Efter videon följer ett problem som du kan lösa för att testa att du tillgodogjort dig innehållet.
Problem:
Lös differentialekvationen $y'+2xy=0$ med bivillkoret $y(0)=1$ genom att ansätta lösningen som en potensserie runt origo. Undersök var lösningen konvergerar och jämför sedan med vad man får om man löser ekvationen på vanligt sätt med hjälp av en integrerande faktor. (ganska svår)Svar:
Vi ansätter
\[
y(x)=\sum_{k=0}^{\infty} a_kx^k
\]
och noterar att bivillkoret $y(0)=1$ ger att $a_0=1$. Vi ser även att insättning av \(x=0\) i ekvationen medför att \(y'(0)=0\). Derivering ger sedan att
\[
y'(x)=\sum_{k=2}^{\infty} ka_kx^{k-1},
\]
och ekvationen kan därmed skrivas
\[
\sum_{k=2}^{\infty} ka_kx^{k-1}+2\sum_{k=0}^{\infty} a_kx^{k+1}=0.
\]
Om vi successivt jämför koefficienter ser vi att
koefficienten för \(x\) är \(0\) \(\Rightarrow 2a_2+2a_0=0 \Rightarrow a_2=-1\),
koefficienten för \(x^2\) är \(0\) \(\Rightarrow 3a_3+2a_1=0 \Rightarrow a_3=0\),
koefficienten för \(x^3\) är \(0\) \(\Rightarrow 4a_4+2a_2=0 \Rightarrow a_4=\frac12\),
koefficienten för \(x^4\) är \(0\) \(\Rightarrow 5a_5+2a_3=0 \Rightarrow a_5=0\),
koefficienten för \(x^5\) är \(0\) \(\Rightarrow 6a_6+2a_4=0 \Rightarrow a_6=-\frac1{6}\)
koefficienten för \(x^6\) är \(0\) \(\Rightarrow 7a_7+2a_5=0 \Rightarrow a_7=0\),
koefficienten för \(x^7\) är \(0\) \(\Rightarrow 8a_8+2a_4=0 \Rightarrow a_8=\frac1{24}\),
\(\vdots\)
Vi ser att alla udda koefficienter blir noll och att de jämna ges av \(a_{2k}=\frac{(-1)^k}{k!}\) (visas lämpligen med induktion) och vi får alltså serien $$ y(x)= 1-x^2+\frac{1}{2}x^4-\frac{1}{6}x^6+\ldots = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^nx^{2n}}{n!}=e^{-x^2}. $$ Det är lätt att kontrollera att serien konvergerar för alla \(x\) och att integrerande faktor ger samma svar.
koefficienten för \(x\) är \(0\) \(\Rightarrow 2a_2+2a_0=0 \Rightarrow a_2=-1\),
koefficienten för \(x^2\) är \(0\) \(\Rightarrow 3a_3+2a_1=0 \Rightarrow a_3=0\),
koefficienten för \(x^3\) är \(0\) \(\Rightarrow 4a_4+2a_2=0 \Rightarrow a_4=\frac12\),
koefficienten för \(x^4\) är \(0\) \(\Rightarrow 5a_5+2a_3=0 \Rightarrow a_5=0\),
koefficienten för \(x^5\) är \(0\) \(\Rightarrow 6a_6+2a_4=0 \Rightarrow a_6=-\frac1{6}\)
koefficienten för \(x^6\) är \(0\) \(\Rightarrow 7a_7+2a_5=0 \Rightarrow a_7=0\),
koefficienten för \(x^7\) är \(0\) \(\Rightarrow 8a_8+2a_4=0 \Rightarrow a_8=\frac1{24}\),
\(\vdots\)
Vi ser att alla udda koefficienter blir noll och att de jämna ges av \(a_{2k}=\frac{(-1)^k}{k!}\) (visas lämpligen med induktion) och vi får alltså serien $$ y(x)= 1-x^2+\frac{1}{2}x^4-\frac{1}{6}x^6+\ldots = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^nx^{2n}}{n!}=e^{-x^2}. $$ Det är lätt att kontrollera att serien konvergerar för alla \(x\) och att integrerande faktor ger samma svar.
Maila för handledning.
Hur upplevde du problemet?
Svårighet:
Relevans:
Svårighet:
Relevans: