Calculus · real student question

ラプラス変換を使って、初期値問題 y'' - y = 4*delta(t - 2) + t^2、y(0) = 0、y'(0) = 2 を解け。ここで delta はディラックのデルタ関数である。

Question

次の初期値問題を解け。

yy=4δ(t2)+t2,y(0)=0,y(0)=2y'' - y = 4\delta(t-2) + t^2, \qquad y(0)=0,\quad y'(0)=2

ここで δ\delta はディラックのデルタ関数を表す。

Step-by-step solution

  1. 撃力があるのでラプラス変換を選ぶ。 右辺には δ(t2)\delta(t-2) が含まれているが、これは通常の方法で積分できる関数ではない。未定係数法も定数変化法も通用しない。ラプラス変換は撃力を普通の指数関数 e2se^{-2s} に変えてしまうので、問題全体が代数の問題になる。

  2. 初期条件を織り込みながら両辺を変換する。 L{y}=s2Y(s)sy(0)y(0)\mathcal{L}\{y''\} = s^2Y(s) - sy(0) - y'(0)y(0)=0y(0)=0y(0)=2y'(0)=2 を入れ、標準の変換 L{δ(ta)}=eas\mathcal{L}\{\delta(t-a)\} = e^{-as}L{t2}=2/s3\mathcal{L}\{t^2\} = 2/s^3 を使うと:

    s2Y2Y=4e2s+2s3s^2Y - 2 - Y = 4e^{-2s} + \frac{2}{s^3}

  3. Y(s)Y(s) について解く。 左辺から YY をくくり出すと:

    Y(s)=2s21+4e2ss21+2s3(s21)Y(s) = \frac{2}{s^2-1} + \frac{4e^{-2s}}{s^2-1} + \frac{2}{s^3(s^2-1)}

    3つの項はそれぞれ別々に逆変換できる。ss 領域で計算する見返りがこれである。

  4. 厄介な第3項を部分分数分解する。 1s3(s21)=As+Bs2+Cs3+Ds+Es21\dfrac{1}{s^3(s^2-1)} = \dfrac{A}{s} + \dfrac{B}{s^2} + \dfrac{C}{s^3} + \dfrac{Ds+E}{s^2-1} と置いて係数を比較すると A=1A = -1B=0B = 0C=1C = -1D=1D = 1E=0E = 0 が得られるので、

    2s3(s21)=2s2s3+2ss21\frac{2}{s^3(s^2-1)} = -\frac{2}{s} - \frac{2}{s^3} + \frac{2s}{s^2-1}

  5. 各項を逆変換する。 L1{1/(s21)}=sinht\mathcal{L}^{-1}\{1/(s^2-1)\} = \sinh tL1{s/(s21)}=cosht\mathcal{L}^{-1}\{s/(s^2-1)\} = \cosh tL1{2/s3}=t2\mathcal{L}^{-1}\{2/s^3\} = t^2、および第2移動定理 L1{easF(s)}=u(ta)f(ta)\mathcal{L}^{-1}\{e^{-as}F(s)\} = u(t-a)f(t-a) を使うと:

    y(t)=2sinht+2coshtt22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2\sinh t + 2\cosh t - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

  6. 整理して検算する。 2sinht+2cosht=2et2\sinh t + 2\cosh t = 2e^{t} なので、

    y(t)=2ett22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2e^{t} - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

    確認すると y(0)=202=0y(0) = 2 - 0 - 2 = 0y(0)=20=2y'(0) = 2 - 0 = 2 でどちらも正しい。t<2t<2 ではヘヴィサイド関数の項が効かず、yy=(2et2)(2ett22)=t2y'' - y = (2e^t - 2) - (2e^t - t^2 - 2) = t^2 となって条件を満たす。t=2t=2 では撃力によって yy' がちょうど 44 だけ跳ぶ一方、yy 自身は連続のままである。これが大きさ 44 の単位撃力の物理的な特徴である。

Answer

y(t)=2ett22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2e^{t} - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

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