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Foundations of Applied Mathematics

MATH 4700 – Fall 2022

Homework 2

1.  (30 points plus  10 bonus points) Use perturbation theory to nd two different approximate solutions of order unity to each of the following equations:

(a) 北2 + (2 + e) _ 8 = 0

(b) 2 + e2 ^2 + = 3 cos e

where e is a small parameter. Your nal solution for each root should be in the form of a main term of order unity plus one nonzero correction term, along with the usual formal estimate for the magnitude of the error of the approximation.

For equation (1a), compute the exact solution, and verify the approximation you ob- tained from perturbation theory by comparing it against the exact solution.  For 10 bonus points, compare the approximation from perturbation theory against numeri- cal solution of Eq. (1b) and comment on your observations.

2.  (70 points plus  25 bonus points) Consider a spacecraft which is in orbit about a planet.   The equations describing its motion are Newton’s laws, which in radial

coordinates read:

 _ r z 2  = _  ,

d2 θ        dr dθ

dt2            dt dt

 

Figure 1: Schematic of spacecraft in orbit about a planet, viewed from above the north pole of the planet.

The variables and parameters appearing here have the following meaning:

● t is time

● r = r(t) denotes the distance of the spacecraft from the center of the planet.

● θ = θ(t) denotes the angular position of the spacecraft; it ranges from 0 to 2π radians as the spacecraft traces a complete orbit.   It suffices for simplicity to consider the spacecraft as always flying above the equator of the planet; the angle θ then just denotes its angular position from the point of view of an observer looking down from the North Pole.

● M is the mass of the planet

● G is the universal gravitational constant (not the same as the gravitational con- stant g used for gravitational effects near the surface of the earth)

I’ve extended you the courtesy of canceling out the factors of the mass of the spaceship from the problem so you don’t have to fuss with this irrelevant parameter.

(a)  (5 points) Suppose the spacecraft is in an exact circular orbit moving counter- clockwise from the point of view of an observer looking down from the North Pole, always at the same distance R from the center of the planet. Compute how r(t) and θ(t) behave for this type of orbit.

(b)  (20 points) Now suppose that a spacecraft has been ying for a while in this exact circular orbit and at time t1   the spacecraft res its rockets for a short time in the forward direction.  This has the effect of slowing down its rotational velocity r   (suddenly) by an amount u but not changing its radial velocity  . Moreover, assume the rockets are on for such a short time that the position of the rocket moves only a negligible amount during the rocket ring.  (For those who understand the terminology, this means the same thing as treating the effect of the rockets as an instantaneous impulse).  After the rockets nish ring, the spacecraft’s trajectory will be somewhat different than its original orbit; in fact it may not be circular anymore. In any case, the equations (1) describe the motion of the spacecraft after the rockets nish ring.  We want to use these equations to predict how the spacecraft will behave over a few orbits after the rocket ring. Nondimensionalize the equations of motion  (1) in an intelligent way to set up for a perturbation theory calculation of the spacecraft’s motion after the rockets have nished ring. You should supply an appropriate and complete set of initial conditions to be applied at the time tf  at which the rockets have nished ring, and nondimensionalize these intelligently as well.

Note that for full credit, you should express the equations of motion and initial conditions in completely nondimensional terms, with no dimensional quantities remaining. The variables should be properly normalized to prepare for a successful perturbation theory.  All new variables and parameters you introduce should be clearly defined in terms of the original variables and parameters.

(c)  (10 points) Why is your choice of nondimensional variables a good one for prepar- ing for perturbation theory? What might go wrong if you had nondimensionalized them in a different way?

(d)  (10 points) When what quantity is small can a perturbation theory be pursued meaningfully to produce an approximate solution for the spacecraft’s motion after the firing of the rockets?   Interpret in physical terms what it means for this quantity to be small.

(e)  (25 points) Perform a perturbation theory to compute the motion of the space- craft after the ring of the rockets, including a main term, one nonzero correction term arising from the rocket impulse, and an estimate of the error of your approx- imation.  In particular, what is the size of the uctuations of the resulting orbit about the original circular orbit?

(f)  (25 bonus points) Solve the equations for the spacecraft’s motion exactly, and show that the results from your perturbation theory are in agreement with the exact solution.