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author | Andreas Müller <andreas.mueller@othello.ch> | 2021-12-27 23:42:11 +0100 |
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committer | Andreas Müller <andreas.mueller@othello.ch> | 2021-12-27 23:42:11 +0100 |
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-rw-r--r-- | buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/504.tex | 79 |
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diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/504.tex b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/504.tex new file mode 100644 index 0000000..47cf2dc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/504.tex @@ -0,0 +1,79 @@ +Lösen Sie die Differentialgleichung $y''+y=0$ der trigonometrischen +Funktionen mit Hilfe eines Potenzreihenansatzes. +Finden Sie Lösungen $s(t)$ mit $s(0)=0$ und $s'(0)=1$ und +$c(t)$ mit $c(0)=1$ und $c'(0)=0$. + +\begin{loesung} +Die Ableitungen des Potenzreihenansatzes +\begin{align*} +y(x) +&= +\sum_{k=0}^\infty a_kx^k +\intertext{hat die Ableitungen} +y'(x)&=\sum_{k=1}^\infty ka_kx^{k-1} +& +y''(x)&=\sum_{k=2}^\infty k(k-1)a_kx^{k-2} += +\sum_{k=0}^\infty (k+1)(k+2)a_{k+2}x^k +\end{align*} +Eingesetzt in die Differentialgleichung ergibt sich +\[ +y''(x) + y(x) += +\sum_{k=0}^\infty a_kx^k ++ +\sum_{k=0}^\infty (k+1)(k+2)a_{k+2}x^k += +\sum_{k=0}^\infty \bigl(a_k + (k+1)(k+2)a_{k+2}\bigr)x^k. +\] +Koeffizientenvergleich ergibt die Rekursionsformel +\[ +a_{k+2} = -\frac{1}{(k+1)(k+2)}a_k +\] +für die Koeffizienten $a_k$. +Die Koeffizienten $a_0$ und $a_1$ sind bestimmt durch die Anfangsbedingungen +festgelegt. + +Für die Funktion $s(t)$ ist $a_0=s(0)=0$ und $s'(0)=a_1=1$, daraus ergeben sich +die Koeffizienten +\begin{align*} +a_0&=0\\ +a_1&=1\\ +a_2&=-\frac{1}{1\cdot 2}a_0=0\\ +a_3&=-\frac{1}{2\cdot 3}a_1=-\frac{1}{3!}\\ +a_4&=-\frac{1}{3\cdot 4}a_2=0\\ +a_5&=-\frac{1}{4\cdot 5}a_1 = \frac{1}{3!\cdot4\cdot 5}=\frac{1}{5!}\\ + &\vdots +\end{align*} +also +\[ +s(t) = 1 - \frac{t^3}{3!} + \frac{t^5}{5!} - \dots += +\sin t. +\] + +Für die Funktion $c(t)$ ist $a_0=c(0)=1$ und $a_1=c'(0)=0$, daraus ergeben +sich die Koeffizienten +\begin{align*} +a_0&=1\\ +a_1&=0\\ +a_2&=-\frac{1}{1\cdot 2}a_1 = -\frac{1}{2!}\\ +a_3&=-\frac{1}{2\cdot 3}a_2 = 0\\ +a_4&=-\frac{1}{3\cdot 4}a_3 = \frac{1}{2!\cdot 3 \cdot }=\frac{1}{4!}\\ +a_5&=-\frac{1}{4\cdot 5}a_4 = 0\\ +a_6&=-\frac{1}{5\cdot 6}a_5 = -\frac{1}{4!\cdot 5\cdot 6} = -\frac{1}{6!} \\ + &\vdots +\end{align*} +und damit +\[ +c(t) += +1-\frac{t^2}{2!} + \frac{t^4}{4!} - \frac{t^6}{6!} + \dots += +\cos t. +\qedhere +\] +\end{loesung} + + + |