ANALISI MATEMATICA I, Compito scritto del 5/07/2016 Corso di Laurea in Matematica. COGNOME e NOME... MATR T
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- Agostina Campo
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1 ANALISI MATEMATICA I, Compito scritto del 5/7/6 Corso di Laurea in Matematica COGNOME e NOME... MATR T Nelle risposte devono essere riportati anche i conti principali e le motivazioni principali. Esercizio Sia data la successione di funzioni definite da f n (x) = 3n+ nx per x e nulle in zero. Calcolarne il ite puntuale. Dire se la convergenza è uniforme in [, ] e se lo è in [, ]. RISOLUZIONE: Si ha n f n () = n =, mentre, per x n f n (x) = n 3n+ nx = n n(3+/n) nx = =. La convergenza è uniforme in [, ] sse n sup{ f n (x) f(x), x [, ]} =. Si osservi che le f n (x) sono continue in R poichè sono composte tramite funzioni continue per x e si ha x f n (x) = = f n () (si tratta di una f.i. ma prevale l esponenziale, come vediamo con la sostituzione y = /x). Allora, poiché una funzione continua su un compatto ha massimo e minimo, si ottiene sup{ f n (x) f(x), x [, ]} = max{ f n (x) f(x), x [, ]} = max{ f n (x), x [, ]} = max{f n (x), x [, ]} (si è usato il fatto che f n (x) = f n (x) ). Visto che le f n sono funzioni pari, si ha max{f n (x), x [, ]} = max{f n (x), x [, ]}. Determiniamo quindi max{f n (x), x [, ]} dopo uno studio della derivata di f n per x > : f n(x) = 3n+ n [ D e x 4 nx ] = 3n+ n e nx [ 4 x 5 + x 4 nx 3 ] sse 4nx + nx 7. Per x >, si ottiene quindi f n(x) > sse < x < / n. Allora max{f n (x), x [, ]} = f n (/ n) = 4(3n + ) e + per n +, quindi la convergenza non è uniforme, ma solo puntuale in [, ]. Analogamente per stabilire se la convergenza è uniforme in [, ], calcoliamo sup{ f n (x), x [, ]} = max{f n (x), x [, ]}. Dallo studio della derivata, essendo / n <, si ha che f n è decrescente in [, ], quindi max{f n (x), x [, ]} = f n () = 3n+ e n n per n +, da cui segue che la convergenza è uniforme in [, ].
2 Esercizio Al variare di α (, + ) discutere in R la continuità della funzione { x 3 xy y e f(x, y) = (x +4y ) α (x +y ), (x, y) (, ), (x, y) = (, ). RISOLUZIONE: E sufficiente discutere la continuità di f in (, ), essendo negli altri punti f continua in quanto composta tramite funzioni continue. Perché f sia continua deve risultare: (x,y) (,) x 3 y (x + 4y ) α e xy (x +y ) =. In particolare allora, gli α > per cui si ha continuità devono essere tali che, si abbia ad esempio lungo le rette y = kx: x x 4 k [x (+4k ) α ] e k (+k ) = x 4 α k x 3 kx (x + 4k x ) α e xkx (x +k x ) = x (+4k ) α e k x 4 k [x ( + 4k ) α ] e k (+k ) =. (+k ) per x se 4 α > α <. Se α = il ite dipende dalla retta su cui ci avviciniamo all origine, se α > e k, il ite di f lungo le rette diverge. Quindi f puó essere continua anche in (, ) solo se α <. Dimostriamo che se α < f è continua in (, ), ricordando che x x + y, y x + y, xy x + y ) e osservando che x + 4y x + y, quindi: x 3 y (x + 4y ) e xy α (x +y ) (x + y ) α e / per (x, y) (, ) dove la convergenza è nel senso di R in quanto abbiamo maggiorato il modulo della funzione con una funzione continua in R che converge a per (x, y) (, ).
3 { x + π/, se x ( π, ], Esercizio 3 Sia f(x) = x π/, se x (, π]. Definire f su tutto R estendendola per periodicità. Inoltre: (a) Calcolare i coefficienti di Fourier di f. (b) Scrivere la serie di Fourier associata ad f, dire se converge e quale è il suo ite per ogni x R e se la convergenza è uniforme in R. (c) Qual è il periodo minimo della funzione e quindi della serie ottenuta? RISOLUZIONE: Se f è estesa per periodicità, essa è continua in R \ {kπ, k Z} e in ogni intervallo (kπ, (k + )π), (k Z) puó essere estesa per continuità agli estremi riusultando una funzione C in [kπ, (k + )π)] (k Z). Infatti la derivata in questi intervalli è costantemente e quindi estendibile per continuità agli estremi. Allora f è C a tratti ma non continua, quindi, calcolata la sua serie di Fourier, avremo che essa converge a f in R \ {kπ, k Z}, mentre convege a ( x kπ f(x) + ( x kπ + f(x))/ = (π/ π/)/ = per x = kπ, (k Z). Abbiamo cosi risposto al punto (b) non appena scriviamo la serie di Fourier di f. (a) Calcolo i coefficienti di Fourier, osservando che f è dispari (se x (, π) f( x) = x + π/ = f(x)). Allora i coefficienti a k, k N sono nulli (si integra una funzione dispari in un intervallo simmetrico rispetto all origine, essendo dispari la fiunzione integranda in quanto ottenuta moltiplicando f per cos(kx) che è pari). Calcolo allora i b k (osservando che il prodotto di due funzioni dispari è pari e quindi l integrale è due volte quello tra e π): b k = π π π f(x) sin(kx) = π π (x π/) sin(kx) = { [ (x π/) π k cos(kx)]π + π cos(kx) } = { k π k [ ( )k π/ π/] + [sin(kx)] π k } = π { k [ ( )k ]π/ + k [sin(kx)] π } = k [ ( )k ]. Quindi sono nulli i coefficienti di indice dispari e per quelli di indice pari si ottiene b k = /k = /k, ottenendo la seguente serie di Fourier: k= sin(kx) k (c) Si ottiene quindi una serie di Fourier periodica di periodo π e si verifica facilmente che anche la funzione f, ovviamente, ha π come periodo minimo.. 3
4 Esercizio 4 (a) Al variare di α (, + ), discutere la convergenza del seguente integrale improprio (calcolabile esplicitamente): /3 x ( ln x) α. (b) Al variare di α (, + ), discutere la convergenza del seguente integrale improprio: /3 x ( ln x) α 3 ( 3x). RISOLUZIONE: (a) Con la trasformazione y = ln(x) dy = /x, s = ln(t), si ha che s + per t e si ottiene /3 ln(3) t + t x ( ln x) = dy s α s + s y = dy α s + ln(3) y, α che sappiamo calcolare esplicitamente ottenendo la convergenza se α > e la divergenza altrimenti (nel calcolo dobbiamo distinguere tra il caso α = e il caso α ). (b) L integrale è improprio sia per x che per x /3 poichè la funzione integranda non è itata per x tendente a quei valori ed è continua nell intervallo (, /3). Devo quindi discutere la convergenza di due integrali impropri: /3 /4 x ( ln x) α 3 ( 3x) = /3 x ( ln x) α 3 ( 3x).+ /4 x ( ln x) α 3 ( 3x). Poiché la funzione integranda è positiva, posso applicare il criterio del confronto asintotico, confrontando con la funzione integranda della parte (a) il primo integrale: x + x ( ln x) α 3 ( 3x) x ( ln x) α = ( 3x) =. x + 3 Per il secondo integrale, effettuo il seguente confronto x (/3) x ( ln x) α 3 ( 3x) = 3 x (/3) ( 3x) x ( ln x) = 3 α (ln 3). α La funzione ( 3x) /3 è integrabile esplicitamente in un intorno di /3 e il suo integrale converge (/3 < ). Allora il nostro integrale converge se è α >. 4
5 Esercizio 5 Determinare l integrale generale della seguente equazione differenziale y 4y + 8y = 4 + 3e x e poi trovare la soluzione del problema di Cauchy y() =, y () =. Determinare se esistono, y, y R, tali che ai dati di Cauchy y() = y, y () = y corrisponda una soluzione itata in [, + ). RISOLUZIONE: Equazione caratteristica: λ 4λ+8 = λ ± = ± 4 8 = ±i (radici complesse coniugate). L integrale generale è dato da y(x) = c e x cos(x) + c e x sin(x) + ȳ(x) + v(x), dove ȳ(x) è soluzione dell equazione non omogenea con termine noto 4 e v(x) è soluzione dell equazione non omogenea con termine noto 3e x. Con il metodo di somiglianza, essendo il termine noto 4 un polinomio di grado (e non essendo nessun polinomio soluzione dell equazione omogenea), otteniamo che ȳ(x) deve essere anch esso un polinomio di grado, quindi ȳ(x) = A dove A deve essere una opportuna costante, scelta in modo che ȳ(x) risolva l equazione non omogenea ȳ 4ȳ + 8ȳ = 4. Essendo ȳ (x) = = ȳ (x), si ottiene la condizione ȳ 4ȳ + 8ȳ = 8A = 4 A = /. Analogamente con il metodo di somiglianza, essendo il termine noto 3e x un esponenziale (che non è soluzione dell equazione omogenea), otteniamo che v(x) deve essere anch esso un esponenziale dello stesso tipo, quindi v(x) = Be x dove B deve essere una opportuna costante, scelta in modo che v(x) risolva l equazione non omogenea v 4v + 8v = 3e x. Essendo v (x) = Be x, v (x) = 4Be x, si ottiene la condizione v 4v + 8v = Be x ( ) = 3e x B = 3 B = 3/. Quindi l integrale generale è dato da y(x) = c e x cos(x) + c e x sin(x) + 3 e x. Cerco ora la soluzione che risolve il problema di Cauchy y() =, y () =. Imponendo che una soluzione (come scritta nell integrale generale), verifichi questi dati si ottiene: y() = c + 3 = c = e y (x) = + c e x sin(x) + c e x cos(x) 3e x y () = c 3 = c = 3/. Allora la soluzione del problema di Cauchy è y(x) = 3 ex sin(x) + 3 e x. L integrale generale mostra che l unica soluzione itata in [, + ) è quella che si ottiene se c = c =, quindi la soluzione y(x) = + 3 e x che è l unica a risolvere il problema di Cauchy y() = e y () = 3. 5
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