שיטות בפיזיקה עיונית 1: פתרון מבחן מועד א` תשס;quot&ח (3/4/2008)

Transcription

שיטות בפיזיקה עיונית 1: פתרון מבחן מועד א` תשס;quot&ח (3/4/2008)
‫שיטות בפיזיקה עיונית ‪ :1‬פתרון מבחן מועד א' תשס"ח )‪(3/4/2008‬‬
‫גרסה ‪ ,1.0‬ינואר ‪2010‬‬
‫ברק שושני‬
‫‪baraksh@gmail.com | http://baraksh.co.il/‬‬
‫שאלה ‪1‬‬
‫סעיף א'‬
‫נחשב את האינטגרל‬
‫‪sin4 θ dθ‬‬
‫ˆ‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫‪0‬‬
‫נשים לב כי‬
‫‪2‬‬
‫‪sin2 θ‬‬
‫‬
‫‪2‬‬
‫)‪1 − cos (2θ‬‬
‫‪2‬‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫)‪1 − 2 cos (2θ) + cos2 (2θ‬‬
‫‪4‬‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫)‪1 + cos (4θ‬‬
‫‪1 − 2 cos (2θ) +‬‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫))‪(3 − 4 cos (2θ) + cos (4θ‬‬
‫‪8‬‬
‫=‬
‫‪sin4 θ‬‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫לכן‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫ˆ‬
‫‪(3 − 4 cos (2θ) + cos (4θ)) dθ‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪8‬‬
‫‬
‫‪ π2‬‬
‫‪1‬‬
‫‬
‫ )‪3θ − 2 sin (2θ) + sin (4θ‬‬
‫‬
‫‪4‬‬
‫‪0‬‬
‫‬
‫‬
‫‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫‪π‬‬
‫‪π‬‬
‫ ‪π‬‬
‫‪12 − 8 sin 2‬‬
‫‪+ sin 4‬‬
‫‪32‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫))‪(6π − 8 sin (π) + sin (2π‬‬
‫‪32‬‬
‫‪3π‬‬
‫‪16‬‬
‫‪1‬‬
‫‪8‬‬
‫=‬
‫‪sin4 θ dθ‬‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫פתרנו את האינטגרל בקלות‪ ,‬באמצעות זהויות טריגונומטריות פשוטות וללא שימוש בחומר שנלמד בקורס‪ .‬עם זאת‪ ,‬אם מתעקשים‬
‫ניתן לפתור את האינטגרל גם באמצעות אינטגרציה במישור המרוכב ומשפט השארית‪ .‬מסלול האינטגרציה ‪ C‬יהיה מעגל היחידה‪,‬‬
‫מ־‪ θ = 0‬עד ‪ .θ = 2π‬קל לראות כי‬
‫‪ˆ π2‬‬
‫‪ˆ 2π‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪sin4 θ dθ‬‬
‫‪sin4 θ dθ‬‬
‫‪4‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫משום שהפונקציה ‪ sin4 θ‬סימטרית סביב הנקודה‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪ θ‬ובעלת מחזור ‪ .π‬כעת‪,‬‬
‫‪4‬‬
‫‪eiθ − e−iθ‬‬
‫‪2i‬‬
‫‪4‬‬
‫‪eiθ − e−iθ‬‬
‫‪dθ‬‬
‫‪dθ‬‬
‫‬
‫ˆ‬
‫‪2π‬‬
‫‪2π‬‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫‪2π‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪4‬‬
‫‪sin θ dθ‬‬
‫=‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪64‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫=‬
‫נבצע החלפת משתנים‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪dz‬‬
‫‪iz‬‬
‫= ‪z = eiθ =⇒ dz = ieiθ dθ =⇒ dθ‬‬
‫ונקבל‪:‬‬
‫‪4‬‬
‫ ˛‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪z−‬‬
‫‪dz‬‬
‫‪64i C‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪2‬‬
‫ ˛‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪z2 − 2 + 2‬‬
‫‪dz‬‬
‫‪64i C‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‬
‫ ˛‬
‫‪2‬‬
‫‪1 1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪z 4 − 2z 2 + 1 − 2z 2 + 4 − 2 + 1 − 2 + 4‬‬
‫‪dz‬‬
‫‪64i C‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‬
‫ ˛‬
‫‪1‬‬
‫‪1 1‬‬
‫‪4‬‬
‫‪z 4 − 4z 2 + 6 − 2 + 4‬‬
‫‪dz‬‬
‫‪64i C‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‬
‫ ˛‬
‫‪1‬‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪z 3 − 4z + − 3 + 5 dz‬‬
‫‪64i C‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫לבסוף‪ ,‬ממשפט השארית‪:‬‬
‫‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2πiRes z − 4z + − 3 + 5‬‬
‫‪64i‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪2π‬‬
‫‪·6‬‬
‫‪64‬‬
‫‪3π‬‬
‫‪16‬‬
‫‬
‫‬
‫‪dz‬‬
‫=‬
‫=‬
‫‪4‬‬
‫‪dθ‬‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫‪6‬‬
‫‪4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪− 3+ 5‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z‬‬
‫‪z 3 − 4z +‬‬
‫והגענו לאותה תוצאה‪.‬‬
‫סעיף ב'‬
‫‪1‬‬
‫‪dx‬‬
‫‪x4 + 1‬‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫נבצע אינטגרציה במישור המרוכב על הפונקציה‬
‫‪1‬‬
‫‪z4 + 1‬‬
‫מסלול האינטגרציה ‪ C‬יהיה מורכב משני חלקים‪:‬‬
‫• ‪ :C1‬מ־‪ z = −R‬עד ‪ z = +R‬כאשר ∞ → ‪.R‬‬
‫• ‪ :C2‬מ־‪ θ = 0‬דרך חצי מעגל ברדיוס ‪ R‬ועד ‪.θ = π‬‬
‫לפי משפט השארית‪:‬‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫‪z4 + 1‬‬
‫ˆ‬
‫‬
‫‪Res‬‬
‫‪X‬‬
‫‪= 2πi‬‬
‫ˆ‬
‫‪+‬‬
‫‪C2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪C1‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪dz‬‬
‫‪+1‬‬
‫˛‬
‫‪z4‬‬
‫ ˛‬
‫‪C‬‬
‫=‬
‫∞‬
‫‪eiθ − e−iθ‬‬
‫‪0‬‬
‫=‬
‫נחשב את האינטגרל‬
‫‪2π‬‬
‫ˆ‬
‫‪C‬‬
‫‪1‬‬
‫‪64i‬‬
‫‪1‬‬
‫‪64‬‬
:‫לכן‬
ˆ
0
∞
1
1
dx =
x4 + 1
2
ˆ
∞
−∞
1
1
dx =
x4 + 1
2
ˆ
ˆ
X
1
1
1
1
dz =
2πi
Res
−
dz
4
z4 + 1
2
z4 + 1
C2 z + 1
C1
‫ נציב‬.C2 ‫נראה כי האינטגרל מתאפס על חצי המעגל‬
z = Reiθ =⇒ dz = iReiθ dθ
‫ונקבל‬
ˆ
lim
R→∞
C2
z4
ˆ
1
dz
+1
=
=
=
π
lim
R→∞
0
ˆ
lim i
R→∞
0
1
iReiθ dθ
+1
1
dθ
3
3iθ
R e + R1 e−iθ
R4 e4iθ
π
0
‫ אם‬.‫כעת נמצא את שורשי הפונקציה‬
z4 + 1 = 0
‫אז‬
z 4 = −1 =⇒ re4iθ = ei(π+2πk)
‫ מכאן‬.k ∈ Z ‫כאשר‬
θ=
π 3π 5π 7π
π + 2πk
= ,
,
,
,
4
4 4 4 4
z1
z2
z3
z4
r=1
π
π
1+i
+ i sin = √
4
4
2
3π
3π
−1 + i
= cos
+ i sin
= √
4
4
2
5π
5π
−1 − i
= cos
+ i sin
= √
4
4
2
7π
7π
1−i
= cos
+ i sin
= √
4
4
2
=
cos
:‫ נחשב את השאריות‬.θ = π4 , 3π
4 ‫הערכים הנמצאים בתוך מסלול האינטגרציה שלנו הם הערכים המתאימים ל־‬
1
1
, z1
Res
= lim (z − z1 ) 4
4
z→z
z +1
z +1
1
1
=
(z1 − z2 ) (z1 − z3 ) (z1 − z4 )
√ 3
1
2
=
2 · (2 + 2i) · 2i
3
1
1
√
=
i
−
1
2
Res
1
, z2
4
z +1
=
lim (z − z2 )
z→z1
z4
1
+1
1
(z2 − z1 ) (z2 − z3 ) (z2 − z4 )
√ 3
1
2
=
−2 · 2i · (−2 + 2i)
3
1
1
√
=
i
+
1
2
=
3
‫לכן‪:‬‬
‫‬
‫‬
‫‪X‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪· 2πi‬‬
‫‪Res‬‬
‫‪2‬‬
‫‪z4 + 1‬‬
‫"‬
‫‪#‬‬
‫‪3‬‬
‫‪3‬‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫√‬
‫‪πi‬‬
‫√ ‪+‬‬
‫‪i−1‬‬
‫‪i+1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪πi‬‬
‫‪+‬‬
‫‪3/2‬‬
‫‪i−1 i+1‬‬
‫‪2‬‬
‫‬
‫‬
‫‪πi i + 1 + i − 1‬‬
‫‪−2‬‬
‫‪23/2‬‬
‫‪π‬‬
‫‪23/2‬‬
‫=‬
‫‪1‬‬
‫‪dx‬‬
‫‪x4 + 1‬‬
‫∞‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫=‬
‫שאלה ‪2‬‬
‫סעיף א'‬
‫נראה כי‬
‫‪n‬‬
‫‪dn f (x) 2‬‬
‫‪x − 1 dx‬‬
‫‪n‬‬
‫‪dx‬‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫‪n‬‬
‫)‪(−1‬‬
‫!‪2n n‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫= ‪f (x) Pn (x) dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫ונמצא את תוצאת האינטגרל כאשר )‪ f (x‬פולינום מדרגה ‪ m‬כך ש־‪.m < n‬‬
‫אכן‪ ,‬מנוסחת רודריגז‬
‫‪n‬‬
‫‪1 dn‬‬
‫‪x2 − 1‬‬
‫‪2n n! dxn‬‬
‫= )‪Pn (x‬‬
‫לכן‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫‪n‬‬
‫‪1 dn‬‬
‫‪x2 − 1‬‬
‫‪dx‬‬
‫‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2 n! dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪ˆ 1‬‬
‫‪n‬‬
‫‪1‬‬
‫‪dn‬‬
‫‪f (x) n x2 − 1 dx‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2 n! −1‬‬
‫‪dx‬‬
‫‬
‫‬
‫)‪f (x‬‬
‫נבצע אינטגרציה בחלקים פעם אחת‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ˆ 1‬‬
‫ ‪n‬‬
‫‪n‬‬
‫‪df (x) dn−1‬‬
‫‪x2 − 1 −‬‬
‫‪x2 − 1 dx‬‬
‫‪n−1‬‬
‫‬
‫‪dx dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪1‬‬
‫= ‪f (x) Pn (x) dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫=‬
‫‪dn−1‬‬
‫‪dxn−1‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪n‬‬
‫‪df (x) dn−1‬‬
‫‪x2 − 1 dx‬‬
‫‪n−1‬‬
‫‪dx dx‬‬
‫ˆ‬
‫)‪= f (x‬‬
‫‪1‬‬
‫‪n‬‬
‫‪dn‬‬
‫‪x2 − 1 dx‬‬
‫‪n‬‬
‫‪dx‬‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫)‪f (x‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪= −‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪n‬‬
‫ברור כי בכל פעם שנבצע אינטגרציה בחלקים‪ ,‬איבר השפה יתאפס‪ ,‬כי כל נגזרת מסדר קטן מ־‪ n‬של ‪ x2 − 1‬מכילה את‬
‫הגורם ‪ x2− 1‬אשר מתאפס בשני הגבולות‪ .‬מכאן‪ ,‬בכל אינטגרציה בחלקים האינטגרל יכיל נגזרת גדולה יותר של )‪ f (x‬וקטנה‬
‫‪n‬‬
‫יותר של ‪ , x2 − 1‬ו־‪ −1‬יצא החוצה‪ .‬לאחר שנבצע אינטגרציה בחלקים ‪ n‬פעמים נקבל‪:‬‬
‫‪ˆ 1‬‬
‫‪n ˆ 1‬‬
‫‪n‬‬
‫)‪(−1‬‬
‫‪dn f (x) 2‬‬
‫‪f (x) Pn (x) dx = n‬‬
‫‪x − 1 dx‬‬
‫‪n‬‬
‫‪2 n! −1 dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫כנדרש‪.‬‬
‫כאשר )‪ f (x‬פולינום‪ ,‬ברור כי ניתן לרשום אותו כצירוף לינארי של פולינומי לג'נדר‪:‬‬
‫)‪ak Pk (x‬‬
‫‪m‬‬
‫‪X‬‬
‫= )‪f (x‬‬
‫‪k=0‬‬
‫אך מאחר ש־‪ m < n‬כל הפולינומים האלה יהיו אורתוגונליים ל־)‪ .Pn (x‬מכאן שהאינטגרל כולו יתאפס‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫סעיף ב'‬
‫נתונות שתי קליפות חצי כדוריות מבודדות זו מזו המשלימות לכדור‪ .‬הקליפה העליונה מושמת בפוטנציאל ‪ V‬ואילו התחתונה‬
‫בפוטנציאל ‪ .−V‬נמצא את הפוטנציאל בתוך ומחוץ לכדור‪.‬‬
‫‬
‫‬
‫‬
‫נעבוד‪ ,‬כמובן‪ ,‬בקואורדינטות כדוריות‪ ,‬כאשר הקליפה העליונה מתאימה ל־ ‪ θ ∈ 0, π2‬והתחתונה מתאימה ל־ ‪ ,θ ∈ π2 , π‬כלומר‬
‫החיבור בין שתי הקליפות הוא במישור ‪ .xy‬בתוך ומחוץ לכדור הפוטנציאל ‪ U‬מקיים את משוואת לפלס‪:‬‬
‫‪∇2 U = 0‬‬
‫אשר פתרונה הכללי בבעיה בעלת סימטריה ביחס ל־‪ φ‬הוא‪:‬‬
‫‬
‫ ∞‬
‫‪X‬‬
‫‪Bl‬‬
‫‪l‬‬
‫= )‪U (r, θ‬‬
‫)‪Al r + l+1 Pl (cos θ‬‬
‫‪r‬‬
‫‪l=0‬‬
‫נסמן ב־‪ R‬את רדיוס הכדור‪ .‬בתוך הכדור נבחר ‪ Bl = 0‬לכל ‪ ,l‬אחרת נקבל פוטנציאל אינסופי בראשית‪) .‬אמנם הביטוי ‪Al rl‬‬
‫שואף לאינסוף כאשר ∞ → ‪ ,r‬וזה לכאורה בעייתי‪ ,‬אך אנו מעוניינים ממילא בפוטנציאל רק כאשר ‪ .(r < R‬מכאן‪:‬‬
‫)‪Al rl Pl (cos θ‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫= )‪Uinside (r, θ‬‬
‫‪l=0‬‬
‫מחוץ לכדור נבחר ‪ Al = 0‬לכל ‪ ,l‬אחרת נקבל פוטנציאל אינסופי באינסוף‪) .‬גם כאן‪ ,‬כמובן‪ ,‬אין בעיה שהפוטנציאל ישאף‬
‫לאינסוף בראשית‪ ,‬משום שאנו מחוץ לכדור(‪ .‬מכאן‪:‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪Bl‬‬
‫)‪Pl (cos θ‬‬
‫‪rl+1‬‬
‫= )‪Uoutside (r, θ‬‬
‫‪l=0‬‬
‫תנאי השפה הם‪:‬‬
‫‬
‫‬
‫‪θ ∈ 0, π2‬‬
‫‬
‫‪θ ∈ π2 , π‬‬
‫‪+V‬‬
‫‪−V‬‬
‫(‬
‫= )‪U (R, θ‬‬
‫בתוך הכדור נקבל‪:‬‬
‫‬
‫‬
‫‪θ ∈ 0, π2‬‬
‫‬
‫‪θ ∈ π2 , π‬‬
‫‪+V‬‬
‫‪−V‬‬
‫(‬
‫= )‪Al Rl Pl (cos θ‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫= )‪Uinside (R, θ‬‬
‫‪l=0‬‬
‫נכפול את שני האגפים ב־‪ Pl0 (cos θ) sin θ‬ונבצע אינטגרציה‪:‬‬
‫!‬
‫‪ˆ π2‬‬
‫‪ˆ π‬‬
‫‪Pl0 (cos θ) sin θdθ‬‬
‫‪Pl0 (cos θ) sin θdθ −‬‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫ˆ‬
‫‪π‬‬
‫‪l‬‬
‫‪Pl (cos θ) Pl0 (cos θ) sin θdθ = V‬‬
‫‪Al R‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪l=0‬‬
‫ידוע כי‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪δl,l0‬‬
‫‪2l + 1‬‬
‫‪π‬‬
‫ˆ‬
‫= ‪Pl (cos θ) Pl0 (cos θ) sin θdθ‬‬
‫‪0‬‬
‫ומכאן נקבל‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Al R l‬‬
‫‪2l + 1‬‬
‫‪π‬‬
‫ˆ‬
‫‪l‬‬
‫= ‪Pl (cos θ) Pl0 (cos θ) sin θdθ‬‬
‫‪0‬‬
‫‪Al R‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪l=0‬‬
‫בנוסף‪ ,‬באמצעות החלפת המשתנים ‪:x 7→ cos θ‬‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫‪Pl0 (x) dx −‬‬
‫‪Pl0 (x) dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪π‬‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫נזכור כי כל פולינום לג'נדר הוא זוגי או אי־זוגי‪ .‬עבור ‪l‬־ים זוגיים‪:‬‬
‫)‪Pl (x) = Pl (−x‬‬
‫‪5‬‬
‫ˆ‬
‫‪Pl0 (cos θ) sin θdθ −‬‬
‫= ‪Pl0 (cos θ) sin θdθ‬‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪π‬‬
‫‪2‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪0‬‬
‫ולכן‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪Pl0 (x) dx‬‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫= ‪Pl0 (x) dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪0‬‬
‫ונקבל‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫‪Pl0 (x) dx −‬‬
‫‪Pl0 (x) dx = 0‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪0‬‬
‫מצד שני‪ ,‬עבור ‪l‬־ים אי־זוגיים‪:‬‬
‫)‪Pl (x) = −Pl (−x‬‬
‫ולכן‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫‪Pl0 (x) dx = −‬‬
‫‪Pl0 (x) dx‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪0‬‬
‫ונקבל‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫‪Pl0 (x) dx‬‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪1‬‬
‫‪P (x) dx −‬‬
‫‪P (x) dx = 2‬‬
‫‪l0‬‬
‫‪l0‬‬
‫‪−1‬‬
‫‪0‬‬
‫ˆ‬
‫‪0‬‬
‫מכאן‪:‬‬
‫‪( ´1‬‬
‫‪2 0 Pl (x) dx l is odd‬‬
‫‪0‬‬
‫‪l is even‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪Al R l‬‬
‫‪2l + 1‬‬
‫והמקדמים יהיו‪:‬‬
‫‪l is odd‬‬
‫‪l is even‬‬
‫‪Pl (x) dx‬‬
‫‪´1‬‬
‫‪0‬‬
‫‪2l+1‬‬
‫‪Rl‬‬
‫‪0‬‬
‫(‬
‫= ‪Al‬‬
‫שאלה ‪3‬‬
‫סעיף א'‬
‫נתונה המשוואה הדיפרנציאלית‬
‫‬
‫‪1 + x2 y 0 (x) − 2x3 y (x) = 0‬‬
‫עם תנאי השפה‬
‫‪y (0) = 1‬‬
‫נראה כי הפתרון הוא‬
‫‪2‬‬
‫‪ex‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫= )‪y (x‬‬
‫לאחר מכן נפתור את המשוואה באמצעות שיטת פרוביניוס‪ ,‬ונראה כי הפתרון שקיבלנו חופף לפתרון זה לפחות עד סדר רביעי‬
‫ב־‪.x‬‬
‫נגזרת הפתרון היא‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2x3 ex‬‬
‫) ‪(1 + x2‬‬
‫=‬
‫‬
‫‪2‬‬
‫‪1 + x2 − 2xex‬‬
‫‪2‬‬
‫) ‪(1 + x2‬‬
‫‪6‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2xex‬‬
‫‪0‬‬
‫= )‪y (x‬‬
‫נציב במשוואה ונקבל‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ex‬‬
‫‪=0‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪− 2x3‬‬
‫‪ 2x3 ex‬‬
‫‪2‬‬
‫) ‪(1 + x2‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫קל לראות כי השוויון אכן מתקיים‪ .‬בנוסף‪,‬‬
‫‪e0‬‬
‫‪=1‬‬
‫‪1+0‬‬
‫= )‪y (0‬‬
‫ומכאן שהפתרון המוצע הוא אכן פתרון המשוואה עבור תנאי השפה הנתון‪.‬‬
‫לפתירת המשוואה באמצעות שיטת פרוביניוס‪ ,‬נציב פתרון מהצורה‬
‫‪an xn‬‬
‫‪nan xn−1‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫=‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫)‪y (x‬‬
‫)‪y 0 (x‬‬
‫=‬
‫‪n=0‬‬
‫ונקבל‬
‫‪an xn = 0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪nan xn−1 − 2x3‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪an xn = 0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪nan xn−1 − 2x3‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪nan xn+1 −‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪2an−4 xn−1 = 0‬‬
‫‪(n − 2) an−2 xn−1 −‬‬
‫‪n=4‬‬
‫‪2an−4 xn−1 = 0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪nan xn−1 + x2‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪2an xn+3 = 0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=2‬‬
‫‪(nan + (n − 2) an−2 ) xn−1 −‬‬
‫‪n=4‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪nan xn−1 +‬‬
‫‪nan xn−1 +‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫⇒‬
‫⇒‬
‫⇒‬
‫‪n=0‬‬
‫‪⇒a1 + 2a2 + (3a3 + a1 ) +‬‬
‫‪n=4‬‬
‫‪(nan + (n − 2) an−2 − 2an−4 ) xn−1 = 0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=4‬‬
‫מתנאי השפה‪:‬‬
‫‪a0 = 1‬‬
‫כמו־כן‪ ,‬מהשוואת מקדמים במשוואה למעלה‪:‬‬
‫‪a1 = a2 = a3 = 0‬‬
‫ולכל ‪ ,n ≥ 4‬כלל הנסיגה הוא‪:‬‬
‫‪2an−4 − (n − 2) an−2‬‬
‫‪n‬‬
‫= ‪an‬‬
‫נציב ‪ n = 4‬ונקבל‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪a4‬‬
‫לכן הפתרון הוא‪:‬‬
‫‬
‫‪1‬‬
‫‪y (x) = 1 + x4 + O x5‬‬
‫‪2‬‬
‫נראה כי פתרון זה חופף לפתרון הנתון‪ .‬ידוע כי טור מקלורן של הפונקציה ‪ ex‬הוא‪:‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪xn‬‬
‫!‪n‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪7‬‬
‫= ‪ex‬‬
‫‪⇒2a1 + 2a2 + 3a3 +‬‬
‫‪2‬‬
‫לכן טור מקלורן של ‪ ex‬הוא‪:‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪x2n‬‬
‫!‪n‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪ex‬‬
‫כעת‪ ,‬אם נניח כי טור מקלורן של הפונקציה הנתונה הוא‬
‫‪2‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪ex‬‬
‫=‬
‫‪cn x n‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫‪n=0‬‬
‫= )‪y (x‬‬
‫אז נקבל‬
‫‪cn x n‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪1 + x2‬‬
‫=‬
‫‪2‬‬
‫‪ex‬‬
‫‪n=0‬‬
‫‪cn xn+2‬‬
‫‪cn−2 xn‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪cn x n +‬‬
‫‪cn x n +‬‬
‫‪(cn + cn−2 ) xn‬‬
‫‪n=0‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫=‬
‫=‬
‫‪n=0‬‬
‫‪n=2‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫∞‬
‫‪X‬‬
‫‪= c0 + c1 x +‬‬
‫‪n=2‬‬
‫מהשוואת מקדמים עם הטור‬
‫‪x2n‬‬
‫!‪n=0 n‬‬
‫∞‪P‬‬
‫נקבל מיד כי לכל ‪ n‬אי־זוגי ‪ .cn = 0‬כמו־כן ‪ c0 = 1‬וכלל הנסיגה עבור ‪ n‬זוגי הוא‬
‫‪1‬‬
‫‪ − cn−2‬‬
‫!‬
‫‪n‬‬
‫‪2‬‬
‫= ‪cn‬‬
‫מכאן נקבל‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪c0‬‬
‫=‬
‫‪c1‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪−1=0‬‬
‫=‬
‫!‪1‬‬
‫‪= 0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫=‪−0‬‬
‫!‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪c2‬‬
‫‪c3‬‬
‫‪c4‬‬
‫בחפיפה מלאה לפתרון שקיבלנו‪.‬‬
‫סעיף ב'‬
‫נפתור באמצעות טרנספורם לפלס את המשוואה הדיפרנציאלית‬
‫‪y 00 − 2y 0 + y = 0‬‬
‫בהינתן תנאי ההתחלה‬
‫‪y 0 (0) = 1‬‬
‫‪y (0) = 0,‬‬
‫נסמן את טרנספורם לפלס כך‪:‬‬
‫∞‬
‫ˆ‬
‫‪e−st y (t) dt‬‬
‫= })‪Y (s) = Ls {y (t‬‬
‫‪0‬‬
‫ידוע כי‪:‬‬
‫‪n‬‬
‫‪o‬‬
‫‬
‫‬
‫‪Ls y (n) (t) = sn L {y (t)} − sn−1 y 0+ − · · · − y (n−1) 0+‬‬
‫‪8‬‬
‫כאשר )‪ y (n) (t‬היא הנגזרת ה־‪n‬־ית של )‪ y (t‬ו־) ‪ y (0+‬הוא הגבול של )‪ y (t‬כאשר ‪ t → 0‬מהכיוון החיובי‪ .‬מכאן‪:‬‬
‫‪Ls {y 0 (t)} = sL {y (t)} − y (0) = sY‬‬
‫‪Ls {y 00 (t)} = s2 L {y (t)} − sy (0) − y 0 (0) = s2 Y − 1‬‬
‫כאשר סימנו })‪ Y = Ls {y (t‬והצבנו את תנאי ההתחלה הנתונים‪ .‬מהפעלת הטרנספורם על שני צידי המשוואה נקבל‪:‬‬
‫‪s2 Y − 1 − 2sY + Y = 0‬‬
‫ומכאן‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫=‬
‫‪2‬‬
‫‪− 2s + 1‬‬
‫)‪(s − 1‬‬
‫= ‪Y‬‬
‫‪s2‬‬
‫את הטרנספורם ההפוך נוכל למצוא ישירות‪ ,‬אך עדיף פשוט להשתמש בטבלת ערכים של טרנספורם לפלס שחושבו מראש‪ 1 .‬כך‬
‫נקבל‪:‬‬
‫)‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫‪= tet‬‬
‫‪y (t) = L−1‬‬
‫‪t‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪(s − 1‬‬
‫שאלה ‪4‬‬
‫סעיף א'‬
‫הפונקציה )‪ 2 U (r‬מקיימת את המשוואה הדיפרנציאלית‬
‫)‪∇2 U (r) = δ (r) = δ (x) δ (y) δ (z‬‬
‫נמצא את המשוואה הדיפרנציאלית שמקיימת ‪ U‬מחוץ לראשית הצירים‪.‬‬
‫ברור ‪ δ (r 6= 0) = 0‬ולכן המשוואה היא משוואת לפלס‪:‬‬
‫‪∇2 U (r) = 0‬‬
‫סעיף ב'‬
‫נמצא את הצורה הכללית ביותר של הפתרון עבור המקרה המתואר בסעיף א'‪.‬‬
‫ידוע כי הפתרון הכללי ביותר למשוואת לפלס‪ ,‬בקואורדינטות כדוריות‪ ,‬הוא‬
‫‬
‫‬
‫‪∞ X‬‬
‫‪l‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Bl,m‬‬
‫‪l‬‬
‫= )‪U (r) = U (r, θ, φ‬‬
‫)‪Al,m r + l+1 Yl,m (θ, φ‬‬
‫‪r‬‬
‫‪l=0 m=−l‬‬
‫כאשר )‪ Yl,m (θ, φ‬הן ההרמוניות הספריות‪:‬‬
‫‪2n + 1 (n − m)! m‬‬
‫‪P (cos θ) eimφ‬‬
‫‪4π (n + m)! l‬‬
‫‪s‬‬
‫‪m‬‬
‫)‪Yl,m (θ, φ) = (−1‬‬
‫‪1‬לדוגמה‪ Arfken :‬מהדורה שישית עמוד ‪.1001‬‬
‫‪2‬בשאלה המקורית הפונקציה הייתה ‪ ,φ‬אך שיניתי ל־ ‪ U‬על־מנת למנוע בלבול עם הקואורדינטה הכדורית ‪.φ‬‬
‫‪9‬‬
‫סעיף ג'‬
‫בהתחשב בסימטריה של הבעיה ובתנאי השפה ‪ U → 0‬כאשר ∞ → ‪ ,r‬נמצא את )‪ U (r‬עד כדי נרמול‪.‬‬
‫ראשית‪ ,‬מתנאי השפה ברור כי ‪ Al,m = 0‬לכל ‪ ,l, m‬ומכאן‪:‬‬
‫‪∞ X‬‬
‫‪l‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Bl,m‬‬
‫)‪Yl,m (θ, φ‬‬
‫‪rl+1‬‬
‫= )‪U (r‬‬
‫‪l=0 m=−l‬‬
‫בנוסף‪ ,‬מהסימטריה של הבעיה ברור כי אין תלות ב־‪ θ‬וב־‪ .φ‬ההרמוניה הספרית היחידה שאינה תלויה באף אחת מהקואורדינטות‬
‫היא ההרמוניה הקבועה‬
‫‪1‬‬
‫√ = ‪Y0,0‬‬
‫‪2 π‬‬
‫לכן נדרוש ‪ Bl,m = 0‬לכל ‪ ,l, m 6= 0‬והפתרון יהיה‪:‬‬
‫‪B0,0 1‬‬
‫‪C‬‬
‫√ = )‪U (r‬‬
‫=‬
‫‪r‬‬
‫‪2 πr‬‬
‫כאשר המקדם‬
‫‪B0,0‬‬
‫√‬
‫‪2 π‬‬
‫"נבלע" בקבוע ‪ ,C‬אשר ערכו יקבע בסעיף הבא‪.‬‬
‫סעיף ד'‬
‫נקבע את הנרמול של )‪.U (r‬‬
‫נבצע אינטגרציה על כדור ‪ S‬ברדיוס ‪ ε‬על שני אגפי המשוואה הדיפרנציאלית‪:‬‬
‫˚‬
‫‪2‬‬
‫= ‪∇ U (r) dV‬‬
‫‪δ (r) dV‬‬
‫‪S‬‬
‫˚‬
‫‪S‬‬
‫בצד שמאל נקבל‪:‬‬
‫˚‬
‫˚‬
‫= ‪∇2 U (r) dV‬‬
‫‪∇ · [∇U (r)] dV‬‬
‫‪S‬‬
‫ממשפט גאוס‪:‬‬
‫‪S‬‬
‫‹‬
‫‪[∇U (r)] · da‬‬
‫˚‬
‫= ‪∇ · [∇U (r)] dV‬‬
‫‪S‬‬
‫‪∂S‬‬
‫כאשר ‪ ∂S‬הם פני הכדור‪ .‬כעת‪ ,‬הגרדיאנט הוא‬
‫‪C‬‬
‫‪C‬‬
‫‪r‬‬
‫ˆ‪= − 2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪r‬‬
‫ולכן‬
‫∇ = )‪∇U (r‬‬
‫‹‬
‫‹‬
‫‪1‬‬
‫ˆ‬
‫‪r · da‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪‹∂S‬‬
‫‪1 2‬‬
‫‪= −C‬‬
‫‪r sin θdθdφ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪r‬‬
‫‪∂S‬‬
‫‪ˆ 2π‬‬
‫‪ˆ π‬‬
‫‪= −C‬‬
‫‪dφ‬‬
‫‪sin θdθ‬‬
‫‪= −C‬‬
‫‪0‬‬
‫‪[∇U (r)] · da‬‬
‫‪∂S‬‬
‫‪0‬‬
‫‪= −4πC‬‬
‫בצד ימין נקבל‪ ,‬לפי הגדרת פונקציית דלתא‪:‬‬
‫˚‬
‫‪δ (r) dV = 1‬‬
‫‪S‬‬
‫ומכאן‪ ,‬הנרמול הוא‬
‫‪1‬‬
‫‪4π‬‬
‫‪−4πC = 1 =⇒ C = −‬‬
‫לכן הפתרון המנורמל הוא‬
‫‪B0,0 1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪=−‬‬
‫√ = )‪U (r‬‬
‫‪4πr‬‬
‫‪2 πr‬‬
‫‪10‬‬

Similar documents