Teoria: Sistemi lineari ed equazioni del secondo ordine a coefficienti costantiUn sistema lineare y' = A(t)y + g(t) con coefficienti continui ha, per ogni dato iniziale, una e una sola soluzione, definita su tutto l'intervallo (D). Le soluzioni del sistema omogeneo formano uno spazio vettoriale di dimensione n (D); quelle del sistema completo sono una soluzione particolare più l'integrale omogeneo (D). Per y'' + by' + cy = 0 si cercano e^(λt): tre casi (D). Un sistema 2×2 a coefficienti costanti si riduce a u'' − (tr A)u' + (det A)u = g, risolta con il metodo di somiglianza.Sistemi lineari ed equazioni del secondo ordine a coefficienti costanti →.
Testo
(a) Risolvere y′′−2y′+2y=t+1.
(b) Risolvere il problema di Cauchy {x′=x+yy′=x+y+1, x(0)=0, y(0)=−21.
(c) Determinare l'integrale generale di {u′=u+2v+e−tv′=2u+v+t.
Soluzione
(a) Equazione del secondo ordine
Omogenea. λ2−2λ+2=0, λ=1±i: yom=et(αcost+βsint). (Attenzione al segno: il coefficiente di y′ è −2, quindi la parte reale è +1.)
Particolare. Il termine noto t+1 è un polinomio di grado 1 e λ=0 non è radice (c=2=0): y~=At+B. Sostituendo: 0−2A+2(At+B)=t+1, cioè 2A=1 e −2A+2B=1, da cui A=21, B=1.
Integrale generale. y=et(αcost+βsint)+2t+1.
(b) Il problema di Cauchy
Qui a11=a12=a21=a22=1, g1=0, g2=1: trA=2, detA=0. Per la formula (R) della teoria, x′′−2x′+0⋅x=g1′−a22g1+a12g2=1, cioè
x′′−2x′=1.
(Altra via: con w=x+y si ha x′=w e w′=x′+y′=2w+1.)
Omogenea. λ2−2λ=0, λ=0,2: xom=α1+α2e2t.
Particolare. Il termine noto è la costante 1; poiché λ=0 è radice semplice (c=0) bisogna moltiplicare per t: x~=At. Allora −2A=1, A=−21.
Quindi x(t)=α1+α2e2t−2t.
Ricavo di y. Dalla prima equazione y=x′−x: x′=2α2e2t−21, quindi
y(t)=α2e2t−α1+2t−21.
Condizioni iniziali. x(0)=α1+α2=0; y(0)=α2−α1−21=−21, cioè α2=α1. Quindi α1=α2=0 e
x(t)=−2t,y(t)=2t−1.
Controllo. x′=−21=x+y=−2t+2t−1 ✓; y′=21=x+y+1=−21+1 ✓; x(0)=0, y(0)=−21 ✓. Il dato iniziale era scelto proprio in modo che la soluzione fosse una retta (nessun esponenziale).
(c) Sistema con termine noto composto
Ora conviene eliminare u e lavorare sulla v. Dalla seconda equazione w:=v′=2u+v+t, quindi u=2w−v−t. Derivando w e usando la prima equazione:
w′=2u′+v′+1=2(u+2v+e−t)+w+1.
Sostituendo u=2w−v−t: w′=(w−v−t)+4v+2e−t+w+1=2w+3v+2e−t−t+1, e poiché w=v′:
v′′−2v′−3v=2e−t−t+1.
Omogenea. λ2−2λ−3=(λ−3)(λ+1): λ=3,−1, vom=αe3t+βe−t.
Particolare. Il termine noto è somma di 2e−t e −t+1 (principio di sovrapposizione). Per 2e−t: γ=−1 è radice semplice, quindi Ate−t. Per −t+1: polinomio di grado 1, λ=0 non è radice: Bt+C. Si pone v~=Ate−t+Bt+C:
v~′=A(1−t)e−t+B,v~′′=A(t−2)e−t.
Sostituendo, il coefficiente di e−t è A[(t−2)−2(1−t)−3t]=−4A (i termini in t si cancellano), e la parte polinomiale è −2B−3Bt−3C:
−4Ae−t−3Bt−(2B+3C)=2e−t−t+1.
Quindi A=−21, B=31, −2B−3C=1⇒C=−95. Allora
v(t)=αe3t+βe−t−21te−t+31t−95.
Ricavo di u. Da u=2v′−v−t. Con v′=3αe3t−βe−t−21(1−t)e−t+31:
u(t)=αe3t+(2t−41−β)e−t−32t+94.
(Verificato con sympy: soddisfa entrambe le equazioni. Nel quaderno del corso compare un segno +32t che è un refuso: il coefficiente corretto è −32.)
Versione ripasso
Testo. (a) y′′−2y′+2y=t+1; (b) Cauchy x′=x+y, y′=x+y+1, x(0)=0, y(0)=−21; (c) u′=u+2v+e−t, v′=2u+v+t.
Passaggi (Sistemi lineari ed equazioni del secondo ordine a coefficienti costantiUn sistema lineare y' = A(t)y + g(t) con coefficienti continui ha, per ogni dato iniziale, una e una sola soluzione, definita su tutto l'intervallo (D). Le soluzioni del sistema omogeneo formano uno spazio vettoriale di dimensione n (D); quelle del sistema completo sono una soluzione particolare più l'integrale omogeneo (D). Per y'' + by' + cy = 0 si cercano e^(λt): tre casi (D). Un sistema 2×2 a coefficienti costanti si riduce a u'' − (tr A)u' + (det A)u = g, risolta con il metodo di somiglianza.Sistemi lineari ed equazioni del secondo ordine a coefficienti costanti →).
- (a) λ=1±i; y~=At+B: A=21, B=1; y=et(αcost+βsint)+2t+1.
- (b) x′′−2x′=1; λ=0,2; λ=0 radice ⇒x~=At, A=−21; x=α1+α2e2t−2t, y=x′−x; condizioni ⇒α1=α2=0: x=−2t, y=2t−1.
- (c) v′′−2v′−3v=2e−t−t+1; λ=3,−1; v~=Ate−t+Bt+C (γ=−1 radice): A=−21, B=31, C=−95; u=2v′−v−t=αe3t+(2t−41−β)e−t−32t+94.
Errori tipici. Segno sbagliato dell'omogenea in (a); dimenticare il fattore t per le radici coincidenti con γ; non usare la sovrapposizione per termini noti composti.