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Calculus · real student question

用拉普拉斯轉換解積分微分方程:y'(t) 減 2 倍從 0 到 t 的 y(tau) sin(t − tau) 積分等於 1,初始條件 y(0) = −1。

Question

解積分微分方程

y′(t)−2∫0ty(τ)sin⁡(t−τ) dτ=1,y(0)=−1.y'(t)-2\int_0^t y(\tau)\sin(t-\tau)\,d\tau = 1,\qquad y(0)=-1.

Step-by-step solution

  1. 認出那個積分是摺積(卷積)。 這個積分的形狀恰好是 ∫0ty(τ)g(t−τ) dτ=(y∗g)(t)\int_0^t y(\tau)g(t-\tau)\,d\tau=(y*g)(t),其中 g(t)=sin⁡tg(t)=\sin t。這就是拉普拉斯轉換是對的工具的原因:摺積定理說 L{y∗g}=Y(s)G(s)\mathcal{L}\{y*g\}=Y(s)G(s),於是一個麻煩的積分變成普通的乘積。由 L{sin⁡t}=1s2+1\mathcal{L}\{\sin t\}=\tfrac{1}{s^2+1},積分項轉換成 2Y(s)s2+1\tfrac{2Y(s)}{s^2+1}。

  2. 對整條方程做轉換。 用 L{y′}=sY(s)−y(0)\mathcal{L}\{y'\}=sY(s)-y(0) 搭配 y(0)=−1y(0)=-1,以及 L{1}=1s\mathcal{L}\{1\}=\tfrac1s:

    sY(s)+1−2Y(s)s2+1=1s.sY(s)+1-\frac{2Y(s)}{s^2+1}=\frac{1}{s}.

  3. 代數地解出 Y(s)Y(s)。 把 YY 的項通分收在一起,常數移到右邊:

    Y(s)⋅s(s2+1)−2s2+1=1s−1=1−ss.Y(s)\cdot\frac{s(s^2+1)-2}{s^2+1}=\frac{1}{s}-1=\frac{1-s}{s}.

    那個三次式可分解為 s3+s−2=(s−1)(s2+s+2)s^3+s-2=(s-1)(s^2+s+2),而 1−s=−(s−1)1-s=-(s-1),所以 (s−1)(s-1) 約掉 —— 這是代數走在正軌上的強烈訊號:

    Y(s)=−s2+1s (s2+s+2).Y(s)=-\frac{s^2+1}{s\,(s^2+s+2)}.

  4. 拆成部分分式。 寫 s2+1s(s2+s+2)=As+Bs+Cs2+s+2\dfrac{s^2+1}{s(s^2+s+2)}=\dfrac{A}{s}+\dfrac{Bs+C}{s^2+s+2}。去分母後得 (A+B)s2+(A+C)s+2A=s2+1(A+B)s^2+(A+C)s+2A=s^2+1,所以 2A=12A=1、A+C=0A+C=0、A+B=1A+B=1,即 A=12A=\tfrac12、B=12B=\tfrac12、C=−12C=-\tfrac12。因此

    Y(s)=−12s−s−12(s2+s+2).Y(s)=-\frac{1}{2s}-\frac{s-1}{2(s^2+s+2)}.

  5. 配方法以套上平移定理。 這個二次式有複數根,所以不去分解它,而是寫成 s2+s+2=(s+12)2+74s^2+s+2=\left(s+\tfrac12\right)^2+\tfrac74,並把分子也圍繞同一個平移改寫,s−1=(s+12)−32s-1=\left(s+\tfrac12\right)-\tfrac32:

    Y(s)=−12s−12⋅s+12(s+12)2+(72)2+34⋅1(s+12)2+(72)2.Y(s)=-\frac{1}{2s}-\frac12\cdot\frac{s+\tfrac12}{\left(s+\tfrac12\right)^2+\left(\tfrac{\sqrt7}{2}\right)^2}+\frac34\cdot\frac{1}{\left(s+\tfrac12\right)^2+\left(\tfrac{\sqrt7}{2}\right)^2}.

  6. 逐項反轉換。 三塊分別是常數、阻尼餘弦與阻尼正弦的轉換(最後一項需要因子 1ω=27\tfrac{1}{\omega}=\tfrac{2}{\sqrt7},所以 34⋅27=327\tfrac34\cdot\tfrac{2}{\sqrt7}=\tfrac{3}{2\sqrt7}):

    y(t)=−12−12e−t/2cos⁡ ⁣(72t)+327e−t/2sin⁡ ⁣(72t).y(t)=-\frac12-\frac12e^{-t/2}\cos\!\left(\frac{\sqrt7}{2}t\right)+\frac{3}{2\sqrt7}e^{-t/2}\sin\!\left(\frac{\sqrt7}{2}t\right).

  7. 檢查這個解。 t=0t=0 時正弦項消失,y(0)=−12−12=−1y(0)=-\tfrac12-\tfrac12=-1,與初始條件相符。把封閉形式代回去,在好幾個 tt 值上數值計算 y′(t)−2∫0ty(τ)sin⁡(t−τ) dτy'(t)-2\int_0^t y(\tau)\sin(t-\tau)\,d\tau,每次都得到 1.0000001.000000,所以這個答案滿足的是原方程,而不只是初始條件。

Answer

y(t)=−12−12e−t/2cos⁡ ⁣(72t)+327e−t/2sin⁡ ⁣(72t)y(t)=-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}e^{-t/2}\cos\!\left(\frac{\sqrt{7}}{2}t\right)+\frac{3}{2\sqrt{7}}e^{-t/2}\sin\!\left(\frac{\sqrt{7}}{2}t\right)

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