第四章习题课微分方程
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第四章 高阶微分方程§4.1 线性微分方程的一般理论习题4.11.设)(t x 和)(t y 是区间[]b a ,上的连续函数,证明:若在区间[]b a ,上有≠)()(t y t x 常数或≠)()(t x t y 常数,则)(t x 和)(t y 在区间[]b a ,上线性无关.(提示:用反证法) 证明 )(t x 和)(t y 是区间[]b a ,上线性相关,则存在不全为0的常数21,c c 使得0)()(21≡+t y c t x c ,[]b a t ,∈,若)0(,021≠≠c c 或得12)()(c c t y t x -≡(或21)()(c c t x t y -≡)[]b a t ,∈∀成立。
与假设矛盾,故)(t x 和)(t y 在区间[]b a ,上线性无关.2.证明非齐次线性方程的叠加原理:设)(1t x ,)(2t x 分别是非齐次线性方程)()()(1111t f x t a dt xd t a dt x d n n n n n =+++-- (1) )()()(2111t f x t a dtxd t a dt x d n n n nn =+++-- (2) 的解,则)()(21t x t x +是方程)()()()(21111t f t f x t a dtxd t a dt x d n n n n n +=+++-- (3) 的解.证明 因为)(1t x ,)(2t x 分别是方程(1)、(2)的解,所以)()()(1111111t f x t a dt x d t a dt x d n n n n n =+++-- , )()()(2212112t f x t a dtx d t a dt x d n n n nn =+++-- , 二式相加得,)()())(()()()(21211211121t f t f x x t a dt x x d t a dt x x d n n n n n +=++++++-- ,即)()(21t x t x +是方程(3)的解.3.(1).试验证022=-x dt x d 的基本解组为tt e e -,,并求方程t x dtx d cos 22=-的通解。
4-2.5μF 电容的端电压如图示。
(1)绘出电流波形图。
(2)确定2μs t =和10μs t =时电容的储能。
解:(1)由电压波形图写出电容端电压的表达式:10 0μs 1μs10 1μs 3μs ()1040 3μs 4μs 0 4μs t t t u t t t t≤≤⎧⎪≤≤⎪=⎨-+≤≤⎪⎪≤⎩式中时间t 的单位为微秒;电压的单位为毫伏。
电容伏安关系的微分形式:50 0μs 1μs 0 1μs 3μs()()50 3μs 4μs 0 4μs t t du t i t C t dt t<<⎧⎪<<⎪==⎨-<<⎪⎪<⎩上式中时间的单位为微秒;电压的单位为毫伏;电容的单位为微法拉;电流的单位为毫安。
电容电流的波形如右图所示。
(2)电容的储能21()()2w t Cu t =,即电容储能与电容端电压的平方成正比。
当2μs t =时,电容端电压为10毫伏,故:()()22631010μs 11()5101010 2.510J 22t w t Cu ---===⨯⨯⨯⨯=⨯当10μs t =时,电容的端电压为0,故当10μs t =时电容的储能为0。
4-3.定值电流4A 从t=0开始对2F 电容充电,问:(1)10秒后电容的储能是多少100秒后电容的储能是多少设电容初始电压为0。
解:电容端电压:()()()00110422t tC C u t u i d d t C τττ+++=+==⎰⎰;()1021020V C u =⨯=; ()1002100200V C u =⨯=()()211010400J 2C w Cu ==; ()()2110010040000J 2C w Cu ==4-6.通过3mH 电感的电流波形如图示。
(1)试求电感端电压()L u t ,并绘出波形图;(2)试求电感功率()L p t ,并绘出波形图;(3)试求电感储能()L w t ,并绘出波形图。