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Calculus · real student question

用拉普拉斯轉換解初值問題 y'' − y = 4 delta(t − 2) + t 平方,且 y(0) = 0、y'(0) = 2,其中 delta 為狄拉克 delta 函數。

Question

解初值問題

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

其中 δ\delta 表示狄拉克 delta 函數。

Step-by-step solution

  1. 因為有脈衝,所以選拉普拉斯轉換。 驅動項含 δ(t−2)\delta(t-2),它不是能用普通方法積分的函數;待定係數法與參數變異法都會失效。拉普拉斯轉換把脈衝變成普通的指數 e−2se^{-2s},於是整個問題變成代數。

  2. 兩邊同時轉換,並把初始條件併進去。 用 L{y′′}=s2Y(s)−sy(0)−y′(0)\mathcal{L}\{y''\} = s^2Y(s) - sy(0) - y'(0) 搭配 y(0)=0y(0)=0、y′(0)=2y'(0)=2,再用標準轉換 L{δ(t−a)}=e−as\mathcal{L}\{\delta(t-a)\} = e^{-as} 與 L{t2}=2/s3\mathcal{L}\{t^2\} = 2/s^3:

    s2Y−2−Y=4e−2s+2s3s^2Y - 2 - Y = 4e^{-2s} + \frac{2}{s^3}

  3. 解出 Y(s)Y(s)。 把左邊的 YY 提出來:

    Y(s)=2s2−1+4e−2ss2−1+2s3(s2−1)Y(s) = \frac{2}{s^2-1} + \frac{4e^{-2s}}{s^2-1} + \frac{2}{s^3(s^2-1)}

    三塊可以分別反轉換 —— 這就是待在 ss 域裡工作的回報。

  4. 用部分分式拆開麻煩的第三項。 寫成 1s3(s2−1)=As+Bs2+Cs3+Ds+Es2−1\dfrac{1}{s^3(s^2-1)} = \dfrac{A}{s} + \dfrac{B}{s^2} + \dfrac{C}{s^3} + \dfrac{Ds+E}{s^2-1} 並比對係數,得 A=−1A = -1、B=0B = 0、C=−1C = -1、D=1D = 1、E=0E = 0,所以

    2s3(s2−1)=−2s−2s3+2ss2−1\frac{2}{s^3(s^2-1)} = -\frac{2}{s} - \frac{2}{s^3} + \frac{2s}{s^2-1}

  5. 逐項反轉換。 用 L−1{1/(s2−1)}=sinh⁡t\mathcal{L}^{-1}\{1/(s^2-1)\} = \sinh t、L−1{s/(s2−1)}=cosh⁡t\mathcal{L}^{-1}\{s/(s^2-1)\} = \cosh t、L−1{2/s3}=t2\mathcal{L}^{-1}\{2/s^3\} = t^2,以及第二平移定理 L−1{e−asF(s)}=u(t−a)f(t−a)\mathcal{L}^{-1}\{e^{-as}F(s)\} = u(t-a)f(t-a):

    y(t)=2sinh⁡t+2cosh⁡t−t2−2+4u(t−2)sinh⁡(t−2)y(t) = 2\sinh t + 2\cosh t - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

  6. 化簡並檢查。 因為 2sinh⁡t+2cosh⁡t=2et2\sinh t + 2\cosh t = 2e^{t},

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

    驗算:y(0)=2−0−2=0y(0) = 2 - 0 - 2 = 0、y′(0)=2−0=2y'(0) = 2 - 0 = 2,兩者都對。當 t<2t<2 時單位步階項不作用,y′′−y=(2et−2)−(2et−t2−2)=t2y'' - y = (2e^t - 2) - (2e^t - t^2 - 2) = t^2,符合要求。在 t=2t=2 處脈衝讓 y′y' 恰好跳了 44,而 yy 本身保持連續 —— 這正是強度為 44 的單位脈衝的物理特徵。

Answer

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

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