SPIS TREŚCI 1. Równania II rzędu

Podobne dokumenty
Repetytorium z analizy i rachunku całkowego funkcji wielu zmiennych. Wiadomości wstępne.

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

SPIS TREŚCI 1. Równania falowe. Spis treści. 1 Przykładowe rozwiązania 2. 2 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego 12

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Metoda rozdzielania zmiennych

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

Układy równań i równania wyższych rzędów

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Wstęp do równań różniczkowych

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Równanie przewodnictwa cieplnego

Wstęp do równań różniczkowych

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Wiele obiektywnych prawidłowości przyrodniczych udaje się zapisać w postaci równości formalnej

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

1 Równania różniczkowe zwyczajne

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

Definicje i przykłady

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Analiza Matematyczna MAEW101

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

P (x, y) + Q(x, y)y = 0. g lym w obszrze G R n+1. Funkcje. zania uk ladu (1) o wykresie przebiegaja

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

7 Twierdzenie Fubiniego

1 Relacje i odwzorowania

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Całka podwójna po prostokącie

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

3.1 Zagadnienie brzegowo-początkowe dla struny ograniczonej. = f(x, t) dla x [0; l], l > 0, t > 0 (3.1)

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Równania różniczkowe cząstkowe. Wojciech Szewczuk

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu, cd

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

x y = 2z. + 2y, z 2y df

Funkcje dwóch zmiennych

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

ELEKTROTECHNIKA Semestr 1 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: (3 + 2j)(5 2j),

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni 45 30

Metody iteracyjne dla hiperbolicznych równań różniczkowo-funkcyjnych

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Całki nieoznaczone

Spis treści Wstęp Pojęcia podstawowe Struna nieograniczona Metoda Fouriera dla równań hiperbolicznych Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

Zestaw zadań przygotowujących do egzaminu z Matematyki 1

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE zadania z odpowiedziami

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Wstęp do chemii kwantowej - laboratorium. Zadania

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

ANALIZA MATEMATYCZNA

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

(8) Oblicz wyznacznik dowolnie wybranej macierzy stopnia czwartego. (9) Rozwi aż podany układ równań stosuj ac wzory Cramera:

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Elementy równań różniczkowych cząstkowych

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

Matematyka A, klasówka, 24 maja zania zadań z kolokwium z matematyki A w nadziei, że pope lni lem wielu b le. rozwia

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

Zadania z analizy i algebry. (wykład prof.prof. J. Wojtkiewicza i K. Napiórkowskiego) ALGEBRA, przestrzenie wektorowe

Równania różniczkowe zwyczajne zadania z odpowiedziami

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

In the paper we describe how to introduce the trigonometric functions using their functional characteristics and the Eisenstein series.

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

ZASTOSOWANIE RACHUNKU OPERATORÓW MIKUS- IŃSKIEGO W PEWNYCH ZAGADNIENIACH DYNAMIKI KONSTRUKCJI

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Transkrypt:

SPIS TREŚCI 1 Równania II rzędu Spis treści 1 Równania rzędu drugiego 2 1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego............... 2 1.2 Warunki początkowe.................................. 7 1.3 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego...................... 11 2 Metoda rozdzielania zmiennych Fouriera 14 2.1 Szeregi Fouriera - repetytorium do ćwiczenia samodzielnego............. 14

1 Równania rzędu drugiego 2 1 Równania rzędu drugiego 1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego Zadanie 1.1. Określić typy poniższych równań. a)yu xx u yy =0. Równanie to można sklasyfikować dwiema metodami: za pomoca wyróżnika cześci głównej lub wartości własnych macierzy A oelementachbed acych współczynnikami cześci głównej. Zauważmy najpierw, że równanie to składa sie tylko z cześci głównej. Określmy macierz y 0. 0 1 Wtedy det(a λi )=(y λ)( 1 λ). Zatem wartościami własnymi sa λ 1 = y i λ 2 = 1. Wynika stad, że równanie jest hiperboliczne, gdy y > 0, eliptyczne dla y < 0 iparaboliczne dlay = 0, x R. Gdybyśmy policzyli natomiast wyróżnik cześci głównej: b 2 ac, to otrzymamy =0 2 y( 1) = y. Widać wiec, że znak zależy tylko od y i otrzymujemy ten sam wynik. b)4u xx +2u yy 6u zz +6u xy +10u xz +4u yz +2u =0. Zauważmy, że cześć główna, to 4u xx +2u yy 6u zz +6u xy +10u xz +4u yz,wiecmacierza ma postać: 4 3 5 3 2 2. 5 2 6 Wartościamiwłasnymisa rozwiazania równania det(a λi )=0,czyli 4 λ 3 5 3 2 λ 2 =0, 5 2 6 λ

1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego 3 Równanie to jest wi ec niesklasyfikowane. λ(66 λ 2 )=0, λ 1 =0, λ 2 = 66, λ 3 = 66. Zadanie 1.2. Sprowadzić poniższe równanie do postaci kanonicznej: u xx +2u xy +5u yy 32u =0. Łatwo zauważamy, że wyróżnik cześci głównej =2 2 1 5= 1, wiec równanie jest eliptyczne. Równanie charakterystyk Fx 2 +2F xf y +5Fy 2 =0 nie posiada rozwiazań w dziedzinie rzeczywistej, bo = 16Fy 2, alemożemyjerozwiazać w dziedzinie zespolonej. Wtedy funkcja F spełniajaca F x = 2F y ± 4F y i 2 2 =( 1 ± 2i)F y jest funkjca zespolona F = φ + iψ, gdzieφ i ψ sa już rzeczywiste. Dostajemy wiec równanie F x +(1 2i)F y =0, dla którego szukamy zespolonej całki pierwszej układu: x = 1, y = 1 2i. Jest nia F (x, y) =( 1+2i)x + y, czyli φ(x, y) = x + y, ψ(x, y) =2x. Stosujemy wieczamian e zmiennych: ξ = φ(x, y) = x + y, η = ψ(x, y) =2x. Stad mamykolejno u x = v ξ ξ x + v η η x = v ξ ( 1) + v η 2=2v η v ξ, u y = v ξ ξ y + v η η y = v ξ 1+v η 0=v ξ, u xx =2v ηξ ξ x +2v ηη η x v ξξ ξ x v ξη η x = =2v ηξ ( 1) + 2v ηη 2 v ξξ ( 1) v ξη 2=4v ηη + v ξξ 4v ξη, u xy = v ξξ ξ x + v ξη η x = v ξξ ( 1) + v ξη 2=2v ξη v ξξ, u yy = v ξξ ξ y + v ξη η y = v ξξ.

1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego 4 Po wstawieniu do równania dostajemy: 4v ηη + v ξξ 4v ξη +2(2v ξη v ξξ )+5v ξξ 32u =0, 4v ξξ +4v ηη 32u =0, v ξξ + v ηη 8v =0 i jest to szukana postać kanoniczna. Zadanie 1.3. Znaleźć najprostsza postać kanoniczna dla równania: u xx 2u xy + u yy +9u x +9u y 9u =0. Ponieważ =0,wiec równanie jest w całej płaszczyźnie paraboliczne. Równaniem charakterystyk jest Fx 2 2F xf y + Fy 2 =0, (F x F y ) 2 =0, F x F y =0. Znajdziemy całke pierwsza układu: x = 1, y = 1. Jest nia φ(x, y) =x + y. Możemy teraz zastosować zamiane zmiennych ξ = φ(x, y), η = ψ(x, y), gdzie ψ jest dowolna funkcja klasy C 2 owłasności: det φ x ψ x φ y ψ y 0. Możemy wiecwzi ać funkcje ψ(x, y) =x. Wtedy rzeczywiście det φ x φ y 1 1 = = 1 0. 1 0 ψ x ψ y

1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego 5 Zatem stosujemy zamiane zmiennych: ξ = x + y, η = x. W nowych zmiennych mamy u x = v ξ ξ x + v η η x = v η + v ξ, u y = v ξ ξ y + v η η y = v ξ, u xx =2v ηξ ξ x +2v ηη η x v ξξ ξ x v ξη η x = v ηη + v ξξ +2v ξη, u xy = v ξξ ξ x + v ξη η x = v ξη + v ξξ, u yy = v ξξ ξ y + v ξη η y = v ξξ, wiec równanie przyjmuje postać: v ηη +18v ξ +9v η 9v =0. (1) Jest to oczywiście postać kanoniczna, ale czasami można jeszcze wprowadzić nowa zamiane zmiennych, aby jeszcze bardziej te postać uprościć. Funkcja v przyjać możewtedypostać: v(ξ, η) =e λξ+µη w(ξ, η). Różniczkujemy kolejno: v ξ = e λξ+µη λ w + e λξ+µη w ξ, v η = e λξ+µη µ w + e λξ+µη w η, v ηη = µ 2 e λξ+µη w +2µe λξ+µη w η + e λξ+µη w ηη. Obliczone pochodne wstawiamy do równania (1) i otrzymujemy (po skróceniu przez e λξ+µη ): w ηη +(2µ +9)w η +18w ξ +(µ 2 +18λ +9µ 9)w =0. Należy teraz tak dobrać µ i λ, by jak najwiecej współczynników przy pochodnych czastkowych znikało. Rozwiazuj ac układ równań: 2µ +9=0, µ 2 +18λ +9µ 9=0, dostajemy: Zatem ostatecznie przy podstawieniu µ = 9 2, λ = 25 2. v(ξ, η) =e 25 2 ξ 9 2 η otrzymujemy: w ηη +18w ξ =0 i to jest najprostsza postać wyjściowego równania.

1.1 Klasyfikacja i postać kanoniczna równań rzędu drugiego 6 Zadanie 1.4. Sprowadzić poniższe równanie do postaci kanonicznej i znaleźć jego rozwiazanie (o ile sie da): u xx +4cos2xu xy 4sin 2 2xu yy 4sin2xu y =0. Ponieważ wyróżnik > 0 w całej płaszczyźnie, wiec równanie jest hiperboliczne. Równanie charakterystyk: Fx 2 +4cos2xF xf y 4sin 2 2xFy 2 =0 można zapisać w postaci iloczynowej (F x +(2cos2x +2)F y )(F x (2 2cos2x)F y )=0. Wystarczy wiec znaleźć po jednej całce pierwszej dla układów: x = 1, x = 1, y = 2cos2x +2, y = (2 2cos2x). Te całki to: φ(x, y) =y sin 2x 2x i ψ(x, y) =y sin 2x +2x. Możemy zastosować zamiane zmiennych ξ = y sin 2x 2x i η = y sin 2x +2x. W tych nowych zmiennych pochodne czastkowe funkcji u sa nastepuj ace: u x = v ξ ξ x + v η η x = v η (2 2cos2x)+v ξ ( 2 2cos2x), u y = v ξ ξ y + v η η y = v ξ + v η, u xx =(v ξξ ξ x + v ξη η x )( 2 2cos2x)+v ξ (4 sin 2x)+(v ηξ ξ x + v ηη η x )(2 2cos2x)+ +v η (4 sin 2x) =v ξξ (2 + 2 cos 2x) 2 + v ξη ( 8+8cos 2 2x)+ +v ηη (2 2cos2x) 2 + v ξ (4 sin 2x)+v η (4 sin 2x), u yx = v ξξ ξ x + v ξη η x + v ηξ ξ x + v ηη η x = = v ξξ ( 2 2cos2x)+v ξη ( 4cos2x)+v ηη (2 2cos2x), u yy = v ξξ ξ y + v ξη η y + v ηξ ξ y + v ηη η y = v ξξ +2v ξη + v ηη. Po wstawieniu ich do równania i wykonaniu redukcji otrzymujemy prosta postać v ξη =0. Jego rozwiazaniem jest v(ξ, η) =f (ξ)+g(η). Aby v C 2, musi być f, g C 2. Ostatecznie, dowolne rozwiazanie wyjściowego równania ma postać: u(x, y) =f (y sin 2x 2x)+g(y sin 2x +2x).

1.2 Warunki początkowe 7 1.2 Warunki początkowe Zadanie 1.5. Rozwiazać równanie z warunkami u xx +2cosxu xy sin x u yy sin xu y =0 u(x,sinx) =x +cosx, u y (x,sinx) =sinx. (2) Łatwo sprawdzamy, że równanie jest hiperboliczne, wi ec równanie charakterystyk: F 2 x +2cosxF xf y sin 2 xf 2 y =0 można zapisać w postaci iloczynowej (F x ( cos x 1)F y )(F x ( cos x 1)F y )=0. Wystarczy wi ec znaleźć po jednej całce pierwszej dla układów: x = 1, x = 1, y = cosx +1, y = cosx 1. Te całki to: φ(x, y) =y sin x x i ψ(x, y) =y sin x +x. Możemy zastosować zamiane zmiennych ξ = y sin x x i η = y sin x + x. W tych nowych zmiennych pochodne czastkowe funkcji u sa nastepuj ace: u x = v ξ ( cos x 1) + v η ( cos x +1), u y = v ξ + v η, u xx = v ξξ ( cos x 1) 2 + v ξη 2( 1+cos 2 x)+v ηη ( cos x +1) 2 + v ξ (sin x)+v η (sin x), u yx = v ξξ ( cos x 1) + v ξη ( 2cosx)+v ηη ( cos x +1), u yy = v ξξ +2v ξη + v ηη. Po wstawieniu do równania otrzymujemy v ξη =0, wiec v(ξ, η) =f (ξ)+g(η), gdzie f, g C 2, i po powrocie do zmiennych x, y u(x, y) =f (y sin x x)+g(y sin x + x).

1.2 Warunki początkowe 8 Wykorzystamy teraz warunki (2): x +cosx = u(x,sinx) =f (sin x sin x x)+g(sin x sin x + x) =f ( x)+g(x), sin x = u y (x,sinx) =1 f (sin x sin x x)+1 g (sin x sin x + x) =f ( x)+g (x). Dostajemy wi ecukład x +cosx = f ( x)+g(x), sin x = f ( x)+g (x). (3) Po zróżniczkowaniu pierwszego równania tego układu, otrzymujemy nowy z którego wyznaczamy 1 sin x = f ( x)+g (x), sin x = f ( x)+g (x), g (x) = 1 2, f ( x) = 1 2 2sinx. Po scałkowaniu, uzyskujemy poszukiwane funkcje f i g : 1 g(x) = 2 dx = 1 2 x + C 1, C 1 R, f ( x) = ( 1 ) 2 +sinx dx = 1 2 x cos x + C 2, C 2 R. Wykorzystamy teraz pierwsze równanie układu (3), aby wyznaczyć stałe C 1, C 2. Ponieważ f ( x)+g(x) =C 1 + C 2 cos x, wi ec C 1 + C 2 cos x = x +cosx, C 1 + C 2 = x +2cosx. Znalezione funkcje f i g wstawiamy teraz do rozwiazania u : u(x, y) = 1 2 (y sin x x) cos(y sin x x)+c 2 + 1 2 (y sin x + x)+c 1, czyli jest szukana postacia funkcji u. u(x, y) =x + y +2cosx sin x cos(y sin x x)

1.2 Warunki początkowe 9 10 5 4 4 2 y x 2 5 2 4 4 10 Rozwiązanie problemu początkowego Zadanie 1.6. Rozwiazać równanie e y u xy u yy + u y =0 z warunkami poczatkowymi: u(x,0)= 1 2 x 2, (4) u y (x,0)= sin x. (5) Równanie to ma już praktycznie postać kanoniczna. Zatem,byjerozwiazać, wystarczy wykonać podstawienie u y = w. Wtedy dostajemy równanie e y w x w y + w =0, które jest pierwszego rz edu. Znajdziemy wi ec dwie całki pierwsze układu x = e y, y = 1, w = w. Całkujemy drugie równanie, aby uzyskać y(t) = t + A, A R. Uzyskany wynik wstawiamy do pierwszego równania i również całkujemy: x (t) =e t+a,

1.2 Warunki początkowe 10 Zotrzymanychx i y rugujemy parametr t: x(t) = e t+a + B, B R. x + e y = B, zatem szukana całka pierwsza jest ψ 1 (x, y, w) =x + e y. Rozwiażmy teraz trzecie równanie układu. Jest to równanie o rozdzielonych zmiennych, a jego rozwiazaniem jest w(t) =Ce t, C R. Z w i uzyskanego poprzednio x znowu rugujemy parametr t: we y = Ce A, zatem druga całka pierwsza jest ψ 2 (x, y, w) =we y. Rozwiazaniedanejestwi ec w postaci uwikłanej Φ(ψ 1, ψ 2 )=0,czyli Φ(x + e y, we y )=0. Zauważmy, że spełnione sa założenia twierdzenia o funkcji uwikłanej, wiec czyli we y = f (x + e y ), w = e y f (x + e y ), przy czym o funkcji f należy założyć, że jest klasy C 1. Ponieważ u y = w, to z warunku (5) mamy co daje postać funkcji f (t) = sin(t 1). Stad sin x = u y (x,0)=f (x +1), u y = e y sin(x 1+e y ). Całkujac ten wynik względem zmiennej y, otrzymamy u(x, y) =cos(x 1+e y )+D(x), D C 2. Postać funkcji D możemy wyznaczyć teraz z warunku (4): czyli Ostatecznie rozwiazaniem równania jest 1 2 x 2 = u(x,0)=cosx + D(x), D(x) = 1 2 x 2 cos x. u(x, y) =cos(x 1+e y ) cos x 1 2 x 2.

1.3 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego 11 8 6 4 x 4 2 y 2 4 4 6 8 2 4 6 8 10 12 14 Rozwiązanie problemu początkowego 1.3 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego 1. Sprowadzić nastȩpuja ce równania do najprostszej postaci kanonicznej: (i) u xx +4u xy +10u yy 24u x +42u y +2(x + y) =0, (ii) 9u xx 6u xy + u yy +10u x 15u y 50u + x 2y =0, (iii) u xx 4u xy +5u yy 3u x + u y + u =0, (iv) u xx 6u xy +9u yy u x +2u y =0, (v) 2u xy 4u yy + u x 2u y + u + x =0, (vi) u xy +2u yy u x +4u y + u =0, (vii) 2u xx +2u xy + u yy +4u x +4u y + u =0, (viii) u xx +2u xy + u yy +3u x 5u y +4u =0, (ix) 2 u +2 2 u 3 2 z +2 u x 2 x y x 2 x +6 u =0, y (x) 2 u 2cosx 2 u (3 + x 2 x y sin2 x) 2 z y u =0, x 2 y (xi) y 2 2 u +2xy 2 u +2x2 2 z + y u =0, x 2 x y x 2 y (xii) tg 2 x 2 u 2ytgx 2 u + y 2 2 z +tg 3 x u =0, x 2 x y x 2 x (xiii) y 2 u + 2 z =0, x 2 x 2 (xiv) x 2 2 u +2xy 2 u 3y 2 2 z 2x u u +4y +16x4 u =0, x 2 x y x 2 x y (xv) (1 + x 2 ) 2 u +(1+y 2 ) 2 z + x u + y u =0, x 2 x 2 x y (xvi) sin x 2 u 2y sin x 2 u + y 2 2 z =0. x 2 x y x 2

1.3 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego 12 Pierwsze dziewiȩć równań, to równania o stałych współczynnikach. 2. Znaleźć rozwia zania ogólne równań: (i) 2 u 2sinx 2 u x 2 x y cos2 x 2 z cos x u =0, x 2 y (ii) x 2 u y 2 z + 1( u u )=0, x > 0, y > 0, x 2 x 2 2 x y (iii) x 2 u xx y 2 u yy 2yu y =0, (iv) x 2 u xx 2xyu xy + y 2 u yy + xu x + yu y =0, (v) 2 u (x )=x2 2 z, x x x 2 (vi) (x y) 2 u u + u =0, x y x y (vii) ( ) x 2 2 u +2xy 2 u + y 2 2 z +2yz 2 u + z 2 2 u +2zx 2 u =0, x 2 x y x 2 y z z 2 z x (viii) ( ) 4 u 2 4 u + u =0. x 4 x 2 y 2 y 4 3. Znaleźć obszary hieperboliczności, eliptyczności i paraboliczności, a także ogólne (o ile istnieje) rozwia zanie równań: (i) (1 x 2 )u xx 2xyu yx (1 + y 2 )u yy 2xu x 2yu y =0, (ii) (x 2 1)u xx +2xyu xy +(1+y 2 )u yy +2xu x +2yu y =0. 4. ( ) Pokazać, że ogólne rozwia zanie równania: 1 2 u a 2 t = 2 u 2 x + 2 u 2 x x n(n +1) u x 2 ma postać: ( ) n ( ) 1 u = x n φ(x at)+θ(x + at), x x x gdzie φ i θ sa dowolnymi odpowiednimi (jednej zmiennej, odpowiedniej klasy) funkcjami. 5. Znaleźć ogólne rozwia zanie równania: 2 u x y 2 u x y x + 3 u x y y 3 (x y) u =0. 2 6. Rozwia zać nastȩpuja ce zagadnienia Cauchy ego: (i) 4y 2 u xx +2(1 y 2 )u xy u yy 2y (2u 1+y 2 x u y )=0, u(x, y) y=0 = ϕ(x), u y (x, y) y=0 = ψ(x), (ii) u xx 2u xy +4e y =0, u(0, y) =ϕ(y), u x (0, y) =ψ(y), (iii) 3u xx 4u xy + u yy 3u x + u y =0, u(x,0)=ϕ(x), u y (x,0)=ψ(x), (iv) e y u xy u yy + u y =0, u(x,0)= 1x 2, u 2 y (x,0)= sin x, (v) u xx 2sinxu xy (3 + cos x )u yy cos xu y =0, u(x cos x) =sinx, u y (x,cosx) = 1 2 ex,

1.3 Zestaw zadań do ćwiczenia samodzielnego 13 (vi) u xx 2sinxu xy (3+cos 2 x)u yy +u x +(2 sin x cos x)u y =0, u(x,cosx) =0,u y (x,cosx) = e x 2 cos x, (vii) u xx +2 sin xu xy cos 2 xu yy +u x +(sin x+cos x+1)u y =0, u(x, cos x) =1+2sinx, u y (x, cos x) = sin x, (viii) 4y 2 u xx +2(1 y 2 )u xy u yy 2y (2u 1+y 2 x u y )=0, u(x,0)=ϕ 0 (x), u y (x,0)=ϕ 1 (x), (ix) u xx +4sinxu xy 4cos 2 xu yy +2cosxu y =0, u(x, 2cosx) =16x 3, u y (x, 2cosx) =16x. 7. Znaleźć wszystkie charaketrystyki równania drgań struny: u xx u tt =0. 8. Określić powierzchnie charakterystyczne drugiego rzȩdu dla równania drgań membrany: u x1 x 1 + u x2 x 2 u tt =0. 9. Znaleźć wszystkie płaszczyzny charakterystyczne równania falowego: u x1 x 1 + u x2 x 2 + u x3 x 3 u tt =0. 10. Funkcja u(x, t) o cia głych pochodnych cza stkowych trzeciego rzȩdu jest rozwia zaniem równania Wykazać, że równanie to spełnia także funkcja: u XX u tt =0. v(x, t) = u u x t. 11. Wykazać, że wraz z funkcja u(x, t) rozwia zaniem równania u XX u tt =0 sa i funkcje: (i) xu x + tu t,

2 Metoda rozdzielania zmiennych Fouriera 14 (ii) ux 2 + ut 2, u (iii) t, u 2 ux 2 ut 2 x u2 t. 12. Wykazać, że najogólniejsze rozwia zanie równania zależne tylko od r i t ma postać: u x1 x 1 + u x2 x 2 + u x3 x 3 u tt =0 u(r, t) = f 1(r + t) r + f 2(r t), r 0, r gdzie r 2 = x1 2 + x2 2 + x3 2, a f 1 i f 2 sa dowolnymi funkcjami dwukrotnie różniczkowalnymi w sposób cia gły (rozwia zania te nazywamy falami sferycznymi). 2 Metoda rozdzielania zmiennych Fouriera 2.1 Szeregi Fouriera - repetytorium do ćwiczenia samodzielnego 13. Znaleźć szereg Fouriera funkcji 2π-okresowej, która na przedziale π, π) dana jest wzorem f (x) =x. Zbadać jej zbieżność. Obliczyć wartość szeregu dla x = π. 2 14. Znaleźć szereg Fouriera funkcji 2π-okresowej, która na przedziale 0, 2π) jest określona g(x) = ) 2. Zbadać jej zbieżność. ( π x 2 15. Rozwina ć w szereg Fouriera funkcjȩ f (x) =sin3x na przedziale 0, 2π ). Zbadać zbieżność. 3 16. Funkcjȩ g(x) =sinx przedstawić w postaci sumy szeregu a 0 + n=1 a n cos nx na przedziale (0, π). 17. Co należy założyć o funkcji f :[0,l] R, aby można ja było przedłużyć do funkcji: (i) nieparzystej na przedział [ l, l], anastȩpnie okresowo (o okresie 2l) nar do funkcji klasy C 1, C 2, C k, (ii) parzystej i dalej j.w.

BIBLIOGRAFIA 15 18. Załóżmy, że dana jest funkcja f C p (R) ookresie2a oraz a n = 1 a a a f (t)sin nπ a tdt, b n = 1 a a a f (t)cos nπ a tdt. (i) Wykazać, że: a n A, b n p n B, gdzie A, B sa pewnymistałymi. n p (ii) Wykazać, że szereg b 0 2 + n=1 (a n sin nπ t + b a n cos nπ t) jest jednostajnie zbieżny do funkcji f na a przedziale ( a, a). Co trzeba założyć o p? (iii) Co trzeba założyć o p, aby szereg z poprzedniego podpunktu był dwukrotnie różniczkowalny wyraz po wyrazie, a tym samym funkcja wyrażona poprzez ten szereg była klasy C 2?Cotrzeba założyć o p, bytafunkcjabyłaklasyc p? Bibliografia [1] W. I. Arnold, Metody matematyczne mechaniki klasycznej, PWN, Warszawa 1981. [2] W. I. Arnold, Równania różniczkowe zwyczajne, PWN, Warszawa 1975. [3] W. I. Arnold, Teoria równań różniczkowych, PWN, Warszawa 1983. [4] A. W. Bicadze, Równania fizyki matematycznej, PWN, Warszawa 1984. [5] A. W. Bicadze, D. F. Kaliniczenko, Zbiór zadań z równań fizyki matematycznej, PWN, Warszawa 1984. [6] P. Biler Prof. dr hab.- redakcja naukowa, Warsztaty z równań różniczkowych czastkowych, Toruń 2003. [7] Birkholc A. Analiza matematyczna. Funkcje wielu zmiennych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002. [8] D. Bleecker, G. Csordas, Basic Partial Differential Equations, Chapman & Hall, Oxford 1995. [9] L. Evans, Równania różniczkowe czastkowe, PWN, Warszawa 2002. [10] Fichtenholz G.M. Rachunek różniczkowy i całkowy, PWN, Warszawa 1980. [11] J. Jost, Postmodern Analysis, Springer-Verlag,Berlin-Heidelberg-New York 2002. [12] W. Kołodziej, Wybrane rozdziały analizy matematycznej, PWN, Warszawa 1982. [13] H. Marcinkowska, Wstep do teorii równań różniczkowych czastkowych, PWN, Warszawa 1972. [14] J. Musielak, Wst ep do analizy funkcjonalnej, PWN, Warszawa 1976. [15] Ockendon J., Howison S., Lacey A., Movxhan A., Applied Partial Differential Equations, Oxford University Press, 2003.

BIBLIOGRAFIA 16 [16] J. Ombach, Wykłady z równań różniczkowych wspomagane komputerowo -Maple, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 1999. [17] B. Przeradzki, Równania różniczkowe czastkowe. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 2000. [18] B. Przeradzki, Teoria i praktyka równań różniczkowych zwyczajnych, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 2003. [19] M. M. Smirnow, Zadania z równań różniczkowych czastkowych, PWN, Warszawa 1970. [20] P. Strzelecki, Krótkie wprowadzenie do równań różniczkowych czastkowych, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2006. [21] B. W. Szabat, Wstęp do analizy zespolonej, PWN, Warszawa 1974. [22] Whitham G.B., Lecture notes on wave propagation, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1979. [23] Zauderer, Partial Differential Equations of Applied Mathemathics, John Wiley & Sons, Singapore-New York- Chichester-Brisbane-Toronto 1989.