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 een interval en zij (of ) continu. De vergelijking
in de onbekende afleidbare functie (of ), heet een lineaire differentiaalvergelijking van de eerste orde. De vergelijking is haar homogene vergelijking.
Stelling 5.2 (De homogene vergelijking oplossen)
Zij een primitieve functie van op (die bestaat: Hoofdstuk 15). De oplossingen van op zijn precies de functies
Bewijs. Deze functies zijn oplossingen: . Omgekeerd, zij een oplossing van en zet . Dan is
zodat constant is op het interval , zeg : . (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 op op . Een primitieve functie van is , dus de oplossingen zijn
Twee lezingen. Elke oplossing is periodiek (periode ) en wordt nooit nul tenzij — het teken van is voor altijd het teken van , want een exponentiële kan de nul niet oversteken. En de oplossing door is : 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:
De oplossingen van op zijn precies
met vast. Equivalent: algemene oplossing van plus één particuliere oplossing van .
- Voor elke en elke heeft het Cauchy-probleem “ en ” precies één oplossing op .
Bewijs. (1) Volgens de methode die variatie van constanten heet, zoeken we oplossingen van de vorm met afleidbaar — daarbij gaat geen algemeenheid verloren, want elke functie op laat zich zo schrijven (). Substitutie geeft
zodat een oplossing van is dan en slechts dan als , dan en slechts dan als voor een zekere constante (twee primitieve functies van dezelfde continue functie op een interval verschillen een constante).
(2) In de formule is : de voorwaarde legt ondubbelzinnig vast. ∎
Voorbeeld 5.5
Los op op . Hier is , en . Homogene oplossingen: . Variatie van constanten: , dus , en
Met de beginvoorwaarde is . Controle: .
Voorbeeld 5.6 (Raden verslaat integreren)
Los op op . Variatie van constanten werkt (, , ), maar opmerken dat de constante de vergelijking oplost () gaat sneller. Met de homogene oplossingen :
Elke oplossing convergeert bijzonder snel naar als : 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 en continu zijn. Voor op zijn de oplossingen op en op met onafhankelijke constanten: er is geen reden waarom één formule over de singulariteit in heen zou lijmen.
Voorbeeld 5.8 (Eén complex rechterlid, twee reële antwoorden)
Los en in één beweging op. Werk in met het rechterlid : de poging geeft , dus
Omdat de vergelijking reële coëfficiënten heeft, splitsen reëel en imaginair deel: lost op, en lost op (controleer de eerste: de afgeleide min de functie geeft ). 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 en zij continu. De vergelijking
heet een lineaire vergelijking van de tweede orde met constante coëfficiënten; is haar homogene vergelijking en haar karakteristieke veelterm.
Stelling 5.10 (Homogene oplossingen)
Zij de discriminant van . De reële oplossingen van op zijn:
- als , met de twee reële wortels: ;
- als , met de dubbele wortel: ;
- als , met wortels (): ;
telkens met dat doorloopt.
Bewijs. Merk eerst op dat voor de functie een oplossing van is dan en slechts dan als (substitutie: ). Daarom zijn exponentiëlen de natuurlijke eerste gok: differentiëren werkt op als vermenigvuldigen met het getal , zodat de differentiaalvergelijking de numerieke vergelijking 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 een (eventueel complexe) wortel van en schrijf , waarbij geen algemeenheid verloren gaat. Dan is
zodat de vergelijking van de eerste orde wordt voor .
Geval : kies ; dan is (want ). Volgens Stelling 5.2 is voor een zekere constante ; integreren op geeft met , en dus . Is , dan zijn de wortels en zijn de complexe oplossingen met . Welke daarvan zijn reëelwaardig? Omdat , is de toegevoegde van gelijk aan , en voor alle dwingt af (de twee exponentiëlen zijn lineair onafhankelijk: evalueer in twee punten, of vergelijk in na deling door ). Schrijven we met reële , dan is
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 : en , dus : en . ∎
Voorbeeld 5.11 (Een Cauchy-probleem van begin tot eind)
Los op met en . De karakteristieke veelterm heeft de reële wortels en : de algemene oplossing is . De twee voorwaarden geven het lineaire stelsel
dus en :
Controle: ; geeft ; en . Let op de vorm van het antwoord: bij overheerst de trage mode , bij de snelle mode . 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.
Stelling 5.12 (Structuur en Cauchy-probleem)
- Is één particuliere oplossing van , dan zijn de oplossingen van precies , waarbij de oplossingen van doorloopt.
- (Superpositie) Lost de vergelijking op en die met rechterlid , dan lost de vergelijking met rechterlid op.
- Voor alle en heeft het Cauchy-probleem “, , ” precies één oplossing op . (Bestaan onder voorbehoud van een particuliere oplossing; uniciteit volledig.)
Bewijs. (1) lost op precies wanneer de vergelijking oplost, wegens de lineariteit van . (2) is dezelfde lineariteit.
(3) Wegens (1) volstaat het te bewijzen dat de constanten altijd, en op één manier, aan willekeurige gegevens aangepast kunnen worden. Na verschuiving van de variabele mogen we aannemen. In geval (1) van Stelling 5.10 geeft
een lineair stelsel in met determinant ; expliciet oplossen geeft en : precies één oplossing. In geval (2) is en : het stelsel is driehoekig met determinant , met oplossing en . In geval (3) is en : determinant , met oplossing en . In elk geval is de afbeelding een lineaire bijectie — de taal van Hoofdstuk 20 zal dit gevalsonderzoek tot één zin samenpersen. ∎
Methode 5.13 (Particuliere oplossing bij )
Is het rechterlid met een veelterm en (dat dekt veeltermen, exponentiëlen, en via complexe of superpositie ook en ), zoek dan een particuliere oplossing van de vorm
met een veelterm van dezelfde graad als , waarvan je de coëfficiënten vindt door substitutie en gelijkstelling. Voor (of ) los je op met rechterlid en neem je het reële (respectievelijk imaginaire) deel.
Voorbeeld 5.14 (Superpositie in actie)
Los op op . Homogeen: met wortels , dus . Splits het rechterlid en behandel elk stuk met het methodekader. Stuk : hier is een enkelvoudige wortel van , dus probeer : dan is , wat geeft. Stuk : is geen wortel; de constante voldoet. Met de superpositie (Stelling 5.12 (2)):
Merk op hoe de twee stukken verschillende vormen eisten ( tegenover ): 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 op op . Het rechterlid is met , en is een enkelvoudige wortel van : dus , en de juiste gok is , één graad hoger dan . Substitutie geeft
en gelijkstellen met levert en : . Algemene oplossing: . Hadden we gegokt (met verwaarlozing van de multipliciteit), dan zou substitutie geven, een constante — geen enkele keuze van kan evenaren, en dat falen is structureel: constanten lossen de homogene vergelijking al op en zijn dus onzichtbaar voor het linkerlid. De factor 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 het bekende antwoord in ?). De gewoonte kost een halve minuut en zet “waarschijnlijk juist” om in “geverifieerd”.
Opmerking 5.17 (Veelgemaakte fouten)
- Normaliseer eerst. De formules gaan ervan uit dat de vergelijking luidt — met coëfficiënt bij . Voor deel je eerst door (op een interval dat mijdt) vóór je en afleest, zoals in Oefening 5.2.
- 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 , nooit aan alleen — ze opleggen vóór het optellen van is de meest voorkomende structurele fout.
- Let op de multipliciteit. Een gok voor de particuliere oplossing die de homogene vergelijking oplost, is onzichtbaar voor het linkerlid; de factor van Methode 5.13 is niet vrijblijvend (Voorbeeld 5.15).
- 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 ” betekent twee onafhankelijke problemen.
Voorbeeld 5.18 (Aandrijving buiten resonantie)
Los op op . Eigenfrequentie , aandrijffrequentie : omdat geen wortel van is, is de multipliciteit en volstaat een gewone sinusoïde. De poging (een cosinus is niet nodig: de vergelijking heeft geen -term, en brengt weer voort) geeft
dus , en de algemene oplossing is
Elke oplossing blijft begrensd: een superpositie van twee oscillaties met de frequenties (opgelegd) en (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 op met en .
Homogeen: met wortels : .
Particulier: het rechterlid is met een enkelvoudige wortel van : probeer met . Dan is , wat gelijk is aan voor . Dus en .
Algemene oplossing: . Voorwaarden: ; en , dus . Antwoord: — een oscillatie waarvan de amplitude lineair groeit: het verschijnsel resonantie, veroorzaakt door het systeem op zijn eigenfrequentie aan te drijven.
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 is lineair, haar homogene oplossingen vormen de kern van , 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 is een affiene deelruimte, een verschuiving van de kern. Zelfs de Cauchy-afbeelding van Stelling 5.12 is een lineaire bijectie tussen twee vlakken, dat wil zeggen een inverteerbaar -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 vormen “één particuliere oplossing plus de oplossingen van ” — is de eerste verschijning van een patroon dat Hoofdstukken 18 en 20 zullen benoemen: de oplossingsverzameling van is de kern van de lineaire afbeelding , en die van 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 -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 : ; en vervolgens het Cauchy-probleem .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.1.
Homogeen: . Particulier: probeer ( is geen wortel van ): , dus . Algemene oplossing: . Met is , dus en .
Oefening 5.2 ★
Los op op : (breng de vergelijking eerst in genormaliseerde vorm).
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.2.
Deel op door : . Hier is en : homogene oplossingen . Variatie van constanten: , dus en
Controle: .
Oefening 5.3 ★
Los op op en geef de reële algemene oplossing: ; ; .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.3.
: wortels en ; .
: dubbele wortel ; .
: wortels ; .
Oefening 5.4 ★
Los op op , en vervolgens het Cauchy-probleem , .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.4.
Homogeen: wortels , dus . Particulier bij een veelterm als rechterlid ( is geen wortel): ; substitutie geeft , dus , en : . Algemene oplossing: .
Cauchy: en , dus en . Bijgevolg is .
Oefening 5.5 ★★
Los op op : .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.5.
, (geldig: op het interval) en : homogene oplossingen . Variatie van constanten: , dus en
Controle: en ; hun som is , zoals gevraagd.
Oefening 5.6 ★★
Los op op . (Let op de multipliciteit: is een wortel van de karakteristieke veelterm?)
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.6.
: is een enkelvoudige wortel (). Probeer . Met is
Gelijkstellen met geeft en , dus en . Algemene oplossing:
Oefening 5.7 ★★
Los op op (superpositie; behandel elk rechterlid apart).
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.7.
Homogeen: .
Rechterlid ( geen wortel): met , dus .
Rechterlid , met een enkelvoudige wortel van : probeer ; dan is , gelijk aan voor . Dus en .
Met superpositie:
Oefening 5.8 ★★
Een kop koffie met temperatuur C staat in een kamer van C. De afkoelingswet van Newton luidt met . Los op naar en bepaal, gegeven dat de koffie na minuten C is, wanneer ze C bereikt.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.8.
De vergelijking heeft de constante particuliere oplossing en de homogene oplossingen : , en geeft :
Uit volgt , dus . Vervolgens vergt dat , oftewel
Oefening 5.9 ★★★
(Gedempte oscillator) Beschouw voor de vergelijking .
- Los op voor , voor en voor .
- Toon aan dat voor elke oplossing naar gaat in , en dat de oplossingen ongelijk aan nul dat voor niet doen.
- Toon voor aan dat de nulpunten van een oplossing ongelijk aan nul regelmatig verdeeld liggen, met onderlinge afstand .
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.9.
- met . Voor : wortels , dus met . Voor : dubbele wortel , dus . Voor : reële wortels , beide , en .
- Voor is . Voor gaat (de exponentiële verslaat de veelterm, Propositie 4.6). Voor dempen beide exponentiëlen uit, want (immers ). Voor heeft de constante amplitude , tenzij .
- Schrijf met . De nulpunten van zijn die van (de factor wordt nooit nul): , een rekenkundige rij met verschil .
Oefening 5.10 ★★★
Bepaal alle tweemaal afleidbare functies met
waarbij en niet constant is. Aanwijzing: leg vast, differentieer tweemaal naar in ; toon aan dat en voor een zekere constante ; los daarna op naar het teken van en ga na welke oplossingen aan de functievergelijking voldoen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.10.
Stel : , en geeft . Leg vast en differentieer de vergelijking tweemaal naar :
Stellen we , dan is , dat wil zeggen
Geval : ; geeft . Invullen in de functievergelijking en de somformules gebruiken (Propositie 4.18) dwingt af (vergelijk de coëfficiënten van , of evalueer in ): , dat inderdaad voldoet aan .
Geval : analoog met , dat aan de vergelijking voldoet.
Geval : is affien met : ; de vergelijking dwingt af, wat uitgesloten is ( is niet constant).
Besluit: de oplossingen zijn en met .
Oefening 5.11 ★★
(Vergelijking van Euler) Los op op . Aanwijzing: zet , substitueer dus , en toon aan dat aan een lineaire vergelijking met constante coëfficiënten voldoet.
Oplossing
Oplossing van Oefening 5.11.
Zet , zodat voor . Dan is
en substitutie in de vergelijking geeft
Karakteristieke veelterm : dubbele wortel , dus , en terug in de variabele :
Oefening 5.12 ★★★
Beschouw de vergelijking op de hele reële rechte, in de onbekende afleidbare functie .
- Los op op en op .
- Toon aan dat voor willekeurige constanten de functie die gelijk is aan voor en aan voor afleidbaar is op en de vergelijking overal oplost.
- Besluit dat de oplossingsverzameling op 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.
- In genormaliseerde vorm op elk interval: , zodat de oplossingen op en op zijn, met onafhankelijke constanten (Stelling 5.2).
- Zij voor en voor . Op elke open halfrechte is afleidbaar met . In : de differentiequotiënten of gaan naar , dus bestaat , en in luidt de vergelijking : voldaan. Dus lost de vergelijking op heel op.
- De oplossingen op 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 is de coëfficiënt niet continu in — zelfs niet gedefinieerd — zodat geen interval is waarop de stelling van toepassing is. De singulariteit in koppelt de twee halfrechten los, en de waarde is afgedwongen en draagt geen informatie over. Elk Cauchy-gegeven in legt de oplossing alleen op de halfrechte door 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:
met de demping, de eigenfrequentie, en en 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 (onderkritisch gedempt regime) en schrijven we .
Deel I — De vrije oscillator. Hier is .
- Los de homogene vergelijking op voor en voor . (De regimes zijn in Oefening 5.9 behandeld; citeer ze.)
- Toon aan dat voor elke alle oplossingen van naar gaan in — in alle drie de regimes.
- Definieer de energie langs een oplossing van . Toon aan dat , en leid daaruit af (zonder iets op te lossen) dat het Cauchy-probleem “, ” alleen de nuloplossing heeft, voor elke .
- Schrijf voor de oplossing ongelijk aan nul als en zij de pseudoperiode. Toon aan dat : elke slingering is de vorige, gekrompen met de constante factor met (het logaritmische decrement). Bereken voor en .
- Definieer de kwaliteitsfactor . Toon aan dat de oscillator na de tijd (één keer de amplitude met een factor zien slinken) pseudoperiodes heeft afgelegd, wat bij zwakke demping () ongeveer is: de kwaliteitsfactor telt, op een factor na, het aantal oscillaties dat overleeft vóór de amplitude met een factor afneemt.
Deel II — Het regime. Nu is en .
Zoek een particuliere oplossing als reëel deel van met (Methode 5.13). Toon aan dat dit werkt met
Leid het regime af in amplitude-fasevorm: met
- Duid de twee uiterste regimes: bereken de limieten van en voor (quasistatisch antwoord , fase ) en voor (, fase : de massa beweegt tegengesteld aan een te snelle aandrijving).
- Toon aan dat elke oplossing van gelijk is aan plus een oplossing van , en dus naar het regime convergeert als , wat de beginvoorwaarden ook zijn: zodra het inschakelverschijnsel is uitgestorven, herinnert de oscillator zich niets meer van zijn start.
- Toon aan dat de enige periodieke oplossing van is.
Werk één Cauchy-probleem tot het einde uit: toon voor met aan dat de oplossing
is, en wijs het inschakel- en het regimedeel aan.
Deel III — De resonantiekromme. Studie van op .
Zet en , en toon aan: is , dan bereikt een strikt maximum in de resonantiefrequentie , met
- Toon aan dat : in resonantie wordt de aandrijving (in wezen) met de kwaliteitsfactor versterkt.
- Bewijs dat de amplitude van de snelheid precies in maximaal is (en niet in ), en dat de fase daar is: in loopt de snelheid precies in fase met de kracht.
- (Bandbreedte) Los exact op, met , en leid af dat de twee frequenties waar voldoen aan ; besluit dat de bandbreedte bij zwakke demping is, oftewel : scherpe resonantiepieken horen bij systemen met hoge .
- Numeriek portret voor , () en : bereken , , het statische antwoord en de benaderde bandbreedte.
- Toon aan dat strikt dalend is op zodra : sterk gedempte systemen hebben in het geheel geen resonantiepiek.
Deel IV — Zonder demping: zwevingen en resonantie. Hier is .
- Bepaal voor de algemene oplossing van .
Los het Cauchy-probleem op en breng het antwoord in de productvorm
- Lees het product voor dicht bij als een snelle oscillatie met frequentie , gemoduleerd door een trage omhullende met frequentie : de zwevingen. Geef de periode van de omhullende en de maximale amplitude, en merk op hoe beide exploderen als .
Leg vast en laat gaan in de formule van vraag 19: toon aan dat de limiet
is, en ga rechtstreeks na dat de resonante vergelijking oplost met (vergelijk Voorbeeld 5.19): resonantie is de limiet van steeds tragere, steeds grotere zwevingen.
- Zet de twee lotgevallen van resonantie tegenover elkaar: lineaire groei zonder demping, tegenover verzadiging bij met zwakke demping. In één zin: welk fysisch mechanisme zet het eerste om in het tweede?
Deel V — Energiebalans en synthese.
- Bereken in het regime van Deel II het gemiddelde over één periode van (a) het vermogen dat de aandrijving levert, , en (b) het vermogen dat de demping verbruikt, . Toon aan dat beide gemiddelden gelijk zijn aan : de aandrijving voert precies aan wat de demping opstookt — en daarom is het regime stationair.
- 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.
- Synthese: beschrijf het volledige gedrag van — vrij tegenover aangedreven, gedempt tegenover ongedempt, de rol van als de ene dimensieloze knop die piekhoogte, bandbreedte en levensduur van het inschakelverschijnsel afstemt — en vermeld waar het verhaal verdergaat: -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. met voor : wortels , dus volgens Stelling 5.10
Voor : . Het kritieke () en het overgedempte regime () zijn die van Oefening 5.9 (na herschaling van de tijd): , respectievelijk combinaties van met .
2. Onderkritisch: . Kritiek: , want exponentiëlen verslaan veeltermen (Propositie 4.6). Overgedempt: omdat ; beide exponentiëlen dempen uit.
3. Langs een oplossing van is, met ,
Is , dan is ; is niet-negatief en niet-stijgend, dus op , wat daar afdwingt; voor voer je hetzelfde argument uit op , die de vergelijking met demping oplost maar nog steeds heeft en met ; niet-negatief, niet-dalend en nul aan de rechterrand van betekent overal nul. Dus op — een energiebewijs van de uniciteit, geldig voor elke .
4. . De krimpfactor per pseudoperiode is met . Voor en is , dus : elke slingering behoudt van haar amplitude.
5. De amplitudefactor is , die over met een factor afneemt. Dat interval bevat pseudoperiodes. Voor is en is dat . Een gitaarsnaar met klinkt zo’n honderd perioden na; een deurdemper met maakt er niet één af.
6. Substitutie van in het linkerlid geeft , wat precies gelijk is aan voor (de noemer is niet nul: haar imaginaire deel is ). Omdat de coëfficiënten reëel zijn, lost het reële deel de vergelijking op met rechterlid .
7. Schrijf met en (het imaginaire deel is positief), zodat . Dan is en
8. Voor gaat , dus , en met : . De massa volgt de kracht quasistatisch, verplaatst over kracht gedeeld door stijfheid. Voor is , dus , en (het complexe getal zwenkt naar het tweede kwadrant met argument ): de massa beweegt nauwelijks, en in tegenfase — de traagheid overheerst.
9. Volgens Stelling 5.12 (1) is elke oplossing met een oplossing van ; volgens vraag 2 gaat , dus : alle oplossingen convergeren naar hetzelfde regime. De beginvoorwaarden bepalen alleen de vorm van het inschakelverschijnsel.
10. Is een periodieke oplossing, dan is een periodieke oplossing van die naar gaat in ; een periodieke functie met limiet is identiek nul (haar waarden op één periode herhalen zich voor altijd, zodat elke waarde de limiet van een deelrij is die naar gaat). Bijgevolg is .
11. Hier is , , en : , dus
Homogeen: de wortels van zijn , dus . Voorwaarden: geeft ; differentiëren geeft , dus . Bijgevolg is
waarbij het inschakelverschijnsel als uitsterft.
12. Uitwerken geeft met en
Is , dan is een toelaatbare gekwadrateerde frequentie: heeft daar een strikt minimum, zodat een strikt maximum heeft in , met .
13. Er is , dus
Bij zwakke demping ligt de correctiefactor dicht bij : resonantie vermenigvuldigt de statische verplaatsing in wezen met .
14. met . De afgeleide heeft het teken van , positief voor en negatief daarboven: een strikt maximum precies in , bij elke demping. Daar explodeert met : , en loopt precies in fase met de kracht: optimale vermogensoverdracht.
15. , wat
geeft. Verder is , en voor is : , zodat . De breedte van een resonantiepiek meten is de kwaliteitsfactor meten.
16. ; ; ; statisch antwoord ; bandbreedte . Een hoge, dunne piek van hoogte boven een plateau van hoogte .
17. Is , dan is en voor alle : stijgt strikt op , zodat strikt daalt vanaf : het antwoord is het grootst bij frequentie nul en er is geen piek.
18. is geen wortel van (want ), dus geeft Methode 5.13 met de oplossing (substitueer en controleer: maal de cosinus). Algemene oplossing:
19. dwingt af en dwingt af:
met de productformule toegepast met en .
20. Voor dicht bij oscilleert de tweede sinus met de snelle frequentie , terwijl de eerste een trage omhullende met frequentie is: de amplitude van de snelle oscillatie zwelt aan en weer af, met omhullende periode (twee zwevingen per periode van de omhullende) en maxima . Als worden de zwevingen zowel trager (periode ) als hoger (amplitude ).
21. Leg vast. Voor is
terwijl : de limiet is . Rechtstreekse controle: met is en , dus , met en — voor 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 verzadigt die groei bij . 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 geven de gemiddelden over één periode en :
en uitwerken van geeft
Omdat , is dat : 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 , haar minimum, haar niveauverzamelingen — in de stijl van Hoofdstuk 4 (vragen 12–17).
25. Vrij en gedempt: uitdovende pseudo-oscillaties, levensduur , ongeveer slingeringen. Aangedreven en gedempt: het inschakelverschijnsel sterft uit en er blijft één sinusoïdaal regime over op de aandrijffrequentie, met een amplitude die vlak bij piekt (hoogte statisch, breedte ) en een fase die van naar zwenkt, door in . Vrij en ongedempt: eeuwigdurende oscillatie. Aangedreven en ongedempt: zwevingen, die bij exacte afstemming ontaarden in lineair groeiende resonantie. Eén dimensieloos getal, , stemt alles af — piekhoogte, bandbreedte en levensduur van het inschakelverschijnsel zijn drie aflezingen van dezelfde knop. Het vervolg: 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.