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Esercizi sui sistemi differenziali

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Academic year: 2021

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(1)

Esercizi sui sistemi differenziali

Risolvere i seguenti problemi di Cauchy con l’uso delle trasformate di Laplace:

1.

(

y10 + y1+ y2 = e2x

y20 − y1− 2y2 = (3− x)e−x , y1(0) = y2(0) = 0.

2.

(y10 = y1− 2y2+ ex

y20 = y1− y2− x , y1(0) = 1, y2(0) = 0.

3.





x0 = x− y y0 = x− z z0 = x

, x(0) = y(0) = 1, z(0) = 0.

4.





x0 = x + y y0 =−x + 3y z0 =−z

, x(0) = 1, y(0) = 2, z(0) = 1.

5.

(

x00− y0 = 0

y00+ y0 + x0 = 2e−tsin t , x(0) =−1, x0(0) = y(0) = 2, y0(0) =−2.

6.

(

x00= y + t

y00 = x + 1 , x(0) = x0(0) = 0, y(0) = 1, y0(0) =−1.

7.

(

x00− x0− 2y0 = e−t

y00− x0 = 0 , x(0) = 0, x0(0) = y(0) = y0(0) = 1.

8.

(

x00− 2y0 = sin t

y00+ x0 = 6e−2t− 2 , x(0) = y(0) = 0, x0(0) = 1, y0(0) =−2

Svolgimento:

( 1)

sF1(s) + F1(s) + F2(s) = s−21

sF2(s)− 2F2(s)− F1(s) = s+13 (s+1)1 2

=

((s + 1)F1(s) + F2(s) = s−21 (s− 2)F2(s)− F1(s) = (s+1)3s+22

= (

F2(s) = s−21 − (s + 1)F1(s)

1− (s + 1)(s − 2)F1(s)− F1(s) = (s+1)3s+22

= (

. . .

1(s+1)3s+22 = (s2− s − 1)F1(s) = (. . .

F1(s) = (s+1)1 2

=

(F2(s) = s−21 s+11 F1(s) = (s+1)1 2

= (

y2(x) = e2x − e−x y1(x) = xe−x.

1

(2)

( 2)

sF1(s)− 1 = F1(s)− 2F2(s) + s−11

sF2(s) = F1(s)− F2(s)−s12 = (

(s− 1)F1(s) + 2F2(s) = 1 + s−11 F1(s) = (s + 1)F2(s) + s12

= (

(s2− 1)F2(s) +ss−12 + 2F2(s) = s−1s F1(s) = (s + 1)F2(s) +s12

= (

F2(s)(s2+ 1) = s−1s ss−12

F1(s) = (s + 1)F2(s) + s12

= (F2(s) = s21+1

s3−s2+2s−1 s2(s−1)

. . .

Ponendo s21+1 · s3−ss2(s2+2s−1)−1 = as + sb2 + s−1c +ds+es2+1, si trova b = s3− s2+ 2s− 1

(s2+ 1)(s− 1) |s=0 = 1, c = s3− s2+ 2s− 1

s2(s2 + 1) |s=1 = 1 2 quindi

a

s+ds + e

s2+ 1 = 1 s2+ 1

s3− s2+ 2s− 1 s2(s− 1) 1

s2 1

2(s− 1) = 2s− s4− s2

2s2(s− 1)(s2+ 1) =−s2+ s + 2 2s(s2+ 1). Pertanto,

a =−s2+ s + 2

2(s2+ 1) |s=0=−1, e ds + e

s2+ 1 =−s2+ s + 2 2s(s2+ 1) +1

s = s2− s

2s(s2+ 1) = s− 1 2(s2+ 1). In definitiva,

F2(s) =−1 s + 1

s2 + 1

2(s− 1)+ s− 1

2(s2+ 1) =⇒ y2(x) =−1 + x + 1 2ex+ 1

2(cos x− sin x).

Dalla seconda equazione del sistema si ricava

y1(x) = y20(x)+y2(x)+x = 1+1 2ex1

2sin x−1

2cos x−1+x+1 2ex+1

2cos x−1

2sin x+x = ex−sin x+2x.

3)





sF1(s)− 1 = F1(s)− F2(s) sF2(s)− 1 = F1(s)− F3(s) sF3(s) = F1





s2F3(s)− 1 = sF3(s)− F2(s) sF2(s)− 1 = sF3(s)− F3(s) . . .





(s2 − s)F3(s) = 1− F2(s) (s− 1)F3(s) = sF2(s)− 1 . . .





(s2 − s)F3(s) = 1− F2(s) (s2 − s)F3(s) = s2F2(s)− s . . .



 . . . . . .

1− F2(s) = s2F2(s)− s



 . . . . . .

F2(s) = ss+12+1





(s2 − s)F3(s) = 1− ss+12+1 F2(s) = ss+12+1

. . .





F3(s) = s21+1

F2(s) = ss+12+1

F1(s) = s2s+1





z(t) = sin t

y(t) = sin t + cos t x(t) = cos t.

2

(3)

4)





sF1(s)− 1 = F1(s) + F2(s) sF2(s)− 2 = −F1(s) + 3F2(s) sF3(s)− 1 = −F3





F2(s) = (s− 1)F1(s)− 1

s(s− 1)F1(s)− s − 2 = −F1(s) + 3(s− 1)F1(s)− 3 F3(s) = s+11



 . . .

(s2 − 4s + 4)F1(s) = (s− 1) . . .



 . . .

F1(s) = (ss−2)−12 = s−21 +(s−2)1 2

. . .





F2(s) = (s(s−1)−2)22 − 1 F1(s) = s−21 +(s−2)1 2

F3(s) = s+11





F2(s) = (s2s−2)−32 = s−22 + (s−2)1 2

F1(s) = s−21 +(s−2)1 2

F3(s) = s+11





y(t) = e2t(2 + t) x(t) = e2t(1 + t) z(t) = e−t.

5) Dato cheL[e−tsin t](s) =L[sin t](s + 1) = 1+(s+1)1 2, si ha (s2F1(s) + s− 2 − sF2(s) + 2 = 0

s2F2(s)− 2s + 2 + sF2(s)− 2 + sF1(s) + 1 = 1+(s+1)2 2

(

F2(s) = sF1(s) + 1

(s2+ s)(sF1(s) + 1) + sF1(s) = 2s− 1 + s2+2s+22

(

. . .

(s3+ s2+ s)F1(s) =−s2+ s− 1 + s2+2s+22

(

. . .

F1(s) = s3+s12+s· −ss24+2s+2−s3−s2 =s2+2s+2s

(. . .

F1(s) =−1+(s+1)s 2 =1+(s+1)s+1 2 +1+(s+1)1 2

(F2(s) = 1−s2+2s+2s2 = s2(s+1)2+2s+2 = 21+(s+1)s+1 2

F1(s) =−1+(s+1)s+1 2 +1+(s+1)1 2

(

y(t) = 2e−tcos t

x(t) = e−t(sin t− cos t) 6)(

s2F1(s) = F2(s) +s12

s2F2(s)− s + 1 = F1(s) + 1s (

F2(s) = s2F1(s)− s12

s4F1(s)− 1 − s + 1 = F1(s) +1s (

. . .

(s4− 1)F1(s) = s + 1s (. . .

F1(s) = s(ss24+1−1) = s(s21−1).

Ponendo s(s21−1) = as +s−1b + s+1c si ottiene a =−1, b = c = 12, quindi F1(s) =−1

s +1 2( 1

s− 1+ 1

s + 1 ⇒ x(t) = 1

2(et+ e−t)− 1 = cosh t − 1.

Inoltre, dalla seconda equazione si deduce y(t) = x(t) + 1 = cosh t; pertanto y0(t) = sinh t + C e y(t) = cosh t + Ct + K per opportune costanti C, K. Imponendo i dati iniziali di y(t) si deduce C = −1 e K = 0; quindi y(t) = cosh t − t.

Negli svolgimenti dei prossimi due esercizi alcuni passaggi sono stati omessi.

3

(4)

7)(

s2F1(s)− 1 − sF1(s)− 2sF2(s) + 2 = s+11 s2F2(s)− s − 1 − sF1(s) = 0

( . . .

F1(s) = sF2(s)− 1 − 1s (

(s2− s)(sF2(s)− 1 −1s)− 2sF2(s) + 1 = s+11

. . .

(F2(s) = (s2− 2 + s+11 )s(s−2)(s+1)1 = s(s+1)s3+s2−2s−12(s−2)

. . .

Ponendo s(s+1)s3+s2−2s−12(s−2) = as + s+1b +(s+1)c 2 + s−2d si ottiene prima a = 12, c = 13, d = 187 e poi per differenza b = 19. Quindi

F2(s) = 1 2s +1

9 1 s + 1+ 1

3 1

(s + 1)2 7 18

1 s− 2, da cui

y(t) = 1 2 +1

9e−t+ 1

3te−t+ 7 18e2t.

Derivando due volte la y(t) e sostituendo nella seconda equazione si trova

x0(t) =−5

9e−t+ 1

3te−t+14 9 e2t e quindi essendo x(t) = x(0) +Rt

0 x0(τ ) dτ =Rt

0 x0(τ ) dτ , si deduce x(t) = 2

9e−t 1

3te−t+ 7

9e2t− 1.

8)(

s2F1− 1 − 2sF2(s) = s21+1

s2F2(s) + 2 + sF − 1(s) = s+26 2s

(F1(s) = s12 1 + 2sF − 2(s) + s21+1



s2F2(s) + 2 + 1s + 2F2(s) +s(s21+1) = s+26 2s (. . .

F2(s) =−s(s+2)(s2s2+s+42+1) =2s +s+11 + s2s+1

quindi y(t) = e−2t + cos t − 2. Dalla prima equazione del sistema di ricava x00(t) =

− sin t − 4e−2t, da cui x0(t) = x0(0) +

Z t

0

x00(τ ) dτ = 1 + [2e−2τ + cos τ ]t0 = 2e−2t+ cos t− 2 x(t) = x(0) +

Z t 0

x0(τ ) dτ = [−e−2τ + sin τ − 2τ]t0 =−e−2t+ sin t− 2t + 1.

4

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