התמרת לפלס
Transcription
התמרת לפלס
אוסף תרגילים טורי פורייה והתמרות אינטגרליות 11009 לביא קרפ מכללת אורט בראודה המחלקה למתמטיקה התמרת לפלס הגדרות ומשפטים • התמרת לפלס: f (x)e−xs dx. ∞ 0 Z = )L(f )(s • התמרת לפלס הפוכה : L−1 (F )(x) = f (x) ⇐⇒ L(f )(s) = F (s). • פונקציית הביסיד: ∞<a≤t . 0≤t<a 1, 0, = ).ua (t) = u(t − a • פונקציית דלתא של דירק δ(t) = 0 :לכל t 6= 0ומקיימת )f (t)δ(t)dt = f (0 ∞ Z ∞− לכל ) f (tרציפה בסביבת .0 1 )(1 • קונבולוציה :אם ) L (f ) (s) = F (sו ) , L (g) (s) = G(sאז התמרת לפלס הפוכה של ) F (s)G(sניתנת על ידי הקונבולוציה x f (x − t)g(t)dt. Z 0 • תכונות התמרת לפלס: )f (x )F (s) = L(f )(s d )F (s )xf (x − ds d )sF (s) − f (0 )dx f (x )eαxf (x )F (s − α )u(x − α)f (x − α )e−αsF (s תרגילים .1מצא התמרת לפלס של הפונקציות הבאות. א;e−x cos(3x) + e6x − 1 . ג;sin2 x . ב;(x − 1)4 . ד.x sin2 x . .2חשב התמרות לפלס לפי ההגדרה. 0≤x<2 2≤x א. 0, x, = );f (x 0≤x<π π≤x ב. sin x, 0, = ).f (x רמז.sin x = Im(eix ) : .3לאלו מהפונקציות הבאות יש גידול מערכי? 3 ב;x3 sin x . א;ex . ג;e54x . 2 ד.sin(ex ) . .4חשב התמרת לפלס הפוכה. 1 א. (s − 1)4 ; 1 ב. + 4s + 8 1 ה. + 2s + 2 s2 ; s2 ; s2 − 26s − 47 ג. )(s − 1)(s + 2)(s + 5 5s2 + 34s + 53 ו. )(s + 3)2 (s + 1 ; 2 ; −2s2 + 8s − 14 ד. )(s + 1)(s2 − 2s + 5 7s3 − 2s2 − 3s + 6 ז. )s3 (s − 2 . ; .5הראה את הטענות הבאות. )F (s א .אם ) ,L(f )(s) = F (sאז = )f (t)dt (s s ב .אם ) L(f )(s) = − dsd F (sוהגבול ).F (s )f (x x Rx .L 0 limx→0+קיים וסופי ,אז = )(s )f (x x L .6חשב התמרת לפלס הפוכה. s א. + 1)2 (s2 ; 1 ב. + 1)2 (s2 ; ג. s+5 s−2 ד.arctan (1/s) . ;ln .7נתונה בעיית התחלה .y ′ (0) = −1 , y(0) = 1 ; y ′′ + y = t2 + 2 א .פתור את הבעיה באמצעות השוואת מקדמים. ב .פתור את הבעיה באמצעות התמרת לפלס. .8נתונה בעיית התחלה .y ′ (0) = 2 , y(0) = 1 ; y ′′ + 2y ′ + 2y = e−x cos x א .פתור את הבעיה באמצעות השוואת מקדמים. ב .פתור את הבעיה באמצעות התמרת לפלס. .9פתור את בעיוות ההתחלה באמצעות התמרת לפלס. א. ב. ג. ד. ה. .y ′ (0) = −4, y(0) = 5 ; y ′′ − 7y ′ + 10y = 9 cos t + 7 sin t .y ′(0) = 5, y(0) = −1 ; y ′′ + 5y ′ − 6y = 21et .y ′ (0) = −1, y(0) = 0 ; y ′′ − 3y ′ + 2y = cos t .y ′ (0) = 2, y(0) = 0 ; y ′′ − y ′ − 2y = e−t sin 2t .y ′ (0) = 1, y(0) = 0 ; y ′′ + 6y = et cos 2t .10פתור את בעיות ההתחלה: ;y ′ (0) = 1, y(0) = 0 א; y ′′ + y = u(t − 3) . ב;y ′ (0) = 1, y(0) = 0 ; y ′′ + y = u(t − 2)(t − 4) . ג.y ′ (0) = 1, y(0) = 0 ; y ′′ + 5y ′ + 6y = tu(t − 2) . .11נתונה בעיית התחלה 3π 2 <0≤x 3π ≤x 2 10, 0, = .y (0) = 0 , y(0) = 0 ; y − 2y + 5y ′ ′′ ′ א .פתור את הבעיה באמצעות השוואת מקדמים .מצא תחילה את הפתרון בקטע ] [0, 3π2ולאחר בקטע )∞ , [ 3π2 ,כאשר ) y( 3π2ו ) y ′( 3π2הם תנאי התחלה לקטע השני . ב .פתור את הבעיה באמצעות התמרת לפלס. 3 .12פתור את בעיות ההתחלה: 0≤t<2 א ,y ′ (0) = 0, y(0) = 0 ; y ′′ + 4y = g(t) .כאשר 2 ≤ t < 5 5≤t 0≤t<1 ב ,y ′ (0) = 0, y(0) = 0 ; y ′′ + 4y = g(t) .כאשר 1 ≤ t < 2 2≤t 0≤t<1 1≤t<2 ג ,y ′ (0) = 0, y(0) = 0 ; y ′′ + 9y = g(t) .כאשר 2≤t<3 3≤t .13פתור את בעיות ההתחלה: 3, −1, = ).g(t 7, 1, −1, = ).g(t 0, 0, t − 1, = ).g(t 3 − t, 0, sin t, 0 ≤ t < 2π = ).g(t א ,y ′ (0) = 3, y(0) = 1; y ′′ + 4y = g(t) .כאשר 0, 2π ≤ t 0≤t<1 0, t, ב ,y ′(0) = 2, y(0) = 0; y ′′ + 5y ′ + 6y = g(t) .כאשר 1 ≤ t < 5 = ).g(t 1, 5≤t .14פתור את בעיות ההתחלה ,כאשר ) δ(tמסמנת את פונקציית דירק: א.y ′ (0) = 0, y(0) = 0 ; y ′′ + y = δ(t − π) . ב.y ′ (0) = 1, y(0) = 1 ; y ′′ + 2y ′ + 2y = δ(t − π) . ג.y ′ (0) = −2, y(0) = 2 ; y ′′ + 2y ′ − 3y = δ(t − 1) − δ(t − 2) . .15פתור את בעיות ההתחלה וסרטט את הגרפים של הפתרונות ,כאשר ) δ(tמסמנת את פונקציית דירק: א.y ′ (0) = 1, y(0) = 0 ; y ′′ + y = δ(t − 2π) . ב.y ′ (0) = 1, y(0) = 0 ; y ′′ + y = δ(t − π/2) . .16משקולת מחוברת לקפיץ ובמצב התחלתי המשקולת לא נעה ונמצאת מטר אחד מתחת לנקודת מצב היציב .לאחר π2שניות מכים את המשקולת עם פטיש. המשוואה שמתארת את מיקם המשקולת בזמן tהיא: π , x′′ + 9x = −3δ t − 2 , x(0) = 1 .x′ (0) = 0 מה השפעת המכה על מיקום המשקולת? .17בטא את הפתרונות באמצעות משפט הקונבולוציה ,כאשר ) g(tרציפה למקטועין בקטע )∞ .[, 4 א.y ′ (0) = 1, y(0) = −1 ; y ′′ − 2y ′ + y = g(t) . ב.y ′ (0) = 1, y(0) = 1 ; y ′′ + 4y ′ + 5y = g(t) . .18נתונה תנועה הרמונית , mx′′ + bx′ + kx = f , x(0) = x′ (0) = 0 כאשר b > 0 ,b2 < 4mkוהפונקציה fרציפה למקוטעין וחסומה.|f (t)| ≤ A : א .הראה שהפתרון ניתן באמצעות הקובולוציה b e− 2m (t−s) sin(ω(t − s))f (s)ds כאשר *ב .הראה 4mk−b2 4m2 q t 0 Z 1 = ), x(t mω = .ω 2A ωb ≤ |), |x(t כלומר הפתרון חסום לכל bושגורם הריסון גדל ,הערכים של ) x(tקטנים. .19חשב התמרת לפלס הפוכה באמצעות קונבולוציה. 14 1 1 ; 2ג. ; 2ב. א. )(s + 2)(s − 5 )s(s + 1 )(s + 1)(s2 + 4 R .20חשב התמרת לפלס של .f (t) = 0t sin(t − s)e2s ds 5 ; s ד. + 1)2 (s2 . תשובות .1 ; 4 1 s+1 1 1 4! 24 12 − 4 + 3 − 2 + .ב ; + − .א 5 2 s s s s s (s + 1) + 9 s − 6 s 1 1 4 − s2 1 1 s .− − 2 + 2 .ג .; ד − 2 s (s + 4)2 2 s s2 + 4 .2 . 1 + e−πs .ב s2 + 1 ;e−2s 2s + 1 s2 .א . ו ד. ג,. ב.3 .4 ;−3e−x +ex (cos 2x + sin 2x) .ד 1 2 ;6e−5x −e−2x −4ex .ג .6e−2x + 1 − 23 x2 ()ז ; e−2x sin 2x .ב ;−e−3x + 2xe−3x + 6e−x .ו ; 16 ex x3 .א ;e−x sin x .ה .6 . sin x .ד x ; e2x − e−5x .ג x ; 21 (−x cos x + sin x) .ב ;e −x ; 12 et − 35 e2t − 103 sin t + 101 cos t .ג ; 21 x sin x .א ;t2 + cos t − sint .7 + cos x + sin x .8 .9 x sin x 2 ;3tet − 74 et − 37 e−6t .; בcos t − 4e5t + 8e2t .א 1 −t 3 −t 28 2t e − 65 e−t − 13 e sin 2t + 26 e cos 2t .ד ;y(t) = 39 √ √ √ .y(t) = 253 et cos 2t + 254 et sin 2t + 7756 sin( 6t) − 253 cos( 6t) .ה .10 ;u(t − 3) [1 − cos(t − 3)] + sin t .א ;u(t − 2) [(t − 2) − 3 sin(t − 2)] + sin t .ב .e−2t − e−3t + u(t − 2) − 19 + 13 (t − 2) + 91 e−3(t−2) .ג 6 .11 1 x 2 1 + e − cos 2x + sin 2x 2 1 3π 3π 3π (x− 3π ) 2 ) 1+e )) + sin(2(x − )) − cos(2(x − +2u(x − 2 2 2 2 .12 .א 3 [− cos 2t + 1] + u(t − 2) [cos(2(2t − 2)) − 1] 4 +2u(t − 5) [− cos(2(2t − 5)) + 1] .ב 1 1 [− cos 2t + 1] + u(t − 1) [cos(2(t − 1)) − 1] 4 2 1 + u(t − 2) [− cos(2(t − 2)) + 1] 4 אך נגזרת שניה אינה, הפונקציה ונגזרותיה רציפות. הפתרון של סעיף ב׳:1 איור .קיימת בנקודות התפר .ג . 1 u(t − 1) (t − 1) − 9 1 + u(t − 3) (t − 3) − 9 1 −2 1 sin(3(t − 1)) + u(t − 2) (t − 2) − sin(3(t − 2) 3 9 3 1 sin(3(t − 3) 3 7 .13 .א 3 cos 2t + sin 2t 2 1 1 + sin t − sin 2t − 5 2 3 = cos 2t + sin 2t 2 1 1 + sin t − sin 2t − 5 2 1 1 u(t − 2π) sin(t − 2π) − sin(2(t − 2π)) 5 2 1 1 u(t − 2π) sin t − sin 2t 5 2 .ב e−2t − e−3t 1 3 1 + (t − 1) + e−2(t−1) − + u(t − 1) 36 6 4 3 14 4 − (t − 5) − e−2(t−5) + + u(t − 5) 36 6 2 4 −3(t−1) e 9 7 −3(t−5) e 9 .14 ;u(t − π) sin(t − π) .א ;e−t (cos t + 2 sin t) + u(t − π)e−(t−π) sin(t − π) .ב .et + e−3t + 41 u(t − 1) e(t−1) − e−3(t−1) − 41 u(t − 2) e(t−2) − e−3(t−2) .ג ;y(t) = 8 sin t, 2 sin t, .15 0 ≤ t ≤ 2π 2π < t .א איור :2הפתרון של סעיף א׳ .הפונקציה הפתרון רציף אך הנגזרת לא קיימת בנקודת התפר .האמפליטודה מוכפלת בנקודת אי הגזירות . ב. 0 ≤ t ≤ π/2 π/2 < t sin t, √ 2 sin(t − π/4), = ).y(t איור :3הפתרון של סעיף ב׳ .הפונקציה הפתרון רציף אך הנגזרת לא קיימת בנקודת התפר .16 π 2 . <0≤t π ≤t 2 cos 3t, 2 cos 3t, = )x(x .18 א;2te − e + 0 e (t − s)g(s)ds . t−s Rt t בe−2(t−s) sin(t − s)g(s)ds . .19 א; 61 sin t − 13 sin 2t . t Rt 0 .e−2t (cos t + 3 sin t) + ב;1 − cos t . ג;2e5t − 2e−2t . 9 ד. 2t sin t .