Y

27 downloads 155966 Views 2MB Size Report
Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig. Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved. PART A. Ordinary Differential. Equations ...
PART

A

Ordinary Differential Equations (ODEs)

Part A p1

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

CHAPTER

2

Second-Order Linear ODEs

Chapter 2 p2

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 2.1 Homogeneous Homogeneous Linear Linear ODEs ODEs of of Second Second Order Order

Section 2.1 p3

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

A second‐order ODE is called linear if it can be written A second‐order ODE is called linear if it can be written (1) y” (1) y”+ p(x)y’ + p(x)y’+ q(x)y = + q(x)y =r(x) r(x) and nonlinear if it cannot be written in this form. and nonlinear if it cannot be written in this form.

Section 2.1 p4

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

If r(x) ≣ If r(x) ≣0 (that is, r(x) = 0 for all x considered; read “r(x) is  0 (that is, r(x) = 0 for all x considered; read “r(x) is  identically zero”), then (1) reduces to identically zero”), then (1) reduces to (2) y” + p(x)y’ + q(x)y = 0 (2) y” + p(x)y’ + q(x)y = 0 and is called homogeneous. If r(x) ≣ and is called homogeneous. If r(x) ≣0, then (1) is called  0, then (1) is called  nonhomogeneous. nonhomogeneous.

Section 2.1 p5

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

An example of a nonhomogeneous linear ODE is An example of a nonhomogeneous linear ODE is −x cos x, y” + 25y = e y” + 25y = e−x cos x,

and a homogeneous linear ODE is and a homogeneous linear ODE is xy” xy”+ y’ + y’+ xy = + xy =0,  0,  written in standard form  written in standard form  1 ′′ y + y′ + y = 0. x

Section 2.1 p6

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

An example of a nonlinear ODE is An example of a nonlinear ODE is 2 = 0. y”y + y’ y”y + y’2 = 0.

The functions p and q in (1) and (2) are called the  The functions p and q in (1) and (2) are called the  coefficients  coefficients of the ODEs. of the ODEs.

Section 2.1 p7

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Solutions  Solutions are defined similarly as for first‐order ODEs in  are defined similarly as for first‐order ODEs in  Chap. 1.  Chap. 1.  A function A function

y = y =h(x) h(x) is called a solution of a (linear or nonlinear) second‐order  is called a solution of a (linear or nonlinear) second‐order  ODE on some open interval I if h is defined and twice  ODE on some open interval I if h is defined and twice  differentiable throughout that interval and is such that the  differentiable throughout that interval and is such that the  ODE becomes an identity if we replace the unknown y by h,  ODE becomes an identity if we replace the unknown y by h,  the derivative y’ the derivative y’by h’, and the second derivative y” by h’, and the second derivative y”by h”. by h”.

Section 2.1 p8

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Homogeneous Linear ODEs: Superposition Principle Linear ODEs have a rich solution structure. For the  Linear ODEs have a rich solution structure. For the  homogeneous equation the backbone of this structure is the  homogeneous equation the backbone of this structure is the  superposition principle or linearity principle, which says that  superposition principle or linearity principle, which says that  we can obtain further solutions from given ones by adding  we can obtain further solutions from given ones by adding  them or by multiplying them with any constants.  them or by multiplying them with any constants.  Of course, this is a great advantage of homogeneous linear  Of course, this is a great advantage of homogeneous linear  ODEs.  ODEs. 

Section 2.1 p9

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Theorem 1 Fundamental Theorem  Fundamental Theorem  for the Homogeneous Linear ODE (2) for the Homogeneous Linear ODE (2)

For a homogeneous linear ODE (2), any linear combination of  For a homogeneous linear ODE (2), any linear combination of  two solutions on an open interval I is again a solution of (2) on I. two solutions on an open interval I is again a solution of (2) on I. In particular, for such an equation, sums and constant multiples In particular, for such an equation, sums and constant multiples of solutions are again solutions. of solutions are again solutions.

Section 2.1 p10

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Initial Value Problem. Basis. General Solution For a second‐order homogeneous linear ODE (2) an  For a second‐order homogeneous linear ODE (2) an initial  initial  value problem  value problem consists of (2) and two  consists of (2) and two initial conditions initial conditions y(x y’(x (4)  (4)  y(x00) = K ) = K00, ,  y’(x00) = K ) = K11. .  These conditions prescribe given values K These conditions prescribe given values K00and K and K11of the  of the  solution and its first derivative (the slope of its curve) at the  solution and its first derivative (the slope of its curve) at the  same given x = same given x =xx0 in the open interval considered. in the open interval considered. 0

Section 2.1 p11

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

The conditions (4) are used to determine the two arbitrary  The conditions (4) are used to determine the two arbitrary  constants c constants c1 and c and c2 in a  in a general solution general solution 1

2

y = (5)  (5)  y =cc1y1y11+ c + c22yy22 of the ODE;  of the ODE;  here, y here, y11and y and y22are suitable solutions of the ODE. are suitable solutions of the ODE. This results in a unique solution, passing through the This results in a unique solution, passing through the point (x point (x00, K , K00) with K ) with K11as the tangent direction (the slope) at  as the tangent direction (the slope) at  that point.  that point.  That solution is called a  That solution is called a particular solution  particular solution of the ODE (2). of the ODE (2).

Section 2.1 p12

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Definition General Solution, Basis, Particular Solution General Solution, Basis, Particular Solution A  A general solution  general solution of an ODE (2) on an open interval I is a  of an ODE (2) on an open interval I is a  solution (5) in which y solution (5) in which y1 1 and y and y22are solutions of (2) on I that are  are solutions of (2) on I that are  not proportional, and c not proportional, and c11and c and c22are arbitrary constants.  are arbitrary constants.  These  y , y22are called a  are called a basis  basis (or a  (or a fundamental system fundamental system) of  ) of  These  y11, y solutions of (2) on I. solutions of (2) on I. A  A particular solution  particular solution of (2) on I is obtained if we assign  of (2) on I is obtained if we assign  specific values to c specific values to c1 and c and c2 in (5). in (5). 1

Section 2.1 p13

2

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Furthermore, Furthermore,as asusual, usual,yy11and andyy22are arecalled called proportional proportionalon onIIififfor forall allxxon onI,I, (b) (6) (a) ky22 or or (b)yy22==lyly11 (6) (a)yy11==ky where wherekkand andl lare arenumbers, numbers,zero zeroor ornot. not.(Note (Notethat that(a) (a)implies implies(b) (b)ifif and andonly onlyififkk≠ ≠0). 0).

Section 2.1 p14

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Two functions y Two functions y11and y and y22are called  are called linearly independent  linearly independent on an on an interval I where they are defined if interval I where they are defined if (7) 1 = 0 and k 2 = 0. (7)kk1y1y11(x) + k (x) + k22yy2(x) = 0 everywhere on I implies k (x) = 0 everywhere on I implies k = 0 and k 2 1 2 = 0. And y And y11and y and y22are called  are called linearly dependent  linearly dependent on I if (7) also  on I if (7) also  holds for some constants k holds for some constants k11, k , k2 2 not both zero.  not both zero.  Then, if k Then, if k11≠ ≠0 or k 0 or k22≠ ≠0, we can divide and see that y 0, we can divide and see that y11and y and y22 are are k2 k1 proportional, proportional,y1 = − k y2     or     y2 = − k y1 . 1 2 In contrast, in the case of linear independence these functions  In contrast, in the case of linear independence these functions  are not proportional because then we cannot divide in (7). This  are not proportional because then we cannot divide in (7). This  gives the following definition. ( .) gives the following definition. (See next slide See next slide.) Section 2.1 p15

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Definition Basis (Reformulated) Basis (Reformulated) A  A basis  basis of solutions of (2) on an open interval I is a pair of  of solutions of (2) on an open interval I is a pair of  linearly independent solutions of (2) on I. linearly independent solutions of (2) on I.

Section 2.1 p16

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

Find a Basis If One Solution Is Known. Reduction of Order It happens quite often that one solution can be found by inspection or in some other way. Then a second linearly independent solution can be obtained by solving a first-order ODE. This is called the method of reduction of order. We first show how this method works in an example and then in general.

Section 2.1 p17

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

EXAMPLE 7 Reduction of Order If a Solution Is Known. Basis

Find a basis of solutions of the ODE (x2 − x)y” − xy’ + y = 0. Solution. (See next slide.)

Section 2.1 p18

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

EXAMPLE 7 (continued)

Solution.  Inspection shows that y1 = x is a solution because y’1 = 1 and  y”1 = 0, so that the first term vanishes identically and the  second and third terms cancel. The idea of the method is to  substitute

y = uy1 = ux, 

y’ = u’x + u,  y” = u”x + 2u’

into the ODE. This gives (x2 − x)(u”x + 2u’) − x(u’x + u) + ux = 0. ux and –xu cancel and we are left with the following ODE,  which we divide by x, order, and simplify, (x2 − x)(u”x + 2u’) − x2u’ = 0, 2)u’ = 0. Section 2.1 p19

(x2 − x)u” + (x –

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order

EXAMPLE 7 (continued)

Solution. (continued 1) This ODE is of first order in v = u’,  namely, (x2 − x)v’ + (x – 2)v = 0.  Separation of variables and integration gives

2⎞ dv x−2 ⎛ 1 =− 2 − ⎟ dx , dx = ⎜ v x −x ⎝ x −1 x⎠ x −1 ln v = ln x − 1 − 2  ln x = ln 2 . x (continued)

Section 2.1 p20

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

EXAMPLE 7

2.1 Homogeneous Linear ODEs of Second Order (continued)

Solution. (continued 2) We need no constant of integration because we want to  obtain a particular solution; similarly in the next integration. Taking exponents and integrating again, we obtain x −1 1 1 1 v = 2 = − 2 ,      u = ∫ v  dx = ln x + x x x x hence     y2 = ux = x ln x + 1. Since y1 = x and y2 = x ln|x| + 1 are linearly independent  (their quotient is not constant), we have obtained a basis of  solutions, valid for all positive x.

Section 2.1 p21

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 2.2 Homogeneous Homogeneous Linear Linear ODEs ODEs with with Constant Constant Coefficients Coefficients

Section 2.2 p22

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

We shall now consider second‐order homogeneous linear  We shall now consider second‐order homogeneous linear  ODEs whose coefficients a and b are constant, ODEs whose coefficients a and b are constant, (1) (1)

y” y”+ ay’ + ay’+ by = + by =0.0.

These equations have important applications in mechanical  These equations have important applications in mechanical  and electrical vibrations. and electrical vibrations.

Section 2.2 p23

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

To solve (1), we recall from Sec. 1.5 that the solution of the  To solve (1), we recall from Sec. 1.5 that the solution of the  first‐order linear ODE with a constant coefficient k first‐order linear ODE with a constant coefficient k y’y’+ ky = + ky =00 −kx.  is an exponential function y = ce is an exponential function y = ce−kx.  This gives us the idea to try as a solution of (1) the function This gives us the idea to try as a solution of (1) the function

(2)  (2) 

Section 2.2 p24

λx. y = e y = eλx.

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

Substituting (2) and its derivatives Substituting (2) and its derivatives λx and y’’ = λ2eλ x y’y’= λe = λeλx and y’’ = λ2eλ x

into our equation (1), we obtain into our equation (1), we obtain 2 + aλ + b)eλx = 0.  (λ (λ2 + aλ + b)eλx = 0.  Hence if λ Hence if λis a solution of the important  is a solution of the important characteristic  characteristic  equation  equation (or auxiliary equation) (or auxiliary equation) (3) (3)

λλ22+ aλ + aλ+ b + b= 0 = 0

then the exponential function (2) is a solution of the ODE  then the exponential function (2) is a solution of the ODE  (1). (1). Section 2.2 p25

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

Now from algebra we recall that the roots of this  Now from algebra we recall that the roots of this  quadratic equation (3) are quadratic equation (3) are 1 1 2 2 (4) λ = − + − λ = − − − 4b ).  ( a a 4 b ),     ( a a 2 (4) 1 2 2 (3) and (4) will be basic because our derivation shows that  (3) and (4) will be basic because our derivation shows that  the functions the functions (5) (5)

y1 = e λ1x      and     y2 = e λ2 x

are solutions of (1).  are solutions of (1). 

Section 2.2 p26

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

From algebra we further know that the quadratic  From algebra we further know that the quadratic  equation (3) may have three kinds of roots, depending on  equation (3) may have three kinds of roots, depending on  2 − 4b, namely,   the sign of the discriminant a the sign of the discriminant a2 − 4b, namely,   (Case I)  (Case I) 

2 − 4b > 0, Two real roots if a Two real roots if a2 − 4b > 0,

(Case II)  (Case II) 

2 − 4b = 0, A real double root if a A real double root if a2 − 4b = 0,

(Case III)  (Case III) 

2 − 4b  0) where ω where ω2= b  = b −−(¼)a (¼)a2. .

Section 2.2 p35

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

1 1 Case III. Complex Root − a + iω and  − a − iω   2 2 (continued) It can be verified by substitution that these are solutions  It can be verified by substitution that these are solutions  in the present case.  in the present case.  They form a basis on any interval since their quotient     They form a basis on any interval since their quotient     cot ωx is not constant.  cot ωx is not constant.  Hence a real general solution in Case III is Hence a real general solution in Case III is (9)  (9) 

−ax/2 (A cos ωx + B sin ωx)  y = e y = e−ax/2 (A cos ωx + B sin ωx) 

Section 2.2 p36

(A, B arbitrary) (A, B arbitrary)

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

Summary of Cases I−III Case I

II

III

Roots of (2) Basis of (1) Distinct real λ1, λ2

e λ1x ,  e λ2 x

Real double  root              e−ax/2, xe−ax/2 λ = (−½)a Complex  conjugate e−ax/2 cos ωx λ1 = (−½)a + iω e−ax/2 sin ωx λ2 = (−½)a − iω

Section 2.2 p37

General Solution of (1) y = c1e λ1x + c2 e λ2 x .

y = (c1 + c2x)e−ax/2.

y = e−ax/2 (A cos ωx + B sin ωx)

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.2 Homogeneous Linear ODEs with Constant Coefficients

Derivation in Case III. Complex Exponential Function it = cos t + i sin t, (11)  e (11)  eit = cos t + i sin t,

called the  Euler formula. . called the Euler formula

Section 2.2 p38

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.3 2.3 Differential Differential Operators. Operators. Optional Optional

Section 2.3 p39

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.3 Differential Operators. Optional

Operational calculus  Operational calculus means the technique and application  means the technique and application  of operators.  of operators.  Here, an  Here, an operator  operator is a transformation that transforms a  is a transformation that transforms a  function into another function.  function into another function.  Hence differential calculus involves an operator, the  Hence differential calculus involves an operator, the  differential operator  differential operator D, which transforms a (differentiable)  D, which transforms a (differentiable)  function into its derivative.  function into its derivative.  In operator notation we write  d/dx In operator notation we write DD==d/dx and and (1)  Dy = (1)  Dy =y’y’= dy/dx. = dy/dx.

Section 2.3 p40

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.3 Differential Operators. Optional

For a homogeneous linear ODE y” For a homogeneous linear ODE y”+ ay’ + ay’+ by = + by =0 with  0 with  constant coefficients we can now introduce the  constant coefficients we can now introduce the second‐ second‐ order differential operator order differential operator 2 + aD + bI, L = P(D) = D L = P(D) = D2 + aD + bI, where I is the  identity operator defined by Iy = defined by Iy =y.  y.  where I is the identity operator  Then we can write that ODE as Then we can write that ODE as

(2)  (2) 

2 + aD + bI)y = 0. Ly = P(D)y = (D Ly = P(D)y = (D2 + aD + bI)y = 0.

Section 2.3 p41

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.3 Differential Operators. Optional

P suggests “polynomial.” P suggests “polynomial.”L is a  L is a linear operator linear operator. .  By definition this means that if Ly and  By definition this means that if Ly and Lw Lwexist (this is the  exist (this is the  case if y and w are twice differentiable), then  case if y and w are twice differentiable), then L(cy L(cy++kw) kw) exists for any constants c and k, and exists for any constants c and k, and L(cy L(cy++kw) kw)==cLy cLy++kLw. kLw. The point of this operational calculus is that P(D) can be treated  The point of this operational calculus is that P(D) can be treated  just like an algebraic quantity. just like an algebraic quantity.

Section 2.3 p42

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 2.4 Modeling Modeling of of Free Free Oscillations Oscillations of of aa Mass—Spring Mass—Spring System System

Section 2.4 p43

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Linear ODEs with constant coefficients have important  Linear ODEs with constant coefficients have important  applications in mechanics, as we show in this section as  applications in mechanics, as we show in this section as  well as in Sec. 2.8, and in electrical circuits as we show in  well as in Sec. 2.8, and in electrical circuits as we show in  Sec. 2.9. Sec. 2.9. In this section we model and solve a basic mechanical  In this section we model and solve a basic mechanical  system consisting of a mass on an elastic spring (a so‐ system consisting of a mass on an elastic spring (a so‐ called “mass–spring system,” called “mass–spring system,”Fig. 33), which moves up  Fig. 33), which moves up  and down. and down.

Section 2.4 p44

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Setting Up the Model We take an ordinary coil spring that resists extension as  We take an ordinary coil spring that resists extension as  well as compression.  well as compression.  We suspend it vertically from a fixed support and attach a  We suspend it vertically from a fixed support and attach a  body at its lower end, for instance, an iron ball, as shown  body at its lower end, for instance, an iron ball, as shown  in Fig. 33.  in Fig. 33.  We let y = We let y =0 denote the position of the ball when the  0 denote the position of the ball when the  system is at rest (Fig. 33b).  system is at rest (Fig. 33b).  Furthermore, we choose  Furthermore, we choose the downward direction as  the downward direction as  positive positive, thus regarding downward forces as positive and  , thus regarding downward forces as positive and  upward forces as negative. upward forces as negative. Section 2.4 p45

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Setting Up the Model (continued 1)

Section 2.4 p46

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Setting Up the Model (continued 2) We now let the ball move, as follows. We pull it down by  We now let the ball move, as follows. We pull it down by  an amount y > an amount y >0 (Fig. 33c).  0 (Fig. 33c).  This causes a spring force This causes a spring force (1)  FF1 = = −−ky  (Hookes’s law)  (1)  ky  (Hookes’s law)  1 proportional to the stretch y, with k (> 0) called the  proportional to the stretch y, with k (> 0) called the spring  spring  constant constant. .  The minus sign indicates that F The minus sign indicates that F11points upward, against  points upward, against  the displacement.  the displacement.  It is a restoring force: It wants to restore the system, that is,  It is a restoring force: It wants to restore the system, that is,  to pull it back to y = to pull it back to y =0.  0.  Stiff springs have large k. Stiff springs have large k. Section 2.4 p47

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Setting Up the Model (continued 3) Note that an additional force  Note that an additional force −−FF00is present in the spring,  is present in the spring,  caused by stretching it in fastening the ball, but F caused by stretching it in fastening the ball, but F00has no  has no  effect on the motion because it is in equilibrium with the  effect on the motion because it is in equilibrium with the  weight W of the ball,  weight W of the ball,  −−FF0 = W = mg,  = W = mg, 2 0 2 = 32.17 ft/sec2 is  where g = 980 cm/sec = 9.8 m/sec 2 where g = 980 cm/sec = 9.8 m/sec2 = 32.17 ft/sec2 is  the  the constant of gravity at the Earth’s surface  constant of gravity at the Earth’s surface (not to be  (not to be  confused with the universal gravitational constant  confused with the universal gravitational constant  2/M = 6.67 ∙ 10−11 nt m2/kg2, which we shall not need;  G = gR −11 nt m2/kg2, which we shall not need;  10 G = gR2/M = 6.67 ∙ 6 m and M = 5.98 ∙ 1024 kg  here R = 6.37 ∙ 10 here R = 6.37 ∙ 106 m and M = 5.98 ∙ 1024 kg  are the Earth’s radius and mass, respectively). are the Earth’s radius and mass, respectively).

Section 2.4 p48

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Setting Up the Model (continued 4) The motion of our mass–spring system is determined by  The motion of our mass–spring system is determined by  Newton’s second law Newton’s second law (2)  (2)  Mass  Mass ××Acceleration = my” Acceleration = my”= Force = Force 2y/dt2 and “Force” is the resultant of all the  where y” = d where y” = d2y/dt2 and “Force” is the resultant of all the  forces acting on the ball.  forces acting on the ball. 

Section 2.4 p49

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Undamped System Every system has damping. Otherwise it would keep  Every system has damping. Otherwise it would keep  moving forever.  moving forever.  But if the damping is small and the motion of the system  But if the damping is small and the motion of the system  is considered over a relatively short time, we may  is considered over a relatively short time, we may  disregard damping.  disregard damping.  Then Newton’s law with F = Then Newton’s law with F =−−FF11gives the model  gives the model  my” my”= = −−FF1 = = −−ky; thus ky; thus 1

(3)  (3) 

Section 2.4 p50

my” my”+ ky = + ky =0.0.

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Undamped System (continued 1) This is a homogeneous linear ODE with constant  This is a homogeneous linear ODE with constant  coefficients. A general solution is obtained, namely  coefficients. A general solution is obtained, namely  k ω0 = . m This motion is called a  harmonic oscillation (Fig. 34, see  (Fig. 34, see  This motion is called a harmonic oscillation  next slide). next slide).

(4)  (4) 

y(t) = A cos ω y(t) = A cos ω00t + t +B sin ω B sin ω00tt

Section 2.4 p51

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Undamped System (continued 2)

Section 2.4 p52

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Undamped System (continued 3) Its frequency is f = Its frequency is f =ωω00/2/2ππHertz (= cycles/sec) because  cos  Hertz (= cycles/sec) because  cos  and sin in (4) have the period 2 and sin in (4) have the period 2ππ/ω /ω00. .  The frequency f is called the  The frequency f is called the natural frequency  natural frequency of the  of the  system.  system. 

Section 2.4 p53

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Undamped System (continued 4) An alternative representation of (4), which shows the  An alternative representation of (4), which shows the  physical characteristics of amplitude and phase shift of (4),  physical characteristics of amplitude and phase shift of (4),  isis (4*)  y(t) = C cos (ω (4*)  y(t) = C cos (ω0t t −−δ)δ) 0

2 2 with  C = A + B with  and phase angle δ, where tan δ and phase angle δ, where tan δ= B/A.  = B/A. 

Section 2.4 p54

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Damped System To our model my” To our model my”= = −−ky we now add a damping force  ky we now add a damping force  FF2 = = −−cy’, cy’, 2 obtaining my” ky −−cy’;  cy’;  obtaining my”= = −−ky  thus the ODE of the damped mass–spring system is thus the ODE of the damped mass–spring system is (5)  my” (Fig. 36) (5)  my”+ cy’ + cy’+ ky = + ky =0.0. (Fig. 36) Physically this can be done by connecting the ball to a  Physically this can be done by connecting the ball to a  dashpot; see Fig. 36 (next slide). dashpot; see Fig. 36 (next slide). We assume this damping force to be proportional to the  We assume this damping force to be proportional to the  velocity y’ velocity y’= dy/dt. This is generally a good approximation  = dy/dt. This is generally a good approximation  for small velocities. for small velocities.

Section 2.4 p55

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Damped System (continued 1)

Section 2.4 p56

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Damped System (continued 2) The constant c is called the damping constant. Let us show  The constant c is called the damping constant. Let us show  that c is positive.  that c is positive.  Indeed, the damping force F cy’acts against the motion;  acts against the motion;  Indeed, the damping force F22= = −−cy’ hence for a downward motion we have y’ hence for a downward motion we have y’> 0, which for  > 0, which for  positive c makes F negative (an upward force), as it  positive c makes F negative (an upward force), as it  should be. should be. Similarly, for an upward motion we have y’ Similarly, for an upward motion we have y’0 makes F 0 makes F2 positive (a downward force). positive (a downward force). 2

Section 2.4 p57

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Damped System (continued 3) The ODE (5) is homogeneous linear and has constant  The ODE (5) is homogeneous linear and has constant  coefficients. Hence we can solve it by the method in  coefficients. Hence we can solve it by the method in  Sec. 2.2. The characteristic equation is (divide (5) by m) Sec. 2.2. The characteristic equation is (divide (5) by m) c k 2 λ + λ + = 0. m m By the usual formula for the roots of a quadratic equation  By the usual formula for the roots of a quadratic equation  we obtain, as in Sec. 2.2, we obtain, as in Sec. 2.2, (6) (6) λλ11==−α −α++β,β,λλ11==−α −α−−ββ c 1 where α =  and β = c 2 − 4 mk . 2m 2m

Section 2.4 p58

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

ODE of the Damped System (continued 4) It is now interesting that depending on the amount of  It is now interesting that depending on the amount of  damping present—whether a lot of damping, a medium  damping present—whether a lot of damping, a medium  amount of damping, or little damping—three types of  amount of damping, or little damping—three types of  motions occur, respectively: motions occur, respectively: 2 > 4mk. Distinct real roots λ , λ . (Overdamping) Case I.  c Case I.  c2 > 4mk. Distinct real roots λ11, λ22. (Overdamping) 2 = 4mk. A real double root.         (Critical damping) c Case II.  Case II.  c2 = 4mk. A real double root.         (Critical damping) 2  4mk, then  λλ1 and λ 2 are distinct real roots. and λ 1 2 are distinct real roots. In this case the corresponding general solution of (5) is In this case the corresponding general solution of (5) is −(α−β)t + c e−(α+β)t. (7)  y(t) = c e 1 (7)  y(t) = c1e−(α−β)t + c22e−(α+β)t. We see that in this case, damping takes out energy so  We see that in this case, damping takes out energy so  quickly that the body does not oscillate.  quickly that the body does not oscillate.  > 0,    For t > 0 both exponents in (7) are negative because α > 0,    For t >0 both exponents in (7) are negative because α 2 2 2 ββ> 0, and β > 0, and β2= α = α2−−k/m < k/m 0)is, is,the thelarger largerisisω* ω*and andthe themore morerapid rapid the theoscillations oscillationsbecome. become.IfIfccapproaches approaches0,0,then thenω* ω*approaches approaches ω0 = k / m , giving givingthe theharmonic harmonicoscillation oscillation(4), (4),whose whosefrequency frequencyωω00/(2π) /(2π) isisthe thenatural naturalfrequency frequencyof ofthe thesystem. system.

Section 2.4 p66

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.4 Modeling of Free Oscillations of a Mass—Spring System

Discussion of the Three Cases (continued 7) Case III.  Case III. Underdamping  Underdamping (continued 3) (continued 3)

Section 2.4 p67

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 2.5 Euler—Cauchy Euler—Cauchy Equations Equations

Section 2.5 p68

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Euler–Cauchy equations are ODEs of the form Euler–Cauchy equations are ODEs of the form 2 (1)  xx2y” (1)  y”+ axy’ + axy’+ by = + by =00 with given constants a and b and unknown function with given constants a and b and unknown functiony(x).  y(x).  We substitute  We substitute m m−1,  m−2 y = x ,  y’ = mx y” = m(m  − 1)x m m−1 y = x ,  y’ = mx ,  y” = m(m − 1)xm−2 into (1). This gives into (1). This gives m−2 + axmxm−1 + bxm = 0 xx22m(m  − 1)x m(m − 1)xm−2m+ axmxm−1 + bxm = 0 and we now see that y = and we now see that y =xxmwas a rather natural choice  was a rather natural choice  m. Dropping it,  because we have obtained a common factor x because we have obtained a common factor xm. Dropping it,  we have the auxiliary equation m(m  −−1) + am + b = 0 or  we have the auxiliary equation m(m  1) + am + b = 0 or  2 (2)  (Note: a  (2)  mm2+ (a  + (a −−1)m + 1)m +b = b =0.  0.  (Note: a −−1, not a.) 1, not a.)

Section 2.5 p69

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Euler–Cauchy equations Euler–Cauchy equations (continued) (continued) m is a solution of (1) if and only if m is a root of  Hence y = x Hence y = xm is a solution of (1) if and only if m is a root of  (2). The roots of (2) are (2). The roots of (2) are

1 1 1 1 2 2 (3) = − + − − = − − − m (1 a ) (1 a ) b ,       m (1 a ) (1 a ) − b. 2 (3) 1 2 4 2 4

Section 2.5 p70

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Case I. Real different roots  Case I. Real different roots mm11and m and m22give two real  give two real  solutions  solutions  y1 ( x) = x m1      and     y2 ( x) = x m2 . These are linearly independent since their quotient is not  These are linearly independent since their quotient is not  constant. Hence they constitute a basis of solutions of (1) for  constant. Hence they constitute a basis of solutions of (1) for  all x for which they are real. The corresponding general  all x for which they are real. The corresponding general  solution for all these x is  solution for all these x is  (4)  (4) 

Section 2.5 p71

y1 ( x) = c1 x m1 + c2 x m2

(c(c1, c 2 arbitrary). , c 1 2 arbitrary).

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Case II. A real double root  Case II. A real double root  1 1 m1 = (1 − a) occurs if and only if b = ( a − 1)2  because then  2 4 1 (2) becomes [m + ( a − 1)]2 ,  as can be readily verified.  Then 2 (1−a)/2, and (1) is of the form a solution is y = x a solution is y1 = x(1−a)/2, and (1) is of the form 1

2 1 a (1 − a ) 2 2 (5)  ′′ ′ (1 ) x y + axy + − a y = 0     or     y′′ + y′ + y = 0. 2 (5)  4 x 4x

Section 2.5 p72

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Case II.  Case II. (continued) (continued)

Thus, y Thus, y22= uy = uy11= y = y11ln x, and y ln x, and y11and y and y2 2 are linearly  are linearly  independent since their quotient is not constant. The  independent since their quotient is not constant. The  general solution corresponding to this basis is general solution corresponding to this basis is (6) (6)

Section 2.5 p73

m, y = (c + c ln x) x y = (c11 + c22 ln x) xm,

1 m = (1 − a). 2

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Case III. Complex conjugate roots  Case III. Complex conjugate roots are of minor practical  are of minor practical  importance, and we discuss the derivation of real  importance, and we discuss the derivation of real  solutions from complex ones just in terms of a typical  solutions from complex ones just in terms of a typical  example. example.

Section 2.5 p74

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

EXAMPLE 3 Real General Solution in the Case of Complex Roots Real General Solution in the Case of Complex Roots 2y” + 0.6xy’ + 16.04y = 0  The Euler–Cauchy equation x The Euler–Cauchy equation x2y” + 0.6xy’ + 16.04y = 0  2 − 0.4m + 16.04 = 0.  has the auxiliary equation m has the auxiliary equation m2 − 0.4m + 16.04 = 0.  The roots are complex conjugate  The roots are complex conjugate  i = −1. mm1 = 0.2 + 4i and m = 0.2 + 4i and m2 = 0.2   = 0.2  −−4i, where 4i, where 1

2

The corresponding real general solution for all positive x is The corresponding real general solution for all positive x is (8)  (8) 

0.2[A cos (4 ln x) + B sin (4 ln x)]. y = x y = x0.2[A cos (4 ln x) + B sin (4 ln x)].

Section 2.5 p75

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.5 Euler—Cauchy Equations

Figure 48 shows typical solution curves in the three cases  Figure 48 shows typical solution curves in the three cases  discussed, in particular the real basis functions in Examples  discussed, in particular the real basis functions in Examples  1 and 3. 1 and 3.

Section 2.5 p76

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 2.6 Existence Existence and and Uniqueness Uniqueness of of Solutions. Solutions. Wronskian Wronskian

Section 2.6 p77

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

In this section we shall discuss the general theory of  In this section we shall discuss the general theory of  homogeneous linear ODEs homogeneous linear ODEs (1) y” (1) y”+ p(x)y’ + p(x)y’+ q(x)y = + q(x)y =00 with continuous, but otherwise arbitrary,  with continuous, but otherwise arbitrary, variable  variable  coefficients  coefficients p and q.  p and q.  This will concern the existence and form of a general  This will concern the existence and form of a general  solution of (1) as well as the uniqueness of the solution of  solution of (1) as well as the uniqueness of the solution of  initial value problems consisting of such an ODE and two  initial value problems consisting of such an ODE and two  initial conditions initial conditions (2)  y(x (2)  y(x00) = K ) = K00, ,  y’(x y’(x00) = K ) = K11 with given x with given x0, K , K0, and K , and K1. . 0

Section 2.6 p78

0

1

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

The two main results will be Theorem 1, stating that such  The two main results will be Theorem 1, stating that such  an initial value problem always has a solution which is  an initial value problem always has a solution which is  unique, and Theorem 4, stating that a general solution unique, and Theorem 4, stating that a general solution (c(c1, c y = (3)  2 arbitrary) + c22yy22 , c (3)  y =cc1y1y11+ c 1 2 arbitrary) includes all solutions. Hence linear ODEs with continuous  includes all solutions. Hence linear ODEs with continuous  coefficients have no “singular solutions” coefficients have no “singular solutions”(solutions not  (solutions not  obtainable from a general solution). obtainable from a general solution).

Section 2.6 p79

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

Theorem 1 Existence Existenceand andUniqueness UniquenessTheorem Theorem for forInitial InitialValue ValueProblems Problems

If p(x) and q(x) are continuous functions on some open interval I  If p(x) and q(x) are continuous functions on some open interval I  (see Sec. 1.1) and x is on I, then the initial value problem  (see Sec. 1.1) and x00is on I, then the initial value problem  consisting of (1) and (2) has a unique solution y(x) on the interval I. consisting of (1) and (2) has a unique solution y(x) on the interval I.

Section 2.6 p80

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

Linear Independence of Solutions A general solution on an open interval I is made up from a A general solution on an open interval I is made up from a basis  basis yy11, y , y22on I, that is, from a pair of linearly independent  on I, that is, from a pair of linearly independent  solutions on I. Here we call y , y22linearly independent  linearly independent on I  on I  solutions on I. Here we call y11, y if the equation if the equation (4) kk1yy1(x) + k 2yy2(x) = 0  on I    implies     k 1 = 0, k 2 = 0. (x) + k (x) = 0  on I    implies     k = 0, k (4) 1 1 2 2 1 2 = 0. We call y , y22linearly dependent  linearly dependent on I if this equation also  on I if this equation also  We call y11, y holds for constants k 2 not both 0. In this case, and only in  , k holds for constants k1, k 1 2 not both 0. In this case, and only in  this case, y and y2 2 are proportional on I, that is (see Sec. 2.1), are proportional on I, that is (see Sec. 2.1), this case, y11and y (5)  (a)   y or      (b)   y for all on I. = ky2 or      (b)   y2 = ly = ly1 for all on I. (5)  (a)   y1 = ky 1

Section 2.6 p81

2

2

1

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

Theorem 2 Linear LinearDependence Dependenceand andIndependence Independenceof ofSolutions Solutions

Let the ODE (1) have continuous coefficients p(x) and q(x) on an  Let the ODE (1) have continuous coefficients p(x) and q(x) on an  open interval I. Then two solutions y and y22of (1) on I are linearly  of (1) on I are linearly  open interval I. Then two solutions y11and y dependent on I if and only if their “ Wronskian”” dependent on I if and only if their “Wronskian (6)  W(y (6)  W(y11, y , y22) = y ) = y11yy2’2’−−yy22yy1’1’ is 0 at some x is 0 at some x00in I. Furthermore, if W = in I. Furthermore, if W =0 at an x = 0 at an x =xx00in I, then  in I, then  W = W =0  on I; hence, if there is an x 0  on I; hence, if there is an x11in I at which W is not 0,  in I at which W is not 0,  then y , y2 are linearly independent on I. are linearly independent on I. then y1, y 1

2

Section 2.6 p82

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

Remark. Determinants.  Determinants. Students familiar with second‐order  Students familiar with second‐order  determinants may have noticed that determinants may have noticed that

y1  y2 W ( y1 , y2 ) = = y1 y′2 − y2 y1′ . y1′   y′2

This determinant is called the Wronski determinant or,  This determinant is called the Wronski determinantor,  briefly, the  Wronskian, of two solutions y , of two solutions y11and y and y22of (1), as  of (1), as  briefly, the Wronskian has already been mentioned in (6). Note that its four entries  has already been mentioned in (6). Note that its four entries  occupy the same positions as in the linear system (7). occupy the same positions as in the linear system (7).

Section 2.6 p83

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

A General Solution of (1) Includes All Solutions

Theorem 3 Existence Existenceof ofaaGeneral GeneralSolution Solution IfIfp(x) p(x)and andq(x) q(x)are arecontinuous continuouson onan anopen openinterval intervalI,I,then then(1) (1)has hasaa general generalsolution solutionon onI.I.

Section 2.6 p84

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.6 Existence and Uniqueness of Solutions. Wronskian

Theorem 4 AAGeneral GeneralSolution SolutionIncludes IncludesAll AllSolutions Solutions

If the ODE (1) has continuous coefficients p(x) and q(x) on some  If the ODE (1) has continuous coefficients p(x) and q(x) on some  open interval I, then every solution y = open interval I, then every solution y =Y(x) of (1) on I is of the form Y(x) of (1) on I is of the form (8)  Y(x) = C (8)  Y(x) = C11yy11(x) + C (x) + C22yy22(x) (x) where y where y11, y , y22is any basis of solutions of (1) on I and C is any basis of solutions of (1) on I and C11, C , C22are  are  suitable constants.  suitable constants.  Hence (1) does not have  singular solutions (that is, solutions  (that is, solutions  Hence (1) does not have singular solutions  not obtainable from a general solution). not obtainable from a general solution).

Section 2.6 p85

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 2.7 Nonhomogeneous Nonhomogeneous ODEs ODEs

Section 2.7 p86

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

We now advance from homogeneous to nonhomogeneous  We now advance from homogeneous to nonhomogeneous  linear ODEs. linear ODEs.

Consider the second‐order nonhomogeneous linear ODE Consider the second‐order nonhomogeneous linear ODE (1)  y” (1)  y”+ p(x)y’ + p(x)y’+ q(x)y = + q(x)y =r(x) r(x) where r(x)  where r(x) ≠ ≠0.We shall see that a “general solution” 0.We shall see that a “general solution”of (1)  of (1)  is the sum of a general solution of the corresponding  is the sum of a general solution of the corresponding  homogeneous ODE homogeneous ODE (2) y” (2) y”+ p(x)y’ + p(x)y’+ q(x)y = + q(x)y =00 and a “particular solution” and a “particular solution”of (1). These two new terms  of (1). These two new terms  “general solution of (1)” “general solution of (1)”and “particular solution of (1)” and “particular solution of (1)”are  are  defined as follows. defined as follows. Section 2.7 p87

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

DEFINITION General GeneralSolution, Solution,Particular ParticularSolution Solution A  A general solution  general solution of the nonhomogeneous ODE (1) on an  of the nonhomogeneous ODE (1) on an  open interval I is a solution of the form open interval I is a solution of the form (3) y(x) = y (3) y(x) = yhh(x) + y (x) + ypp(x); (x); here, y here, yhh= = cc1y1y11++cc22yy22is a general solution of the homogeneous  is a general solution of the homogeneous  ODE (2) on I and y ODE (2) on I and yp p is any solution of (1) on I containing no  is any solution of (1) on I containing no  arbitrary constants. arbitrary constants. A  A particular solution  particular solution of (1) on I is a solution obtained  of (1) on I is a solution obtained  from (3) by assigning specific values to the arbitrary constants from (3) by assigning specific values to the arbitrary constants cc1 and c and c2 in y in yh. . 1

2

Section 2.7 p88

h

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

THEOREM 1 Relations Relationsof ofSolutions Solutionsof of(1) (1)to toThose Thoseof of(2) (2) (a)  (a) The sum of a solution y of (1) on some open interval I and a  The sum of a solution y of (1) on some open interval I and a  solution  solution ỹỹof (2) on I is a solution of (1) on I. In particular, (3) is a  of (2) on I is a solution of (1) on I. In particular, (3) is a  solution of (1) on I. solution of (1) on I. (b)  (b) The difference of two solutions of (1) on I is a solution of (2) on I. The difference of two solutions of (1) on I is a solution of (2) on I.

Section 2.7 p89

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

THEOREM 2 AAGeneral GeneralSolution Solutionof ofaaNonhomogeneous NonhomogeneousODE ODE Includes IncludesAll AllSolutions Solutions

If the coefficients p(x), q(x), and the function r(x) in (1) are  If the coefficients p(x), q(x), and the function r(x) in (1) are  continuous on some open interval I, then every solution of (1) on I is  continuous on some open interval I, then every solution of (1) on I is  obtained by assigning suitable values to the arbitrary constants obtained by assigning suitable values to the arbitrary constants cc1 and c and c2 in a general solution (3) of (1) on I. in a general solution (3) of (1) on I. 1

2

Section 2.7 p90

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

Method of Undetermined Coefficients To solve the nonhomogeneous ODE (1) or an initial value  To solve the nonhomogeneous ODE (1) or an initial value  problem for (1), we have to solve the homogeneous ODE (2) and  problem for (1), we have to solve the homogeneous ODE (2) and  find any solution y of (1), so that we obtain a general  find any solution yp p of (1), so that we obtain a general  solution (3) of (1). solution (3) of (1). How can we find a solution y How can we find a solution yppof (1)?  of (1)?  One method is the so‐called  One method is the so‐called method of undetermined  method of undetermined  coefficients coefficients. It is much simpler than another, more general,  . It is much simpler than another, more general,  method (given in Sec. 2.10). Since it applies to models of  method (given in Sec. 2.10). Since it applies to models of  vibrational systems and electric circuits to be shown in the  vibrational systems and electric circuits to be shown in the  next two sections, it is frequently used in engineering. next two sections, it is frequently used in engineering.

Section 2.7 p91

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

Method of Undetermined Coefficients (continued) More precisely, the method of undetermined coefficients is  More precisely, the method of undetermined coefficients is  suitable for linear ODEs with  suitable for linear ODEs with constant coefficients a and b constant coefficients a and b (4) y” (4) y”+ ay’ + ay’+ by = + by =r(x) r(x) when whenr(x) is an exponential function, a power of x, a cosine  r(x) is an exponential function, a power of x, a cosine  or sine, or sums or products of such functions. These  or sine, or sums or products of such functions. These  functions have derivatives similar to r(x) itself. This gives  functions have derivatives similar to r(x) itself. This gives  the idea.  the idea.  We choose a form for y We choose a form for yppsimilar to r(x), but with unknown  similar to r(x), but with unknown  coefficients to be determined by substituting that y and its  coefficients to be determined by substituting that yppand its  derivatives into the ODE. Table 2.1 on p. 82 shows the  derivatives into the ODE. Table 2.1 on p. 82 shows the  choice of y choice of yppfor practically important forms of r(x).  for practically important forms of r(x).  Corresponding rules are as follows. Corresponding rules are as follows. Section 2.7 p92

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

Choice Rules for the Method of Undetermined Coefficients Choice Rules for the Method of Undetermined Coefficients (a) Basic Rule.  (a) Basic Rule. If r(x) in (4) is one of the functions in the first  If r(x) in (4) is one of the functions in the first  column in Table 2.1, choose y column in Table 2.1, choose yppin the same line and determine its  in the same line and determine its  undetermined coefficients by substituting y undetermined coefficients by substituting yppand its derivatives into  and its derivatives into  (4). (4). (b) Modification Rule.  (b) Modification Rule. If a term in your choice for y If a term in your choice for ypphappens to  happens to  be a solution of the homogeneous ODE corresponding to (4),  be a solution of the homogeneous ODE corresponding to (4),  2 if this solution corresponds to a  multiply this term by x (or by x multiply this term by x (or by x2 if this solution corresponds to a  double root of the characteristic equation of the homogeneous ODE). double root of the characteristic equation of the homogeneous ODE). (c) Sum Rule.  (c) Sum Rule. If r(x) is a sum of functions in the first column of  If r(x) is a sum of functions in the first column of  Table 2.1, choose for y Table 2.1, choose for yppthe sum of the functions in the  the sum of the functions in the  corresponding lines of the second column. corresponding lines of the second column. Section 2.7 p93

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

The Basic Rule applies when r(x) is a single term.  The Basic Rule applies when r(x) is a single term.  The Modification Rule helps in the indicated case, and to  The Modification Rule helps in the indicated case, and to  recognize such a case, we have to solve the homogeneous  recognize such a case, we have to solve the homogeneous  ODE first.  ODE first.  The Sum Rule follows by noting that the sum of two solutions  The Sum Rule follows by noting that the sum of two solutions  of (1) with r = of (1) with r =rr11and r = and r =rr22(and the same left side!) is a  (and the same left side!) is a  solution of (1) with r = solution of (1) with r =rr11+ r + r2. (Verify!) 2. (Verify!) The method is self‐correcting. A false choice for y or one  The method is self‐correcting. A false choice for yppor one  with too few terms will lead to a contradiction. A choice with  with too few terms will lead to a contradiction. A choice with  too many terms will give a correct result, with superfluous too many terms will give a correct result, with superfluous coefficients coming out zero. coefficients coming out zero.

Section 2.7 p94

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

Table 2.1 Method of Undetermined Coefficients Term in r(x) keγx

Choice for yp(x) Ceγx

kxn (n = 0, 1,… ) Knxn + Kn−1xn−1 + … + K1x + K0 k cos ωx k sin ωx keαx cos ωx keαx

Section 2.7 p95

sin ωx

}Kcos ωx + Msin ωx }eαx(Kcos ωx + Msin ωx) Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

EXAMPLE 2 Application of the Modification Rule (b)

Solve the initial value problem Solve the initial value problem −1.5x, y(0) = 1, y’(0) = 0. (6)  y” + 3y’ + 2.25y = − 10e (6)  y” + 3y’ + 2.25y = −10e−1.5x, y(0) = 1, y’(0) = 0. Solution. Step 1. General solution of the homogeneous ODE. Solution. Step 1. General solution of the homogeneous ODE. The characteristic equation of the homogeneous ODE is  The characteristic equation of the homogeneous ODE is  2 = 0. Hence the homogeneous ODE  λλ22+ 3λ + 2.25 = (λ + 1.5) + 3λ + 2.25 = (λ + 1.5)2 = 0. Hence the homogeneous ODE  has the general solution  has the general solution  −1.5x. yyh ==(c(c1 + c x)e −1.5x. 2 h 1 + c2x)e

Section 2.7 p96

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

EXAMPLE 2

(continued) Application of the Modification Rule (b)

Solution.  Solution. (continued) (continued) Step 2. Solution y p of the nonhomogeneous ODE.  Step 2. Solution y p of the nonhomogeneous ODE.  −1.5x The function e −1.5xon the right would normally require the  The function e on the right would normally require the  −1.5x choice Ce choice Ce−1.5x. But we see from y . But we see from yhhthat this function is a  that this function is a  solution of the homogeneous ODE, which corresponds to a  solution of the homogeneous ODE, which corresponds to a  double root of the characteristic equation. Hence, according to  double root of the characteristic equation. Hence, according to  the Modification Rule we have to multiply our choice  the Modification Rule we have to multiply our choice  2. That is, we choose function by x function by x2. That is, we choose 2 e−1.5x.  yp = Cx yp = Cx2 e−1.5x .  −1.5x 2 2)  Then y ’ = C(2x  − 1.5x ) e , y ” = C(2  − 3x  − 3x + 2.25x 2 −1.5x 2)  p p Then y ’ = C(2x  − 1.5x ) e , y ” = C(2  − 3x  − 3x + 2.25x p p ee−1.5x −1.5x. .

Section 2.7 p97

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

EXAMPLE 2

(continued) Application of the Modification Rule (b)

Solution.  Solution. (continued) (continued) Step 2.  Step 2. (continued) (continued) We substitute these expressions into the given ODE and omit  We substitute these expressions into the given ODE and omit  ‐1.5x. This yields  the factor e the factor e‐1.5x. This yields  2) + 3C(2x − 1.5x2) + 2.25Cx2 = 10. − 6x + 2.25x C(2  2) + 2.25Cx2 = 10. − 1.5x C(2 − 6x + 2.25x2) + 3C(2x  2, x, x0 gives  Comparing the coefficients of x Comparing the coefficients of x2, x, x0 gives  0 = 0, 0 = 0, 2C = −−5.  0 = 0, 0 = 0, 2C =−−10, hence C = 10, hence C = 5.  2 −1.5x This gives the solution        This gives the solution       yypp==−5x −5x2ee−1.5x. . Hence the given ODE has the general solution  Hence the given ODE has the general solution  2e−1.5x. yy==yyh ++yyp ==(c(c1 ++cc2x)x)ee−1.5x 5x −1.5x− − 5x2e−1.5x. h

Section 2.7 p98

p

1

2

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

EXAMPLE 2

(continued) Application of the Modification Rule (b)

Solution.  Solution. (continued) (continued) Step 3. Solution of the initial value problem.  Step 3. Solution of the initial value problem.  Setting x = Setting x =0 in y and using the first initial condition,  0 in y and using the first initial condition,  we obtain y(0) = c we obtain y(0) = c11= 1. Differentiation of y gives  = 1. Differentiation of y gives  −1.5x − 10x e−1.5x + 7.5x2e−1.5x. − 1.5c − 1.5c x)e y’y’= (c 2 1 2 = (c2 − 1.5c1 − 1.5c2x)e−1.5x − 10x e−1.5x + 7.5x2e−1.5x. From this and the second initial condition we have  From this and the second initial condition we have  y’y’(0) = c (0) = c22−−1.5c 1.5c11= 0. = 0.Hence c Hence c22= 1.5c = 1.5c11= 1.5.  = 1.5.  This gives the answer (Fig. 51) This gives the answer (Fig. 51) −1.5x − 5x2 e−1.5x = (1 + 1.5x − 5x2) e−1.5x. y = (1 + 1.5x) e y = (1 + 1.5x) e−1.5x − 5x2 e−1.5x = (1 + 1.5x − 5x2) e−1.5x. The curve begins with a horizontal tangent, crosses the x‐axis  The curve begins with a horizontal tangent, crosses the x‐axis  2 = 0) and approaches the  − 5x at x = 0.6217 (where 1 + 1.5x  at x = 0.6217 (where 1 + 1.5x − 5x2 = 0) and approaches the  axis from below as x increases.  axis from below as x increases.  Section 2.7 p99

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.7 Nonhomogeneous ODEs

EXAMPLE 2

(continued) Application of the Modification Rule (b)

Solution.  Solution. (continued) (continued) Step 3.  Step 3. (continued) (continued)

Section 2.7 p100

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 2.8 Modeling: Modeling: Forced Forced

Oscillations. Oscillations. Resonance Resonance

Section 2.8 p101

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

In Sec. 2.4 we considered vertical motions of a mass–spring  In Sec. 2.4 we considered vertical motions of a mass–spring  system (vibration of a mass m on an elastic spring, as in Figs.  system (vibration of a mass m on an elastic spring, as in Figs.  33 and 53) and modeled it by the  33 and 53) and modeled it by the homogeneous  homogeneous linear ODE linear ODE (1)                my” (1)                my”+ cy’ + cy’+ ky = + ky =0.0. Here y(t) as a function of time t is the  Here y(t) as a function of time t is the  displacement of the body of mass m  displacement of the body of mass m  from rest. from rest.

Section 2.8 p102

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

The mass–spring system of Sec. 2.4 exhibited only free motion.  The mass–spring system of Sec. 2.4 exhibited only free motion.  This means no external forces (outside forces) but only  This means no external forces (outside forces) but only  internal forces controlled the motion.  internal forces controlled the motion.  The internal forces are forces within the system. They are the  The internal forces are forces within the system. They are the  force of inertia my”, the damping force cy’ force of inertia my”, the damping force cy’(if c > (if c >0), and the  0), and the  spring force ky, a restoring force. spring force ky, a restoring force.

Section 2.8 p103

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

We now extend our model by including an additional force,  We now extend our model by including an additional force,  that is, the external force r(t), on the right. Then we have that is, the external force r(t), on the right. Then we have my” (2*)  (2*)  my”+ cy’ + cy’+ ky = r(t). + ky = r(t). Mechanically this means that at each instant t the resultant of  Mechanically this means that at each instant t the resultant of  the internal forces is in equilibrium with r(t).  the internal forces is in equilibrium with r(t).  The resulting motion is called a  The resulting motion is called a forced motion  forced motion with  with forcing  forcing  function  function r(t), which is also known as  r(t), which is also known as input  input or  or driving force driving force, ,  and the solution y(t) to be obtained is called the  output or the  or the  and the solution y(t) to be obtained is called the output  response  response of the system to the driving force. of the system to the driving force.

Section 2.8 p104

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Of special interest are periodic external forces, and we shall  Of special interest are periodic external forces, and we shall  consider a driving force of the form  consider a driving force of the form  r(t) = F r(t) = F00cos ωt  cos ωt  Then we have the nonhomogeneous ODE Then we have the nonhomogeneous ODE

(F (F00> 0, ω > 0, ω> 0). > 0).

(2)  my” (2)  my”+ cy’ + cy’+ ky = F + ky = F00cos ωt. cos ωt. Its solution will reveal facts that are fundamental in  Its solution will reveal facts that are fundamental in  engineering mathematics and allow us to model resonance. engineering mathematics and allow us to model resonance.

Section 2.8 p105

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Solving the Nonhomogeneous ODE (2) From Sec. 2.7 we know that a general solution of (2) is the  From Sec. 2.7 we know that a general solution of (2) is the  sum of a general solution  sum of a general solution yyhhof the homogeneous ODE (1)  of the homogeneous ODE (1)  plus any solution y of (2). To find ypp, we use the method , we use the method plus any solution yppof (2). To find y of undetermined coefficients (Sec. 2.7), starting from of undetermined coefficients (Sec. 2.7), starting from yyp(t) = a cos ωt + b sin ωt. (t) = a cos ωt + b sin ωt. p

(3)  (3) 

k − mω 2 ωc a = F0 ,       b F . = 0 2 2 2 2 2 2 ( k − mω ) + ω c ( k − mω ) + ω c

Section 2.8 p106

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Solving the Nonhomogeneous ODE (2) (continued) If we set  k / m = ω0  ( > 0) as in Sec. 2.4, then k = mω0 2  and  we obtain

m(ω0 2 − ω 2 ) ωc ,      b = F0 2 2 . a = F0 2 2 (5) 2 2 2 2 2 2 (5) m (ω0 − ω ) + ω c m (ω0 − ω ) + ω c We thus obtain the general solution of the  We thus obtain the general solution of the  nonhomogeneous ODE (2) in the form  nonhomogeneous ODE (2) in the form  (6)  y(t) = y (6)  y(t) = yhh(t) + y (t) + ypp(t).  (t).  Here y Here yhhis a general solution of the homogeneous ODE (1)  is a general solution of the homogeneous ODE (1)  and y and yp is given by (3) with coefficients (5). is given by (3) with coefficients (5). p

Section 2.8 p107

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance If the damping of the physical system is so small that its  If the damping of the physical system is so small that its  effect can be neglected over the time interval considered,  effect can be neglected over the time interval considered,  2 − ω2)] and  0. Then (5) reduces to a = F we can set c = /[m(ω 2 − ω2)] and  0 0 we can set c = 0. Then (5) reduces to a = F /[m(ω 0 0 2 = k/m) b = 0 Hence (3) becomes (use ω b = 0 Hence (3) becomes (use ω0 2 = k/m) 0

F0 F0 y p (t ) = cos ωt = cos ωt. 2 2 2 m(ω0 − ω ) k[1 − (ω / ω0 ) ] 2 ≠ ω 2; physically, the  Here we must assume that ω Here we must assume that ω2 ≠ ω002; physically, the  frequency ω/(2π) [cycles/sec] of the driving force is  frequency ω/(2π) [cycles/sec] of the driving force is  different from the natural frequency ω different from the natural frequency ω00/(2π) of the system,  /(2π) of the system,  which is the frequency of the free undamped motion  which is the frequency of the free undamped motion  [see (4) in Sec. 2.4].  [see (4) in Sec. 2.4]. 

(7) (7)

Section 2.8 p108

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 1) From (7) and from (4*) in Sec. 2.4 we have the general  From (7) and from (4*) in Sec. 2.4 we have the general  solution of the “undamped system” solution of the “undamped system” (8) (8)

F0 y(t ) = C cos  (ω0t − δ ) + cos ωt. 2 2 m(ω0 − ω )

We see that this output is a  We see that this output is a superposition of two harmonic  superposition of two harmonic  oscillations  oscillations of the frequencies just mentioned. of the frequencies just mentioned.

Section 2.8 p109

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 2) Resonance.  Resonance. We discuss (7). We see that the maximum  We discuss (7). We see that the maximum  amplitude of y is (put cos ωt =1) 1) amplitude of yppis (put cos ωt = F0 1 (9)  a0 = ρ     where     ρ = . 2 (9)  k 1 − (ω / ω0 ) and ω →→ωω0 , ,then  ρρ and a aa0 depends on ω 0. If ω 0 tend to  depends on ω and ω . If ω then  and a 0 0 0 0 tend to  infinity. This excitation of large oscillations by matching  infinity. This excitation of large oscillations by matching  input and natural frequencies (ω ) is called resonance resonance. .  input and natural frequencies (ω= ω = ω00) is called  ρρis called the  is called the resonance factor  resonance factor (Fig. 54), and from (9) we  (Fig. 54), and from (9) we  see that  see that ρρ/k = /k =aa00/F /F00is the ratio of the amplitudes of the  is the ratio of the amplitudes of the  particular solution y particular solution yppand of the input F and of the input F00cos ωt. We shall  cos ωt. We shall  see later in this section that resonance is of basic  see later in this section that resonance is of basic  importance in the study of vibrating systems. importance in the study of vibrating systems. Section 2.8 p110

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 3) Resonance.  Resonance. (continued) (continued)

Section 2.8 p111

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 4) In the case of resonance the nonhomogeneous ODE (2)  In the case of resonance the nonhomogeneous ODE (2)  becomes becomes F0 2 (10) y′′ + ω0 y = cos ω0t. (10) m Then (7) is no longer valid, and from the Modification Rule  Then (7) is no longer valid, and from the Modification Rule  in Sec. 2.7, we conclude that a particular solution of (10) is  in Sec. 2.7, we conclude that a particular solution of (10) is  of the form of the form yyp(t) = t(a cos ω (t) = t(a cos ω0t + t +b sin ω b sin ω0t). t). p

Section 2.8 p112

0

0

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 5) By substituting this into (10) we find a = By substituting this into (10) we find a =0 and  0 and  b = /(2mω00). Hence (Fig. 55) ). Hence (Fig. 55) b =FF00/(2mω F0 (11) y p (t ) = t sin ω0t. (11) 2 mω0

Section 2.8 p113

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 6)

We see that, because of the factor t, the amplitude of the  We see that, because of the factor t, the amplitude of the  vibration becomes larger and larger. Practically speaking,  vibration becomes larger and larger. Practically speaking,  systems with very little damping may undergo large  systems with very little damping may undergo large  vibrations that can destroy the system.  vibrations that can destroy the system.  Section 2.8 p114

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 7) Beats.  Beats. Another interesting and highly important type of  Another interesting and highly important type of  oscillation is obtained if ω oscillation is obtained if ωis close to ω is close to ω00. Take, for example,  . Take, for example,  the particular solution [see (8)] the particular solution [see (8)]

(12) (12)

F0 y( t ) = (cos ωt − cos ω0t )          (ω ≠ ω0 ). 2 2 m(ω0 − ω )

Using (12) in App. 3.1, we may write this as Using (12) in App. 3.1, we may write this as 2 F0 ω0 + ω ω0 − ω y(t ) = t )sin( t ). sin( 2 2 2 2 m(ω0 − ω )

Section 2.8 p115

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 8) Beats.  Beats. (continued) (continued) Since is ω Since is ωclose to ω close to ω00, the difference ω , the difference ω00−−ωωis small. Hence  is small. Hence  the period of the last sine function is large, and we obtain  the period of the last sine function is large, and we obtain  an oscillation of the type shown in Fig. 56, the dashed  an oscillation of the type shown in Fig. 56, the dashed  curve resulting from the first sine factor. This is what  curve resulting from the first sine factor. This is what  musicians are listening to when they  musicians are listening to when they tune  tune their instruments. their instruments.

Section 2.8 p116

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 1. Undamped Forced Oscillations. Resonance (continued 9) Beats.  Beats. (continued) (continued)

Section 2.8 p117

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Case 2. Damped Forced Oscillations If the damping of the mass–spring system is not negligibly  If the damping of the mass–spring system is not negligibly  small, we have c > small, we have c >0 and a damping term cy’ 0 and a damping term cy’in (1) and (2). in (1) and (2). Then the general solution y Then the general solution yhhof the homogeneous ODE (1)  of the homogeneous ODE (1)  approaches zero as t goes to infinity, as we know from  approaches zero as t goes to infinity, as we know from  Sec. 2.4.  Sec. 2.4.  Practically, it is zero after a sufficiently long time.  Practically, it is zero after a sufficiently long time.  Hence the “ Hence the “transient solution transient solution””(6) of (2), given by  (6) of (2), given by  y = y =yyhh++yypp, approaches the “ , approaches the “steady‐state solution steady‐state solution””yypp. .  This proves the following theorem. This proves the following theorem.

Section 2.8 p118

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

THEOREM 1 Steady-State Steady-StateSolution Solution After a sufficiently long time the output of a damped vibrating  After a sufficiently long time the output of a damped vibrating  system under a purely sinusoidal driving force [see (2)] will  system under a purely sinusoidal driving force [see (2)] will  practically be a harmonic oscillation whose frequency is that of practically be a harmonic oscillation whose frequency is that ofthe  the  input. input.

Section 2.8 p119

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

Amplitude Amplitudeof ofthe theSteady-State Steady-StateSolution. Solution. Practical PracticalResonance Resonance

Whereas in the undamped case the amplitude of y Whereas in the undamped case the amplitude of ypp approaches infinity as ω approaches infinity as ωapproaches ω approaches ω00, this will not happen  , this will not happen  in the damped case. In this case the amplitude will always be  in the damped case. In this case the amplitude will always be  finite. But it may have a maximum for some ω finite. But it may have a maximum for some ωdepending on  depending on  the damping constant c.  the damping constant c.  This may be called  practical resonance. .  This may be called practical resonance It is of great importance because if c It is of great importance because if cis not too large, then  is not too large, then  some input may excite oscillations large enough to damage or  some input may excite oscillations large enough to damage or  even destroy the system.  even destroy the system. 

Section 2.8 p120

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

To study the amplitude of y To study the amplitude of yppas a function of ω, we write (3) in  as a function of ω, we write (3) in  the form the form −−η). (13)  yyp(t) = C* cos (ωt  (t) = C* cos (ωt  η). (13)  p C* is called the  C* is called the amplitude  amplitude of y of yppand η and ηthe  the phase angle  phase angle or  or  phase lag  phase lag because it measures the lag of the output behind the  because it measures the lag of the output behind the  input. According to (5), these quantities are input. According to (5), these quantities are C * (ω ) = a + b = 2

(14) (14)

F0

2

m2 (ω0 2 − ω 2 )2 + ω 2 c 2

b ωc tanη (ω ) = = . 2 2 a m(ω0 − ω )

Section 2.8 p121

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.8 Modeling: Forced Oscillations. Resonance

(16) (16)

C * (ωmax ) =

2 mF0

c 4 m2ω0 2 − c 2 ) is always finite when c > 0.  We see that C*(ω ) is always finite when c > 0.  We see that C*(ωmax max Furthermore, since the expression  Furthermore, since the expression  2ω 2 − c4 = c2(4mk − c2)  cc224m 4m2ω002 − c4 = c2(4mk − c2)  2 in the denominator of (16) decreases monotone to zero as c in the denominator of (16) decreases monotone to zero as c2 (0).  0).  Now in an actual circuit, R  From this it follows that  From this it follows that Ih  Ih approaches zero, theoretically      approaches zero, theoretically      t t → →∞ ∞,  as but practically after a relatively short time. ,  as but practically after a relatively short time. Hence the transient current  Hence the transient current I = I =IIhh++IpIptends to the steady‐ tends to the steady‐ state current  , and after some time the output will  state current IpIp, and after some time the output will  practically be a harmonic oscillation, which is given by (5)  practically be a harmonic oscillation, which is given by (5)  and whose frequency is that of the input (of the  and whose frequency is that of the input (of the  electromotive force). electromotive force). Section 2.9 p134

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.9 Modeling: Electric Circuits

Analogy of Electrical and Mechanical Quantities Entirely different physical or other systems may have the  Entirely different physical or other systems may have the  same mathematical model.  same mathematical model. For instance, we have seen this  For instance, we have seen this  from the various applications of the ODE  ky in Chap. 1. in Chap. 1. from the various applications of the ODE yy’ ’= = ky  Another impressive demonstration of this  Another impressive demonstration of this unifying power  unifying power  of mathematics  of mathematics is given by the ODE (1) for an electric  is given by the ODE (1) for an electric RLC RLC‐‐ circuit and the ODE (2) in the last section for a mass–spring  circuit and the ODE (2) in the last section for a mass–spring  system. Both equations system. Both equations 1 LI ′′ + RI ′ + I = E′(t ) = E0ω cos ωt C and  my and  my””+ + cy cy’ ’+ + ky = ky =FF0 cos  cos ωt ωt 0

are of the same form.  are of the same form.  Section 2.9 p135

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.9 Modeling: Electric Circuits

Analogy of Electrical and Mechanical Quantities (continued 1) Table 2.2 shows the analogy between the various quantities  Table 2.2 shows the analogy between the various quantities  involved. The inductance  involved. The inductance L L corresponds to the mass  corresponds to the mass m  m and,  and,  indeed, an inductor opposes a change in current, having an  indeed, an inductor opposes a change in current, having an  “inertia effect” R  “inertia effect”similar to that of a mass. The resistance  similar to that of a mass. The resistance R  corresponds to the damping constant  corresponds to the damping constant cc, and a resistor  , and a resistor  causes loss of energy, just as a damping dashpot does. And  causes loss of energy, just as a damping dashpot does. And  so on. so on. This analogy is  This analogy is strictly quantitative  strictly quantitative in the sense that  in the sense that  to a given mechanical system we can construct an electric  to a given mechanical system we can construct an electric  circuit whose current will give the exact values of the  circuit whose current will give the exact values of the  displacement in the mechanical system when suitable scale  displacement in the mechanical system when suitable scale  factors are introduced. factors are introduced. Section 2.9 p136

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.9 Modeling: Electric Circuits

Analogy of Electrical and Mechanical Quantities (continued 2) The  The practical importance  practical importance of this analogy is almost  of this analogy is almost  obvious. The analogy may be used for constructing an  obvious. The analogy may be used for constructing an  “electrical model” “electrical model”of a given mechanical model, resulting  of a given mechanical model, resulting  in substantial savings of time and money because electric  in substantial savings of time and money because electric  circuits are easy to assemble, and electric quantities can be  circuits are easy to assemble, and electric quantities can be  measured much more quickly and accurately than  measured much more quickly and accurately than  mechanical ones. mechanical ones.

Section 2.9 p137

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.9 Modeling: Electric Circuits

Analogy of Electrical and Mechanical Quantities (continued 3)

Section 2.9 p138

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 2.10 Solution Solution by by Variation Variation of of Parameters Parameters

Section 2.10 p139

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 Solution by Variation of Parameters

We continue our discussion of nonhomogeneous linear ODEs,  We continue our discussion of nonhomogeneous linear ODEs,  that is that is (1) yy””+ + pp(x (1) (x)y )y’ ’+ + qq(x (x))y = y =rr((xx).). To obtain  To obtain yyp p when  when r(x) r(x)is not too complicated, we can often use  is not too complicated, we can often use  the  the method of undetermined coefficients. method of undetermined coefficients. However, since this method is restricted to functions  However, since this method is restricted to functions rr(x (x)) whose derivatives are of a form similar to  whose derivatives are of a form similar to rr((xx))itself (powers,  itself (powers,  exponential functions, etc.), it is desirable to have a method  exponential functions, etc.), it is desirable to have a method  valid for more general ODEs (1), which we shall now develop. valid for more general ODEs (1), which we shall now develop. It is called the  method of variation of parameters and is  and is  It is called the method of variation of parameters  credited to Lagrange (Sec. 2.1). Here  credited to Lagrange (Sec. 2.1). Here pp, , q, r  q, r in (1) may be  in (1) may be  variable (given functions of  variable (given functions of xx), but we assume that they are  ), but we assume that they are  continuous on some open interval  continuous on some open interval I.I. Section 2.10 p140

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 Solution by Variation of Parameters

Lagrange’s method gives a particular solution  Lagrange’s method gives a particular solution yyppof (1) on  of (1) on I I  in the form in the form (2) (2)

y2 r y1r y p ( x) = − y1 ∫ dx +  y2 ∫ dx W W

where  where yy11, , yy22form a basis of solutions of the corresponding  form a basis of solutions of the corresponding  homogeneous ODE homogeneous ODE (3) yy””+ + pp(x (3) (x)y )y’ ’+ + qq(x (x)y =  )y = 00 on  I, and W  W is the Wronskian of  is the Wronskian of yy1, , yy2. . on I, and  1

(4)  (4) 

Section 2.10 p141

2

W = W =yy11yy2’2’−−yy22yy1’1’

(see Sec. 2.6).  (see Sec. 2.6). 

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 Solution by Variation of Parameters

EXAMPLE 1 Method of Variation of Parameters Method of Variation of Parameters Solve the nonhomogeneous ODE Solve the nonhomogeneous ODE 1 ′′ y + y = sec x = . cos x Solution.  Solution. A basis of solutions of the homogeneous ODE on  A basis of solutions of the homogeneous ODE on  any interval is  any interval is yy11= cos  = cos xx, , yy22= sin  = sin x.  x. This gives the  This gives the  Wronskian  Wronskian  W W( ( yy1, 1, yy22) = cos  ) = cos x x cos  cos x x −−sin  sin x x (− (−sin  sin xx) = 1. ) = 1. From (2), choosing zero constants of integration, we get the  From (2), choosing zero constants of integration, we get the  particular solution of the given ODE particular solution of the given ODE y p = − cos  x ∫ sin  x   sec  x  dx + sin  x ∫ cos  x   sec  x  dx = cos  x   ln   cos x + x   sin  x Section 2.10 p142

(Fig. 70) Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig (Fig. 70)Advanced Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 Solution by Variation of Parameters

EXAMPLE 1 (continued) Solution.  Solution. (continued 1) (continued 1) Figure 70 shows  Figure 70 shows yyppand its first term, which is small, so that  and its first term, which is small, so that  x x sin  sin x x essentially determines the shape of the curve essentially determines the shape of the curve of  of yypp. From  . From yyp p and the general solution  and the general solution yyhh==cc11yy11+ + cc22yy22of the  of the  homogeneous ODE we obtain the a nswer homogeneous ODE we obtain the answer y = + ln|cos xx|) cos  |) cos x + x +(c(c22+ + xx) sin  ) sin xx. . y =yyhh++yypp==(c(c11+ ln|cos  Had we included integration constants  Had we included integration constants −−cc11, , cc22in (2),  in (2),  then (2) would have given the additional  then (2) would have given the additional  cc1cos  x + cc2sin  x = cc1yy1 + + cc2yy2, that is, a general solution of the  cos  x + sin  x = 1 2 1 1 2 2, that is, a general solution of the  given ODE directly from (2). This will always be the case. given ODE directly from (2). This will always be the case.

Section 2.10 p143

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

2.10 Solution by Variation of Parameters

EXAMPLE 1 (continued) Solution.  Solution. (continued 2) (continued 2)

Section 2.10 p144

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY SUMMARYOF OFCHAPTER CHAPTER 2 2

Second-Order Second-Order ODEs ODEs

Section 2.Summary p145

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY OF CHAPTER

2

Second-Order ODEs

Second‐order linear ODEs are particularly important in  Second‐order linear ODEs are particularly important in  applications, for instance, in mechanics (Secs. 2.4, 2.8) and  applications, for instance, in mechanics (Secs. 2.4, 2.8) and  electrical engineering (Sec. 2.9). A second‐order ODE is  electrical engineering (Sec. 2.9). A second‐order ODE is  called  linear if it can be written if it can be written called linear  (1)  yy””+ + pp(x (Sec. 2.1). (1)  (x)y )y’ ’+ + qq(x (x))y = y =rr((xx)) (Sec. 2.1). (If the first term is, say,  (If the first term is, say, f(fx (x))yy”, divide by  ”, divide by f(fx (x) to get the  ) to get the  ““standard form standard form””(1) with  (1) with yy””as the first term.) Equation (1)  as the first term.) Equation (1)  is called  homogeneous if  if rr((xx) is zero for all  ) is zero for all x x considered,  considered,  is called homogeneous  usually in some open interval; this is written  usually in some open interval; this is written r r ≣ ≣0. Then 0. Then (2) yy””+ + pp(x (2) (x)y )y’ ’+ + qq(x (x))y = y =00 Equation (1) is called  Equation (1) is called nonhomogeneous  nonhomogeneous if  if rr(x (x) ) ≣ ≣0   0   (meaning  (meaning rr(x (x) is not zero for some  ) is not zero for some x x considered). considered). Section 2.Summary p146

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY OF CHAPTER (continued 1)

2

Second-Order ODEs

For the homogeneous ODE (2) we have the important  For the homogeneous ODE (2) we have the important  superposition principle  superposition principle (Sec. 2.1) that a linear combination  (Sec. 2.1) that a linear combination  y = y =ky ky11+ + lyly22of two solutions  of two solutions yy11, , yy22is again a solution. is again a solution. Two  Two linearly independent  linearly independent solutions  solutions yy11, , yy22of (2) on an open  of (2) on an open  interval  interval I I form a  form a basis  basis (or  (or fundamental system fundamental system) of solutions  ) of solutions  on  cc1, , cc2 a a  2 with arbitrary constants  on I,I,and  and y = y =cc11yy11+ + cc2y y with arbitrary constants  2 2  1 2 general solution  of (2) on  I . From it we obtain a  particular  general solution of (2) on I. From it we obtain a particular  solution  solution if we specify numeric values (numbers) for  if we specify numeric values (numbers) for cc11and  and  cc2, usually by prescribing two  initial conditions , usually by prescribing two  initial conditions 2 (3)  (3)  yy(x (x00) =  ) = KK00, ,  yy’(’(xx00) =  ) = KK11 (x (x00, , KK00, , KK11given numbers; Sec. 2.1). given numbers; Sec. 2.1). (2) and (3) together form an  (2) and (3) together form an initial value problem initial value problem. .  Similarly for (1) and (3). Similarly for (1) and (3). Section 2.Summary p147

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY OF CHAPTER (continued 2)

2

Second-Order ODEs

For a nonhomogeneous ODE (1) a  For a nonhomogeneous ODE (1) a general solution  general solution is of  is of  the form the form (4)  y = (Sec. 2.7). (4)  y =yyhh++yypp (Sec. 2.7). Here  Here yyhhis a general solution of (2) and  is a general solution of (2) and yyppis a particular  is a particular  solution of (1). Such a  can be determined by a general  solution of (1). Such a yyp p can be determined by a general  method ( method (variation of parameters variation of parameters, Sec. 2.10) or in many  , Sec. 2.10) or in many  practical cases by the  practical cases by the method of undetermined coefficients method of undetermined coefficients. . The latter applies when (1) has constant coefficients  The latter applies when (1) has constant coefficients p p and  and qq, ,  and  and rr(x (x) is a power of  ) is a power of xx, sine, cosine, etc. (Sec. 2.7). Then we  , sine, cosine, etc. (Sec. 2.7). Then we  write (1) as write (1) as yy””+ + ay (Sec. 2.7). (5)  ay’ ’+ + by = by =rr((xx)) (Sec. 2.7). (5)  The corresponding homogeneous ODE  yy’ ’+ + ay ’ ’+ + by = 0 has  The corresponding homogeneous ODE  ay by = 0 has  λx solutions  where  λλis a root of solutions y = y =eeλx where  is a root of 2 (6)  λλ2+ + aλ (6)  aλ+ + b = b =0.0. Section 2.Summary p148

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY OF CHAPTER

2

Second-Order ODEs

(continued 3)

Hence there are three cases (Sec. 2.2): Hence there are three cases (Sec. 2.2):

Here  * is used since ωωis needed in driving forces. is needed in driving forces. Here ωω* is used since  Important applications of (5) in mechanical and electrical  Important applications of (5) in mechanical and electrical  engineering in connection with  engineering in connection with vibrations  vibrations and  and resonance  resonance  are discussed in Secs. 2.4, 2.7, and 2.8. are discussed in Secs. 2.4, 2.7, and 2.8.

Section 2.Summary p149

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.

SUMMARY OF CHAPTER (continued 4)

Second-Order ODEs

Another large class of ODEs Another large class of ODEssolvable “algebraically” solvable “algebraically” consists of the  Euler–Cauchy equations consists of the Euler–Cauchy equations 2 (7)  xx2yy””+ + axy (Sec. 2.5). (7)  axy’ ’+ + by = by =00 (Sec. 2.5). m These have solutions of the form  These have solutions of the form y = y =xxm, where  , where m  m is a  is a  solution of the auxiliary equation solution of the auxiliary equation 2 + (a − 1)m + b = 0. (8)  m (8)  m2 + (a − 1)m + b = 0. Existence and uniqueness  Existence and uniqueness of solutions of (1) and (2) is  of solutions of (1) and (2) is  discussed in Secs. 2.6 and 2.7, and  reduction of order  discussed in Secs. 2.6 and 2.7, and reduction of order  in Sec. 2.1. in Sec. 2.1.

Section 2.Summary p150

2

Advanced Engineering Mathematics, 10/e by Erwin Kreyszig Copyright 2011 by John Wiley & Sons. All rights reserved.