan. De karakteristieke veelterm keert terug als de karakteristieke veelterm van een matrix in Hoofdstuk 21: een vergelijking van de tweede orde is een vermomd 2×22 \times 2-stelsel van de eerste orde, een standpunt dat het volume van bachelorjaar 2 systematiseert. De integralen die de variatie van constanten vergt worden geleverd door Hoofdstuk 15, en de weekendopgave hieronder — de aangedreven gedempte oscillator — is het modelgeval voor elke oscillatievraag in de wetenschappen, van schakelingen tot hangbruggen.

5.3 Oefeningen

Oefening 5.1

Los op op R\R:   y+2y=e3x\;y' + 2y = \eu^{3x}; en vervolgens het Cauchy-probleem y(0)=1y(0) = 1.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.1.

Homogeen: yh=λe2xy_h = \lambda\,\eu^{-2x}. Particulier: probeer yp=ce3xy_p = c\,\eu^{3x} (33 is geen wortel van r+2r + 2): 3c+2c=13c + 2c = 1, dus c=15c = \frac15. Algemene oplossing: y=e3x5+λe2xy = \frac{\eu^{3x}}{5} + \lambda\,\eu^{-2x}. Met y(0)=1y(0) = 1 is 15+λ=1\frac15 + \lambda = 1, dus λ=45\lambda = \frac45 en y=e3x+4e2x5y = \frac{\eu^{3x} + 4\,\eu^{-2x}}{5}.

Oefening 5.2

Los op op (0,+)\intoo{0}{+\infty}:   xy2y=x3\;x y' - 2y = x^3 (breng de vergelijking eerst in genormaliseerde vorm).

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.2.

Deel op (0,+)\intoo{0}{+\infty} door xx: y2xy=x2y' - \frac{2}{x}\,y = x^2. Hier is A(x)=2lnxA(x) = -2\ln x en eA(x)=x2\eu^{-A(x)} = x^2: homogene oplossingen λx2\lambda x^2. Variatie van constanten: μ(x)=x2x2=1\mu'(x) = x^2 \cdot x^{-2} = 1, dus μ=x+λ\mu = x + \lambda en

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

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

Oefening 5.3

Los op op R\R en geef de reële algemene oplossing:   y3y+2y=0\;y'' - 3y' + 2y = 0;   y+4y+4y=0\;y'' + 4y' + 4y = 0;   y2y+5y=0\;y'' - 2y' + 5y = 0.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.3.

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

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

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

Oefening 5.4

Los yy=x2y'' - y = x^2 op op R\R, en vervolgens het Cauchy-probleem y(0)=0y(0) = 0, y(0)=1y'(0) = 1.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.4.

Homogeen: wortels ±1\pm 1, dus yh=λex+μexy_h = \lambda\,\eu^x + \mu\,\eu^{-x}. Particulier bij een veelterm als rechterlid (γ=0\gamma = 0 is geen wortel): yp=ax2+bx+cy_p = ax^2 + bx + c; substitutie geeft 2a(ax2+bx+c)=x22a - (ax^2 + bx + c) = x^2, dus a=1a = -1, b=0b = 0 en c=2a=2c = 2a = -2: yp=x22y_p = -x^2 - 2. Algemene oplossing: y=x22+λex+μexy = -x^2 - 2 + \lambda\eu^x + \mu\eu^{-x}.

Cauchy: y(0)=2+λ+μ=0y(0) = -2 + \lambda + \mu = 0 en y(0)=λμ=1y'(0) = \lambda - \mu = 1, dus λ=32\lambda = \frac32 en μ=12\mu = \frac12. Bijgevolg is y=x22+3ex+ex2y = -x^2 - 2 + \frac{3\eu^x + \eu^{-x}}{2}.

Oefening 5.5 ★★

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

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.5.

a(x)=tanxa(x) = \tan x, A(x)=ln(cosx)A(x) = -\ln(\cos x) (geldig: cos>0\cos > 0 op het interval) en eA=cosx\eu^{-A} = \cos x: homogene oplossingen λcosx\lambda\cos x. Variatie van constanten: μ(x)=sin2x1cosx=2sinx\mu'(x) = \sin 2x \cdot \frac{1}{\cos x} = 2\sin x, dus μ=2cosx+λ\mu = -2\cos x + \lambda en

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

Controle: y=4cosxsinxλsinxy' = 4\cos x \sin x - \lambda\sin x en ytanx=2cosxsinx+λsinxy\tan x = -2\cos x\sin x + \lambda \sin x; hun som is 2cosxsinx=sin2x2\cos x\sin x = \sin 2x, zoals gevraagd.

Oefening 5.6 ★★

Los y4y+3y=(2x+1)exy'' - 4y' + 3y = (2x + 1)\,\eu^{x} op op R\R. (Let op de multipliciteit: is 11 een wortel van de karakteristieke veelterm?)

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.6.

χ(r)=r24r+3=(r1)(r3)\chi(r) = r^2 - 4r + 3 = (r-1)(r-3): γ=1\gamma = 1 is een enkelvoudige wortel (m=1m = 1). Probeer yp=x(ax+b)exy_p = x(ax + b)\,\eu^x. Met u=ax2+bxu = ax^2 + bx is

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 .

Gelijkstellen met (2x+1)ex(2x + 1)\eu^x geeft 4a=2-4a = 2 en 2a2b=12a - 2b = 1, dus a=12a = -\frac12 en b=1b = -1. Algemene oplossing:

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 .

Oefening 5.7 ★★

Los y+4y=sin2x+xy'' + 4y = \sin 2x + x op op R\R (superpositie; behandel elk rechterlid apart).

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.7.

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

Rechterlid xx (γ=0\gamma = 0 geen wortel): y1=ax+by_1 = ax + b met 4(ax+b)=x4(ax + b) = x, dus y1=x4y_1 = \frac x4.

Rechterlid sin2x=(e2ix)\sin 2x = \Im(\eu^{2\iu x}), met 2i2\iu een enkelvoudige wortel van r2+4r^2 + 4: probeer z=cxe2ixz = c\,x\,\eu^{2\iu x}; dan is z+4z=4ice2ixz'' + 4z = 4\iu c\,\eu^{2\iu x}, gelijk aan e2ix\eu^{2\iu x} voor c=14i=i4c = \frac{1}{4\iu} = -\frac{\iu}{4}. Dus z=ix4(cos2x+isin2x)z = -\frac{\iu x}{4}(\cos 2x + \iu \sin 2x) en y2=(z)=xcos2x4y_2 = \Im(z) = -\frac{x\cos 2x}{4}.

Met superpositie:

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

Oefening 5.8 ★★

Een kop koffie met temperatuur T0=80T_0 = 80\,^\circC staat in een kamer van 2020\,^\circC. De afkoelingswet van Newton luidt T=k(T20)T' = -k\,(T - 20) met k>0k > 0. Los op naar T(t)T(t) en bepaal, gegeven dat de koffie na 1010 minuten 5050\,^\circC is, wanneer ze 2525\,^\circC bereikt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.8.

De vergelijking T+kT=20kT' + kT = 20k heeft de constante particuliere oplossing 2020 en de homogene oplossingen λekt\lambda\eu^{-kt}: T(t)=20+λektT(t) = 20 + \lambda\,\eu^{-kt}, en T(0)=80T(0) = 80 geeft λ=60\lambda = 60:

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

Uit T(10)=50T(10) = 50 volgt e10k=12\eu^{-10k} = \frac12, dus k=ln210k = \frac{\ln 2}{10}. Vervolgens vergt T(t)=25T(t) = 25 dat ekt=560=112\eu^{-kt} = \frac{5}{60} = \frac{1}{12}, oftewel

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

Oefening 5.9 ★★★

(Gedempte oscillator) Beschouw voor ε0\varepsilon \geq 0 de vergelijking y+2εy+y=0y'' + 2\varepsilon y' + y = 0.

  1. Los op voor ε[0,1)\varepsilon \in \intco{0}{1}, voor ε=1\varepsilon = 1 en voor ε>1\varepsilon > 1.
  2. Toon aan dat voor ε>0\varepsilon > 0 elke oplossing naar 00 gaat in ++\infty, en dat de oplossingen ongelijk aan nul dat voor ε=0\varepsilon = 0 niet doen.
  3. Toon voor ε(0,1)\varepsilon \in \intoo{0}{1} aan dat de nulpunten van een oplossing ongelijk aan nul regelmatig verdeeld liggen, met onderlinge afstand π1ε2\frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 5.9.

  1. χ(r)=r2+2εr+1\chi(r) = r^2 + 2\varepsilon r + 1 met Δ=4(ε21)\Delta = 4(\varepsilon^2 - 1). Voor ε[0,1)\varepsilon \in \intco{0}{1}: wortels ε±i1ε2-\varepsilon \pm \iu\sqrt{1 - \varepsilon^2}, dus y=eεt(λcosωt+μsinωt)y = \eu^{-\varepsilon t}\bigl(\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t\bigr) met ω=1ε2\omega = \sqrt{1 - \varepsilon^2}. Voor ε=1\varepsilon = 1: dubbele wortel 1-1, dus y=(λ+μt)ety = (\lambda + \mu t)\,\eu^{-t}. Voor ε>1\varepsilon > 1: reële wortels r±=ε±ε21r_\pm = -\varepsilon \pm \sqrt{\varepsilon^2 - 1}, beide <0< 0, en y=λer+t+μerty = \lambda\eu^{r_+t} + \mu\eu^{r_-t}.
  2. Voor ε(0,1)\varepsilon \in \intoo{0}{1} is yeεt(λ+μ)0\abs y \leq \eu^{-\varepsilon t}(\abs\lambda + \abs\mu) \to 0. Voor ε=1\varepsilon = 1 gaat (λ+μt)et0(\lambda + \mu t)\eu^{-t} \to 0 (de exponentiële verslaat de veelterm, Propositie 4.6). Voor ε>1\varepsilon > 1 dempen beide exponentiëlen uit, want r±<0r_\pm < 0 (immers ε21<ε\sqrt{\varepsilon^2 - 1} < \varepsilon). Voor ε=0\varepsilon = 0 heeft y=λcost+μsinty = \lambda\cos t + \mu\sin t de constante amplitude λ2+μ20\sqrt{\lambda^2 + \mu^2} \neq 0, tenzij y=0y = 0.
  3. Schrijf λcosωt+μsinωt=Rcos(ωtφ)\lambda\cos\omega t + \mu\sin\omega t = R\cos(\omega t - \varphi) met R=λ2+μ2>0R = \sqrt{\lambda^2 + \mu^2} > 0. De nulpunten van yy zijn die van cos(ωtφ)\cos(\omega t - \varphi) (de factor eεt\eu^{-\varepsilon t} wordt nooit nul): ωtφπ2(modπ)\omega t - \varphi \equiv \frac\pi2 \pmod \pi, een rekenkundige rij met verschil πω=π1ε2\frac{\pi}{\omega} = \frac{\pi}{\sqrt{1 - \varepsilon^2}}.

Oefening 5.10 ★★★

Bepaal alle tweemaal afleidbare functies f ⁣:RRf \colon \R \to \R met

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),

waarbij f(0)0f(0) \ne 0 en ff niet constant is. Aanwijzing: leg yy vast, differentieer tweemaal naar xx in 00; toon aan dat f(0)=1f(0) = 1 en f=cff'' = c f voor een zekere constante cc; los daarna op naar het teken van cc en ga na welke oplossingen aan de functievergelijking voldoen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.10.

Stel x=y=0x = y = 0: 2f(0)=2f(0)22f(0) = 2f(0)^2, en f(0)0f(0) \neq 0 geeft f(0)=1f(0) = 1. Leg xx vast en differentieer de vergelijking tweemaal naar yy:

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

Stellen we y=0y = 0, dan is   2f(x)=2f(x)f(0)\;2f''(x) = 2 f(x) f''(0), dat wil zeggen

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

Geval c=ω2>0c = \omega^2 > 0: f(x)=λcoshωx+μsinhωxf(x) = \lambda\cosh\omega x + \mu\sinh\omega x; f(0)=1f(0) = 1 geeft λ=1\lambda = 1. Invullen in de functievergelijking en de somformules gebruiken (Propositie 4.18) dwingt μ=0\mu = 0 af (vergelijk de coëfficiënten van sinhωxsinhωy\sinh\omega x \sinh\omega y, of evalueer in x=yx = y): f=coshωxf = \cosh\omega x, dat inderdaad voldoet aan cosh(x+y)+cosh(xy)=2coshxcoshy\cosh(x+y) + \cosh(x-y) = 2\cosh x\cosh y.

Geval c=ω2<0c = -\omega^2 < 0: analoog f(x)=cosωxf(x) = \cos\omega x met ω0\omega \neq 0, dat aan de vergelijking voldoet.

Geval c=0c = 0: ff is affien met f(0)=1f(0) = 1: f(x)=1+μxf(x) = 1 + \mu x; de vergelijking dwingt μ=0\mu = 0 af, wat uitgesloten is (ff is niet constant).

Besluit: de oplossingen zijn f(x)=cosωxf(x) = \cos\omega x en f(x)=coshωxf(x) = \cosh\omega x met ω>0\omega > 0.

Oefening 5.11 ★★

(Vergelijking van Euler) Los x2yxy+y=0x^2 y'' - x y' + y = 0 op op (0,+)\intoo{0}{+\infty}. Aanwijzing: zet z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t), substitueer dus x=etx = \eu^t, en toon aan dat zz aan een lineaire vergelijking met constante coëfficiënten voldoet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 5.11.

Zet z(t)=y(et)z(t) = y(\eu^t), zodat y(x)=z(lnx)y(x) = z(\ln x) voor x>0x > 0. Dan is

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} ,

en substitutie in de vergelijking geeft

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

Karakteristieke veelterm (r1)2(r - 1)^2: dubbele wortel 11, dus z(t)=(λ+μt)etz(t) = (\lambda + \mu t)\,\eu^t, en terug in de variabele x=etx = \eu^t:

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

Oefening 5.12 ★★★

Beschouw de vergelijking xy=2yx\,y' = 2y op de hele reële rechte, in de onbekende afleidbare functie y ⁣:RRy \colon \R \to \R.

  1. Los op op (0,+)\intoo{0}{+\infty} en op (,0)\intoo{-\infty}{0}.
  2. Toon aan dat voor willekeurige constanten a,bRa, b \in \R de functie die gelijk is aan ax2ax^2 voor x0x \geq 0 en aan bx2bx^2 voor x<0x < 0 afleidbaar is op R\R en de vergelijking overal oplost.
  3. Besluit dat de oplossingsverzameling op R\R een familie met twee parameters is, en leg uit waarom dat de uniciteit in Stelling 5.4 niet tegenspreekt.
Oplossing

Oplossing van Oefening 5.12.

  1. In genormaliseerde vorm y2xy=0y' - \frac2x\,y = 0 op elk interval: A(x)=2lnxA(x) = -2\ln\abs x, zodat de oplossingen y=ax2y = a x^2 op (0,+)\intoo0{+\infty} en y=bx2y = b x^2 op (,0)\intoo{-\infty}0 zijn, met onafhankelijke constanten (Stelling 5.2).
  2. Zij y=ax2y = ax^2 voor x0x \geq 0 en bx2bx^2 voor x<0x < 0. Op elke open halfrechte is yy afleidbaar met xy=2yxy' = 2y. In 00: de differentiequotiënten y(h)y(0)h=ah\frac{y(h) - y(0)}h = ah of bhbh gaan naar 00, dus bestaat y(0)=0y'(0) = 0, en in x=0x = 0 luidt de vergelijking 0y(0)=2y(0)=00 \cdot y'(0) = 2y(0) = 0: voldaan. Dus lost yy de vergelijking op heel R\R op.
  3. De oplossingen op R\R zijn precies deze aaneengelijmde functies: een familie met twee parameters voor een vergelijking van de eerste orde. Er is geen tegenspraak met Stelling 5.4, waarvan de hypothesen hier falen: geschreven als y+a(x)y=0y' + a(x)y = 0 is de coëfficiënt a(x)=2xa(x) = -\frac2x niet continu in 00 — zelfs niet gedefinieerd — zodat R\R geen interval is waarop de stelling van toepassing is. De singulariteit in 00 koppelt de twee halfrechten los, en de waarde y(0)=0y(0) = 0 is afgedwongen en draagt geen informatie over. Elk Cauchy-gegeven in x00x_0 \neq 0 legt de oplossing alleen op de halfrechte door x0x_0 vast.

5.4 Opgave: de aangedreven gedempte oscillator

Probleem 5.1

Eén vergelijking beheerst een massa aan een veer in een stroperig medium, de lading in een RLC-kring en een gebouw dat in de wind zwaait:

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

met λ0\lambda \geq 0 de demping, ω0>0\omega_0 > 0 de eigenfrequentie, en A>0A > 0 en Ω>0\Omega > 0 de amplitude en de frequentie van de aandrijving. Deze opgave haalt het volledige gedrag naar boven: het uitdoven van het inschakelverschijnsel, het unieke periodieke regime, de resonantiekromme en haar scherpte (de kwaliteitsfactor), de zwevingen in het ongedempte geval, en de energiebalans die de oscillatie in stand houdt. Tenzij anders vermeld is 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 (onderkritisch gedempt regime) en schrijven we ωd=ω02λ2\omega_d = \sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}.

Deel I — De vrije oscillator. Hier is A=0A = 0.

  1. Los de homogene vergelijking (H)(H) op voor 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 en voor λ=0\lambda = 0. (De regimes λω0\lambda \geq \omega_0 zijn in Oefening 5.9 behandeld; citeer ze.)
  2. Toon aan dat voor elke λ>0\lambda > 0 alle oplossingen van (H)(H) naar 00 gaan in ++\infty — in alle drie de regimes.
  3. Definieer de energie E(t)=12x(t)2+12ω02x(t)2\mathcal E(t) = \frac12 x'(t)^2 + \frac12\omega_0^2\,x(t)^2 langs een oplossing van (H)(H). Toon aan dat E(t)=2λx(t)20\mathcal E'(t) = -2\lambda\,x'(t)^2 \leq 0, en leid daaruit af (zonder iets op te lossen) dat het Cauchy-probleem(H)(H), x(t0)=x(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0” alleen de nuloplossing heeft, voor elke λ0\lambda \geq 0.
  4. Schrijf voor 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0 de oplossing ongelijk aan nul als x(t)=Reλtcos(ωdtφ)x(t) = R\,\eu^{-\lambda t}\cos(\omega_d t - \varphi) en zij Td=2πωdT_d = \frac{2\pi}{\omega_d} de pseudoperiode. Toon aan dat x(t+Td)=eλTdx(t)x(t + T_d) = \eu^{-\lambda T_d}\,x(t): elke slingering is de vorige, gekrompen met de constante factor eδ\eu^{-\delta} met δ=2πλωd\delta = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d} (het logaritmische decrement). Bereken δ\delta voor ω0=1\omega_0 = 1 en λ=0.1\lambda = 0.1.
  5. Definieer de kwaliteitsfactor Q=ω02λQ = \dfrac{\omega_0}{2\lambda}. Toon aan dat de oscillator na de tijd 1λ\frac1\lambda (één keer de amplitude met een factor e\eu zien slinken) ωd2πλ\frac{\omega_d}{2\pi\lambda} pseudoperiodes heeft afgelegd, wat bij zwakke demping (λω0\lambda \ll \omega_0) ongeveer Qπ\frac Q\pi is: de kwaliteitsfactor telt, op een factor π\pi na, het aantal oscillaties dat overleeft vóór de amplitude met een factor e\eu afneemt.

Deel II — Het regime. Nu is A>0A > 0 en λ>0\lambda > 0.

  1. Zoek een particuliere oplossing als reëel deel van zeiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} met zCz \in \C (Methode 5.13). Toon aan dat dit werkt met

    z=Aω02Ω2+2iλΩ.z = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} .
  2. Leid het regime af in amplitude-fasevorm: xp(t)=R(Ω)cos(Ωtφ(Ω))x_p(t) = R(\Omega)\cos\bigl(\Omega t - \varphi(\Omega)\bigr) met

    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. Duid de twee uiterste regimes: bereken de limieten van RR en φ\varphi voor Ω0+\Omega \to 0^+ (quasistatisch antwoord A/ω02A/\omega_0^2, fase 00) en voor Ω+\Omega \to +\infty (RA/Ω20R \sim A/\Omega^2 \to 0, fase π\to \pi: de massa beweegt tegengesteld aan een te snelle aandrijving).
  4. Toon aan dat elke oplossing van (EΩ)(E_\Omega) gelijk is aan xpx_p plus een oplossing van (H)(H), en dus naar het regime xpx_p convergeert als t+t \to +\infty, wat de beginvoorwaarden ook zijn: zodra het inschakelverschijnsel is uitgestorven, herinnert de oscillator zich niets meer van zijn start.
  5. Toon aan dat xpx_p de enige periodieke oplossing van (EΩ)(E_\Omega) is.
  6. Werk één Cauchy-probleem tot het einde uit: toon voor x+2x+2x=costx'' + 2x' + 2x = \cos t met x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0 aan dat de oplossing

    x(t)=cost+2sint5etcost+3sint5x(t) = \frac{\cos t + 2\sin t}5 - \eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5

    is, en wijs het inschakel- en het regimedeel aan.

Deel III — De resonantiekromme. Studie van ΩR(Ω)\Omega \mapsto R(\Omega) op (0,+)\intoo0{+\infty}.

  1. Zet u=Ω2u = \Omega^2 en g(u)=(ω02u)2+4λ2ug(u) = (\omega_0^2 - u)^2 + 4\lambda^2 u, en toon aan: is 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2, dan bereikt RR een strikt maximum in de resonantiefrequentie Ωr=ω022λ2\Omega_r = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}, met

    Rmax=R(Ωr)=A2λω02λ2.R_{\max} = R(\Omega_r) = \frac{A}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}} .
  2. Toon aan dat 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: in resonantie wordt de aandrijving (in wezen) met de kwaliteitsfactor versterkt.
  3. Bewijs dat de amplitude van de snelheid V(Ω)=ΩR(Ω)V(\Omega) = \Omega\,R(\Omega) precies in Ω=ω0\Omega = \omega_0 maximaal is (en niet in Ωr\Omega_r), en dat de fase daar φ(ω0)=π2\varphi(\omega_0) = \frac\pi2 is: in Ω=ω0\Omega = \omega_0 loopt de snelheid precies in fase met de kracht.
  4. (Bandbreedte) Los g(u)=2g(ur)g(u) = 2\,g(u_r) exact op, met ur=ω022λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2, en leid af dat de twee frequenties Ω±\Omega_\pm waar R=Rmax/2R = R_{\max}/\sqrt2 voldoen aan Ω+2Ω2=4λω02λ2\Omega_+^2 - \Omega_-^2 = 4\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}; besluit dat de bandbreedte bij zwakke demping Ω+Ω2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx 2\lambda is, oftewel Qω0Ω+ΩQ \approx \frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-}: scherpe resonantiepieken horen bij systemen met hoge QQ.
  5. Numeriek portret voor ω0=1\omega_0 = 1, λ=0.05\lambda = 0.05 (Q=10Q = 10) en A=1A = 1: bereken Ωr\Omega_r, RmaxR_{\max}, het statische antwoord R(0)R(0) en de benaderde bandbreedte.
  6. Toon aan dat RR strikt dalend is op (0,+)\intoo0{+\infty} zodra 2λ2ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2: sterk gedempte systemen hebben in het geheel geen resonantiepiek.

Deel IV — Zonder demping: zwevingen en resonantie. Hier is λ=0\lambda = 0.

  1. Bepaal voor Ωω0\Omega \neq \omega_0 de algemene oplossing van x+ω02x=Acos(Ωt)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\Omega t).
  2. Los het Cauchy-probleem x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0 op en breng het antwoord in de productvorm

    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. Lees het product voor Ω\Omega dicht bij ω0\omega_0 als een snelle oscillatie met frequentie ω0+Ω2\frac{\omega_0 + \Omega}2, gemoduleerd door een trage omhullende met frequentie ω0Ω2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2: de zwevingen. Geef de periode van de omhullende en de maximale amplitude, en merk op hoe beide exploderen als Ωω0\Omega \to \omega_0.
  4. Leg tt vast en laat Ωω0\Omega \to \omega_0 gaan in de formule van vraag 19: toon aan dat de limiet

    x(t)=Atsin(ω0t)2ω0x_\infty(t) = \frac{A\,t\,\sin(\omega_0 t)}{2\omega_0}

    is, en ga rechtstreeks na dat xx_\infty de resonante vergelijking x+ω02x=Acos(ω0t)x'' + \omega_0^2 x = A\cos(\omega_0 t) oplost met x(0)=x(0)=0x(0) = x'(0) = 0 (vergelijk Voorbeeld 5.19): resonantie is de limiet van steeds tragere, steeds grotere zwevingen.

  5. Zet de twee lotgevallen van resonantie tegenover elkaar: lineaire groei At2ω0\frac{At}{2\omega_0} zonder demping, tegenover verzadiging bij RmaxQAω02R_{\max} \approx Q\,\frac{A}{\omega_0^2} met zwakke demping. In één zin: welk fysisch mechanisme zet het eerste om in het tweede?

Deel V — Energiebalans en synthese.

  1. Bereken in het regime van Deel II het gemiddelde over één periode 2πΩ\frac{2\pi}\Omega van (a) het vermogen dat de aandrijving levert, Pin(t)=Acos(Ωt)xp(t)P_{\mathrm{in}}(t) = A\cos(\Omega t) \cdot x_p'(t), en (b) het vermogen dat de demping verbruikt, Pdiss(t)=2λxp(t)2P_{\mathrm{diss}}(t) = 2\lambda\,x_p'(t)^2. Toon aan dat beide gemiddelden gelijk zijn aan λR2Ω2\lambda\,R^2\Omega^2: de aandrijving voert precies aan wat de demping opstookt — en daarom is het regime stationair.
  2. Waar precies gebruikte de opgave: (i) de structuurstelling Stelling 5.12; (ii) de methode van de complexe exponentiële; (iii) een functiestudie in reële variabele in de stijl van Hoofdstuk 4? Eén zin per onderdeel.
  3. Synthese: beschrijf het volledige gedrag van (EΩ)(E_\Omega) — vrij tegenover aangedreven, gedempt tegenover ongedempt, de rol van QQ als de ene dimensieloze knop die piekhoogte, bandbreedte en levensduur van het inschakelverschijnsel afstemt — en vermeld waar het verhaal verdergaat: 2×22 \times 2-stelsels van de eerste orde (Hoofdstuk 21 en het volume van bachelorjaar 2) en de ontbinding van een algemene periodieke aandrijving in sinusoïden (fourierreeksen, in het volume van bachelorjaar 3), waarvoor het sinusoïdale geval van deze opgave de fundamentele bouwsteen is.
Oplossing

Oplossing van Probleem 5.1.

1. χ(r)=r2+2λr+ω02\chi(r) = r^2 + 2\lambda r + \omega_0^2 met Δ=4(λ2ω02)<0\Delta = 4(\lambda^2 - \omega_0^2) < 0 voor 0<λ<ω00 < \lambda < \omega_0: wortels λ±iωd-\lambda \pm \iu\omega_d, dus volgens Stelling 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 .

Voor λ=0\lambda = 0: x=λ1cosω0t+μ1sinω0tx = \lambda_1\cos\omega_0 t + \mu_1\sin\omega_0 t. Het kritieke (λ=ω0\lambda = \omega_0) en het overgedempte regime (λ>ω0\lambda > \omega_0) zijn die van Oefening 5.9 (na herschaling van de tijd): (λ1+μ1t)eλt(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t}, respectievelijk combinaties van er±t\eu^{r_\pm t} met r±=λ±λ2ω02r_\pm = -\lambda \pm \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2}.

2. Onderkritisch: xeλt(λ1+μ1)0\abs x \leq \eu^{-\lambda t}(\abs{\lambda_1} + \abs{\mu_1}) \to 0. Kritiek: (λ1+μ1t)eλt0(\lambda_1 + \mu_1 t)\eu^{-\lambda t} \to 0, want exponentiëlen verslaan veeltermen (Propositie 4.6). Overgedempt: r<r+=λ+λ2ω02<0r_- < r_+ = -\lambda + \sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < 0 omdat λ2ω02<λ\sqrt{\lambda^2 - \omega_0^2} < \lambda; beide exponentiëlen dempen uit.

3. Langs een oplossing van (H)(H) is, met 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 .

Is x(t0)=x(t0)=0x(t_0) = x'(t_0) = 0, dan is E(t0)=0\mathcal E(t_0) = 0; E\mathcal E is niet-negatief en niet-stijgend, dus E0\mathcal E \equiv 0 op [t0,+)\intco{t_0}{+\infty}, wat x0x \equiv 0 daar afdwingt; voor tt0t \leq t_0 voer je hetzelfde argument uit op x~(t)=x(2t0t)\tilde x(t) = x(2t_0 - t), die de vergelijking met demping λ-\lambda oplost maar nog steeds E~(t0)=0\tilde{\mathcal E}(t_0) = 0 heeft en E~=+2λx~20\tilde{\mathcal E}' = +2\lambda\tilde x'^2 \geq 0 met E~0\tilde{\mathcal E} \geq 0; niet-negatief, niet-dalend en nul aan de rechterrand van (,t0]\intoc{-\infty}{t_0} betekent overal nul. Dus x0x \equiv 0 op R\R — een energiebewijs van de uniciteit, geldig voor elke 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). De krimpfactor per pseudoperiode is eδ\eu^{-\delta} met δ=λTd=2πλωd\delta = \lambda T_d = \frac{2\pi\lambda}{\omega_d}. Voor ω0=1\omega_0 = 1 en λ=0.1\lambda = 0.1 is ωd=0.99=0.99499\omega_d = \sqrt{0.99} = 0.99499, dus δ=0.628320.99499=0.6315\delta = \frac{0.62832}{0.99499} = 0.6315: elke slingering behoudt e0.6353%\eu^{-0.63} \approx 53\% van haar amplitude.

5. De amplitudefactor is eλt\eu^{-\lambda t}, die over t=1λt = \frac1\lambda met een factor e\eu afneemt. Dat interval bevat 1/λTd=ωd2πλ\frac{1/\lambda}{T_d} = \frac{\omega_d}{2\pi\lambda} pseudoperiodes. Voor λω0\lambda \ll \omega_0 is ωdω0\omega_d \approx \omega_0 en is dat ω02πλ=Qπ\approx \frac{\omega_0}{2\pi\lambda} = \frac Q\pi. Een gitaarsnaar met Q=300Q = 300 klinkt zo’n honderd perioden na; een deurdemper met Q=1Q = 1 maakt er niet één af.

6. Substitutie van zeiΩtz\,\eu^{\iu\Omega t} in het linkerlid geeft z(Ω2+2iλΩ+ω02)eiΩtz\,(-\Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega + \omega_0^2)\,\eu^{\iu\Omega t}, wat precies gelijk is aan AeiΩtA\,\eu^{\iu\Omega t} voor z=Aω02Ω2+2iλΩz = \frac{A}{\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega} (de noemer is niet nul: haar imaginaire deel is 2λΩ>02\lambda\Omega > 0). Omdat de coëfficiënten reëel zijn, lost het reële deel xp=(zeiΩt)x_p = \Re\bigl(z\eu^{\iu\Omega t}\bigr) de vergelijking op met rechterlid (AeiΩt)=AcosΩt\Re\bigl(A\eu^{\iu\Omega t}\bigr) = A\cos\Omega t.

7. Schrijf ω02Ω2+2iλΩ=Deiφ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega = \sqrt{D}\,\eu^{\iu\varphi} met D=(ω02Ω2)2+4λ2Ω2D = (\omega_0^2 - \Omega^2)^2 + 4\lambda^2\Omega^2 en φ(0,π)\varphi \in \intoo0\pi (het imaginaire deel 2λΩ2\lambda\Omega is positief), zodat tanφ=2λΩω02Ω2\tan\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\omega_0^2 - \Omega^2}. Dan is z=ADeiφz = \frac{A}{\sqrt D}\eu^{-\iu\varphi} en

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. Voor Ω0+\Omega \to 0^+ gaat Dω04D \to \omega_0^4, dus RA/ω02R \to A/\omega_0^2, en tanφ0+\tan\varphi \to 0^+ met φ(0,π2)\varphi \in \intoo0{\frac\pi2}: φ0\varphi \to 0. De massa volgt de kracht quasistatisch, verplaatst over kracht gedeeld door stijfheid. Voor Ω+\Omega \to +\infty is DΩ4D \sim \Omega^4, dus RA/Ω20R \sim A/\Omega^2 \to 0, en φπ\varphi \to \pi (het complexe getal ω02Ω2+2iλΩ\omega_0^2 - \Omega^2 + 2\iu\lambda\Omega zwenkt naar het tweede kwadrant met argument π\to \pi): de massa beweegt nauwelijks, en in tegenfase — de traagheid overheerst.

9. Volgens Stelling 5.12 (1) is elke oplossing x=xp+xhx = x_p + x_h met xhx_h een oplossing van (H)(H); volgens vraag 2 gaat xh(t)0x_h(t) \to 0, dus x(t)xp(t)0x(t) - x_p(t) \to 0: alle oplossingen convergeren naar hetzelfde regime. De beginvoorwaarden bepalen alleen de vorm van het inschakelverschijnsel.

10. Is xx een periodieke oplossing, dan is xxp=xhx - x_p = x_h een periodieke oplossing van (H)(H) die naar 00 gaat in ++\infty; een periodieke functie met limiet 00 is identiek nul (haar waarden op één periode herhalen zich voor altijd, zodat elke waarde de limiet van een deelrij is die naar 00 gaat). Bijgevolg is x=xpx = x_p.

11. Hier is λ=1\lambda = 1, ω02=2\omega_0^2 = 2, Ω=1\Omega = 1 en A=1A = 1: z=121+2i=12i5z = \frac1{2 - 1 + 2\iu} = \frac{1 - 2\iu}5, dus

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 .

Homogeen: de wortels van r2+2r+2r^2 + 2r + 2 zijn 1±i-1 \pm \iu, dus xh=et(Ccost+Ssint)x_h = \eu^{-t}(C\cos t + S\sin t). Voorwaarden: x(0)=15+C=0x(0) = \frac15 + C = 0 geeft C=15C = -\frac15; differentiëren geeft x(0)=25C+S=0x'(0) = \frac25 - C + S = 0, dus S=C25=35S = C - \frac25 = -\frac35. Bijgevolg is

x(t)=cost+2sint5regimeetcost+3sint5inschakelverschijnsel,x(t) = \underbrace{\frac{\cos t + 2\sin t}5}_{\text{regime}} - \underbrace{\eu^{-t}\,\frac{\cos t + 3\sin t}5}_{\text{inschakelverschijnsel}} ,

waarbij het inschakelverschijnsel als et\eu^{-t} uitsterft.

12. Uitwerken geeft 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) met ur=ω022λ2u_r = \omega_0^2 - 2\lambda^2 en

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) .

Is 2λ2<ω022\lambda^2 < \omega_0^2, dan is ur>0u_r > 0 een toelaatbare gekwadrateerde frequentie: gg heeft daar een strikt minimum, zodat R=A/gR = A/\sqrt g een strikt maximum heeft in Ωr=ur=ω022λ2\Omega_r = \sqrt{u_r} = \sqrt{\omega_0^2 - 2\lambda^2}, met Rmax=A/g(ur)=A2λω02λ2R_{\max} = A/\sqrt{g(u_r)} = \frac{A}{2\lambda\sqrt{\omega_0^2 - \lambda^2}}.

13. Er is R(0)=A/ω02R(0) = A/\omega_0^2, dus

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 .

Bij zwakke demping ligt de correctiefactor dicht bij 11: resonantie vermenigvuldigt de statische verplaatsing in wezen met QQ.

14. V(Ω)2=A2ug(u)V(\Omega)^2 = \frac{A^2 u}{g(u)} met u=Ω2u = \Omega^2. De afgeleide heeft het teken van 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), positief voor u<ω02u < \omega_0^2 en negatief daarboven: een strikt maximum precies in Ω=ω0\Omega = \omega_0, bij elke demping. Daar explodeert tanφ\tan\varphi met φ(0,π)\varphi \in \intoo0\pi: φ=π2\varphi = \frac\pi2, en xp(t)=RΩsin(Ωtπ2)=RΩcos(Ωt)x_p'(t) = -R\Omega\sin(\Omega t - \frac\pi2) = R\Omega\cos(\Omega t) loopt precies in fase met de kracht: optimale vermogensoverdracht.

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), wat

u±=ur±2λω02λ2,Ω+2Ω2=4λω02λ2u_\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}

geeft. Verder is Ω+Ω=Ω+2Ω2Ω++Ω\Omega_+ - \Omega_- = \frac{\Omega_+^2 - \Omega_-^2}{\Omega_+ + \Omega_-}, en voor λω0\lambda \ll \omega_0 is Ω±ω0\Omega_\pm \approx \omega_0: Ω+Ω4λω02ω0=2λ\Omega_+ - \Omega_- \approx \frac{4\lambda\omega_0}{2\omega_0} = 2\lambda, zodat ω0Ω+Ωω02λ=Q\frac{\omega_0}{\Omega_+ - \Omega_-} \approx \frac{\omega_0}{2\lambda} = Q. De breedte van een resonantiepiek meten is de kwaliteitsfactor meten.

16. Q=10Q = 10; Ωr=12(0.05)2=0.995=0.9975\Omega_r = \sqrt{1 - 2(0.05)^2} = \sqrt{0.995} = 0.9975; Rmax=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; statisch antwoord R(0)=1R(0) = 1; bandbreedte 2λ=0.1\approx 2\lambda = 0.1. Een hoge, dunne piek van hoogte Q\approx Q boven een plateau van hoogte 11.

17. Is 2λ2ω022\lambda^2 \geq \omega_0^2, dan is ur0u_r \leq 0 en g(u)=2(uur)>0g'(u) = 2(u - u_r) > 0 voor alle u>0u > 0: gg stijgt strikt op (0,+)\intoo0{+\infty}, zodat R=A/gR = A/\sqrt g strikt daalt vanaf R(0)=A/ω02R(0) = A/\omega_0^2: het antwoord is het grootst bij frequentie nul en er is geen piek.

18. γ=iΩ\gamma = \iu\Omega is geen wortel van r2+ω02r^2 + \omega_0^2 (want Ωω0\Omega \neq \omega_0), dus geeft Methode 5.13 met m=0m = 0 de oplossing xp=AcosΩtω02Ω2x_p = \frac{A\cos\Omega t}{\omega_0^2 - \Omega^2} (substitueer en controleer: Ω2+ω02-\Omega^2 + \omega_0^2 maal de cosinus). Algemene oplossing:

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. x(0)=0x(0) = 0 dwingt λ1=Aω02Ω2\lambda_1 = -\frac A{\omega_0^2 - \Omega^2} af en x(0)=0x'(0) = 0 dwingt μ1=0\mu_1 = 0 af:

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) ,

met de productformule cosacosb=2sinba2sinb+a2\cos a - \cos b = 2\sin\frac{b - a}2\sin\frac{b + a}2 toegepast met a=Ωta = \Omega t en b=ω0tb = \omega_0 t.

20. Voor Ω\Omega dicht bij ω0\omega_0 oscilleert de tweede sinus met de snelle frequentie ω0+Ω2ω0\frac{\omega_0 + \Omega}2 \approx \omega_0, terwijl de eerste een trage omhullende met frequentie ω0Ω2\frac{\abs{\omega_0 - \Omega}}2 is: de amplitude van de snelle oscillatie zwelt aan en weer af, met omhullende periode 2πω0Ω\frac{2\pi}{\abs{\omega_0 - \Omega}} (twee zwevingen per periode van de omhullende) en maxima 2Aω02Ω2\frac{2A}{\abs{\omega_0^2 - \Omega^2}}. Als Ωω0\Omega \to \omega_0 worden de zwevingen zowel trager (periode \to \infty) als hoger (amplitude \to \infty).

21. Leg tt vast. Voor Ωω0\Omega \to \omega_0 is

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} ,

terwijl sin((ω0+Ω)t2)sin(ω0t)\sin\bigl(\frac{(\omega_0 + \Omega)t}2\bigr) \to \sin(\omega_0 t): de limiet is x(t)=Atsinω0t2ω0x_\infty(t) = \frac{At\sin\omega_0 t}{2\omega_0}. Rechtstreekse controle: met C=A2ω0C = \frac A{2\omega_0} is x=Ctsinω0tx_\infty = Ct\sin\omega_0 t en x=2Cω0cosω0tCω02tsinω0tx_\infty'' = 2C\omega_0\cos\omega_0 t - C\omega_0^2 t \sin\omega_0 t, dus x+ω02x=2Cω0cosω0t=Acosω0tx_\infty'' + \omega_0^2 x_\infty = 2C\omega_0\cos\omega_0 t = A\cos\omega_0 t, met x(0)=0x_\infty(0) = 0 en x(0)=Csin0+Cω00cos0=0x_\infty'(0) = C\sin 0 + C\omega_0 \cdot 0 \cdot \cos 0 = 0 — voor ω0=A=1\omega_0 = A = 1 is dat precies Voorbeeld 5.19. Resonantie is de ontaarding van zwevingen: de eerste zwelling van de omhullende, uitgerekt tot oneindige lengte.

22. Zonder demping groeit de resonante amplitude lineair en onbegrensd; met demping λ>0\lambda > 0 verzadigt die groei bij RmaxQAω02R_{\max} \approx Q\,\frac A{\omega_0^2}. Het mechanisme: de dissipatie onttrekt energie met een tempo dat met de amplitude meegroeit (vraag 23), zodat de opbouw precies stopt wanneer de demping even snel energie opstookt als de aandrijving haar aanvoert.

23. Met xp=RΩsin(Ωtφ)x_p' = -R\Omega\sin(\Omega t - \varphi) geven de gemiddelden over één periode cos2=sin2=12\langle\cos^2\rangle = \langle\sin^2\rangle = \frac12 en sincos=0\langle\sin\cos\rangle = 0:

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 ;

en uitwerken van sin(Ωtφ)=sinΩtcosφcosΩtsinφ\sin(\Omega t - \varphi) = \sin\Omega t\cos\varphi - \cos\Omega t\sin\varphi geeft

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 .

Omdat sinφ=2λΩD=2λΩRA\sin\varphi = \frac{2\lambda\Omega}{\sqrt D} = \frac{2\lambda\Omega R}A, is dat ARΩ22λΩRA=λR2Ω2\frac{AR\Omega}2 \cdot \frac{2\lambda\Omega R}A = \lambda R^2\Omega^2: het aangevoerde en het gedissipeerde vermogen houden elkaar exact in evenwicht — de definiërende eigenschap van een stationair regime.

24. (i) De structuurstelling splitste elke oplossing in regime plus inschakelverschijnsel (vragen 9–11) en herleidde de uniciteit tot het homogene probleem. (ii) De complexe methode maakte van het zoeken naar een particuliere oplossing één deling van complexe getallen (vraag 6), met amplitude en fase afgelezen uit een modulus en een argument. (iii) De resonantiekromme is een zuivere functiestudie — een tweedegraadsuitdrukking in u=Ω2u = \Omega^2, haar minimum, haar niveauverzamelingen — in de stijl van Hoofdstuk 4 (vragen 12–17).

25. Vrij en gedempt: uitdovende pseudo-oscillaties, levensduur 1λ\frac1\lambda, ongeveer Qπ\frac Q\pi slingeringen. Aangedreven en gedempt: het inschakelverschijnsel sterft uit en er blijft één sinusoïdaal regime over op de aandrijffrequentie, met een amplitude die vlak bij ω0\omega_0 piekt (hoogte Q×\approx Q \times statisch, breedte ω0Q\approx \frac{\omega_0}Q) en een fase die van 00 naar π\pi zwenkt, door π2\frac\pi2 in ω0\omega_0. Vrij en ongedempt: eeuwigdurende oscillatie. Aangedreven en ongedempt: zwevingen, die bij exacte afstemming ontaarden in lineair groeiende resonantie. Eén dimensieloos getal, Q=ω02λQ = \frac{\omega_0}{2\lambda}, stemt alles af — piekhoogte, bandbreedte en levensduur van het inschakelverschijnsel zijn drie aflezingen van dezelfde knop. Het vervolg: x+2λx+ω02xx'' + 2\lambda x' + \omega_0^2x als stelsel van de eerste orde herschrijven opent de matrixmethoden van Hoofdstuk 21 en het volume van bachelorjaar 2, en een willekeurige periodieke aandrijving in sinusoïden ontbinden (fourierreeksen, volume van bachelorjaar 3) maakt van de analyse met één frequentie uit deze opgave de universele bouwsteen: los op per frequentie en superponeer.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst