ma311-2008-1o semestre – gabarito – prova … semestre – gabarito – prova 2/noturno...

6

Click here to load reader

Upload: truongkhuong

Post on 11-Feb-2019

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno

Questao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI:

y′′ + 4y = f(t), y(0) = 0, y′(0) = 1

onde f(t) ={

0, t < 1t2 − 2t + 1, t ≥ 1

.

Resolucao: Aplicando a transformada de Laplace na equacao e denotando L{f} por F ,obtemos

s2L{y} − sy(0)− y′(0) + 4L{y} = F ; (0,2 pontos)

notando que f(t) = u1(t)(t− 1)2, (+ 0,2) obtemos que

F = e−sL{t} = e−s 2s3

, (+ 0,2)

logo escrevendo Y = L{y} e usando as condicoes iniciais y(0) = 0 e y′(0) = 1, vem que

(s2 + 4)Y − 1 = e−s 2s3

Y =1

s2 + 4+ e−s 2

s3(s2 + 4)(+0,2)

y = L−1{Y } = L−1{ 1s2 + 4

}+ L−1{e−s 2s3(s2 + 4)

} .

Pela tabela, L−1{ 1s2+4

} = 12sen2t. Quanto a L−1{e−s 2

s3(s2+4)}, calculando as fracoes parciais da

funcao 2s3(s2+4)

, obtemos (o aluno deve apresentar as contas)

2s3(s2 + 4)

= − 18s

+1

2s3+

s

8(s2 + 4), (+0,2)

dondeL−1{ 2

s3(s2 + 4)= −1

8+

14t2 +

18

cos 2t , (+0,2)

logo, usando a formula L−1{(e−csF (s)} = uc(t)L−1{F}(t− a), obtemos

y =12sen2t + u1(t)

[−1

8+

14(t− 1)2 +

18

cos(2(t− 1))]

.

(+0,2 para cada termo certo aqui, inclusive u1(t))

1

Page 2: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

——————————-

Questao 2 (2,0 pontos). Expresse a solucao do P.V.I. abaixo em termos de uma convolucao:

y′′ + 3y′ + 2y = cos(αt), y(0) = 0, y′(0) = 0 .

Resolucao: Aplicando a transformada de Laplace a equacao e usando as condicoes iniciaise a tabela, obtemos

(s2 + 3s + 2)Y =s

s2 + α2

onde Y = L{y}. (0,6 pontos ate aqui)

Y =s

(s2 + α2)(s2 + 3s + 2)=

s

(s2 + α2)· 1(s + 3

2)2 − 14

ouY =

s

s2 + α2· 1s + 1

· 1s + 2

ouY =

s

s2 + α2(

1s + 1

− 1s + 2

) .

(+ 0,2)

y = 2 cos αt ∗ e−32tsenh(

12t)

ouy = cos αt ∗ e−t ∗ e−2t

ouy = cos αt ∗ (e−t − e−2t) .

(+ 1,2)

2

Page 3: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

————————————————————-

Questao 3 (3,0 pontos).

a) Encontre a solucao do sistema linear homogeneo de e.d.o.’s usando o metodo de autovalorese autovetores:

x′(t) =(

1 −15 −3

)x(t)

b) Encontre a solucao geral do sistema linear nao-homogeneo (cujo sistema homogeneo asso-ciado esta na parte a)) utilizando o metodo de variacao de parametros:

x′(t) =(

1 −15 −3

)x(t) +

(e−t

4e−t

)Resolucao: a)

Autovalores: ∣∣∣∣ 1− λ −15 −3− λ

∣∣∣∣ = 0

λ2 + 2λ + 2 = 0

λ = −1± i .

Autovetores (com λ = −1 + i):(2− i −1

5 −2− i

) (ab

)=

(00

)(2− i)a− b = 0, b = (2− i)a

V = (a, b) = a(1, 2− i) e autovetor complexo associado a λ = −1 + i.

(0,5 pontos ate aqui.)

Solucao complexa:

y = e(−1+i)tV = e−t(cos t + isent)(

12− i

)y = e−t

(cos t

2 cos t + sent

)+ ie−t

(sent

2sent− cos t

)(+ 0,5)

3

Page 4: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

Solucao geral:xH = c1x

1 + c2x2 ,

x1 = e−t

(cos t

2 cos t + sent

), x2 = e−t

(sent

2sent− cos t

).

(+ 0,5)

b)Matriz fundamental:

Ψ(t) = e−t

(cos t sent

2 cos t + sent 2sent− cos t

)(+ 0,25)

Solucao particular:

xP = Ψ(t)∫

Ψ(t)−1g(t) dt, g :=(

e−t

4e−t

)(+ 0,25)

Ψ(t)−1 =1

|Ψ(t)|e−t

(2sent− cos t −sent−2 cos t− sent cos t

)|Ψ(t)| = −e−2t

(+ 0,25)

Ψ(t)−1 = −et

(2sent− cos t −sent−2 cos t− sent cos t

)(+ 0,25)

xP = −Ψ(t)∫ (

2sent− cos t −sent−2 cos t− sent cos t

) (14

)dt

· · ·

(+ 0,25)

x = xH + xP

(+ 0,25)

4

Page 5: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

—————————————————————–

Questao 4 Explique detalhadamente.

1. (1,0 ponto) Calcule a soma da serie:

∞∑n=1

2(4n− 3)(4n + 1)

.

(Sugestao: 2(4n−3)(4n+1) = 1

2

(1

4n−3 −1

4n+1

).)

Resolucao:sn = 1

2

∑nk=1

(1

4k−3 −1

4k+1

)= 1

2

{(11 −

15

)+

(15 −

19

)+ · · ·+

(1

4n−3 −1

4n+1

)}= 1

2

(1− 1

4n+1

).

Daı,∞∑

n=1

2(4n− 3)(4n + 1)

= lim sn = lim12

(1− 1

4n + 1

)=

12

.

(1,0 ponto ate aqui.)

2. (1,0 ponto) Estude a convergencia da serie: converge absolutamente ou condicionalmenteou diverge?

∞∑n=1

(−1)n senn

n2 + 1.

Resolucao:

|(−1)n senn

n2 + 1| ≤ 1

n2 + 1≤ 1

n2.∑ 1

n2 e uma serie convergente (2-serie), logo,∑ (−1)n sen n

n2+1converge absolutamente, pelo

Teste da Comparacao. (1,0 ponto)

3. (1,0 ponto) Estude a convergencia da serie:

∞∑n=1

5√

n3 + n3√

5n7 + 2n2

5

Page 6: MA311-2008-1o Semestre – Gabarito – Prova … Semestre – Gabarito – Prova 2/Noturno Quest˜ao 1 (2,0 pontos). Resolva por transformada de Laplace o seguinte PVI: y00 +4y =

Resolucao: Sejam an =5√n3+n

3√5n7+2n2e bn = 1

n26/15 .

liman

bn= lim n26/15

5√

n3 + n3√

5n7 + 2n2= lim n26/15 n3/5 5

√1 + n

n3

n7/3 3

√5 + 2

n5

=13√

5> 0 .

A serie∑

bn e convergente, pois e uma p-serie com p > 1 (p = 2615), logo, a serie

∑bn

tambem e convergente, pelo Teste da Comparacao por Limite. (1,0 ponto)

6