Insinöörimatematiikka D

Samankaltaiset tiedostot
Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

(a) Järjestellään yhtälöitä siten, että vasemmalle puolelle jää vain y i ja oikealle puolelle muut

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

. Mitä olisivat y 1 ja y 2, jos tahdottaisiin y 1 (0) = 2 ja y 2 (0) = 0? x (1) = 0,x (2) = 1,x (3) = 0. Ratkaise DY-ryhmä y = Ay.

Insinöörimatematiikka D

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

4 KORKEAMMAN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. Kertaluvun n lineaarinen differentiaaliyhtälö ns. standardimuodossa on

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Insinöörimatematiikka D

7. DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Värähtelevä jousisysteemi

1. Olkoot f ja g reaalifunktioita. Mitä voidaan sanoa yhdistetystä funktiosta g f, jos a) f tai g on rajoitettu? b) f tai g on jaksollinen?

1 Di erentiaaliyhtälöt

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

Insinöörimatematiikka D

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Kvanttifysiikan perusteet 2017

järjestelmät Luento 8

FUNKTION KUVAAJAN PIIRTÄMINEN

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 6 Laskuharjoitus 13: Rajapintaehdot ja siirrosvirta

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 13: ti klo 13:00-15:30 ja to 1.4.

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Esimerkki: Tarkastellaan korkeudella h ht () putoavaa kappaletta, jonka massa on m (ks. kuva).

6.6. Tasoitus ja terävöinti

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

3. Laske osittaisintegroinnin avulla seuraavat integraalit

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Mat. tukikurssi 27.3.

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Matemaattinen Analyysi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti (esimerkki)

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

102 Käyrä. Piste ( 3,0 ) on käyrällä, jos ja vain jos sen koordinaatit. Siis piste ( 1, 2) Siis piste ( 3,0 ) ei ole käyrällä.

Matematiikan tukikurssi

Sijoitusmenetelmä Yhtälöpari

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

a 1 y 1 (x) + a 2 y 2 (x) = 0 vain jos a 1 = a 2 = 0

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Laplace-muunnos: määritelmä

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Transkriptio:

Insinöörimatematiikka D Demonstraatio 7, 6.7... Ratkaise dierentiaalihtälöpari = = Vastaus: DY-pari voidaan esittää muodossa ( = Matriisin ominaisarvot ovat i ja i ja näihin kuuluvat ominaisvektorit ( i, ja (i,. Näin ollen leinen ratkaisu on = c e it ( i c e it ( i Ratkaisu toisin: Sijoittamalla lemmästä lausekkeesta alempaan saadaan =, mihin voidaan soveltaa ritettä = e λt ja näin saadaan λ =, mistä λ = ±. Täten = c e it c e it ja = = c ie it c ie it. Eulerin kaavan perusteella ratkaisu voidaan kirjoittaa mös muotoon = b sin t b cos t ja = = b cos t b sin t.. Ratkaise dierentiaalihtälöpari = 3 t =. Vastaus: DY-pari voidaan esittää muodossa ( ( 3 = ( t Matriisin ominaisarvot ovat ja ja näihin kuuluvat ominaisvektorit (, ja ( 3,. Näin ollen homogeenisen htälöparin leinen ratkaisu on = c e t ( c e t ( 3 Yksittäisratkaisua varten kirjoitetaan pari muotoon { (D 3 = t (D = Soveltamalla operaattoria D alempaan htälöön ja lisäämällä lempi htälö saadaan (D (D 3 = t (D 6D 3 = t 6 = t, josta Laplace-muunnoksilla saadaan s Y 6sY Y = s, josta Y = s (s (s = 3 3 s. s s 3 s

ja = 3 et et t 3 3. Homogeenisen htälön ratkaisujen perusteella ksittäisratkaisuksi voidaan valita mös = t 3 3. Tällöin = = ( t 3 3 = t 3 Näin ollen htälöparin leinen ratkaisu on ( ( = c e t c e t 3 ( t 3 t 3 3 3. Olkoon k vakio. Muunna toisen kertaluvun dierentiaalihtälö s = k s ensimmäisen kertaluvun dierentiaalihtälöpariksi kättämällä funktiota r = s. Vastaus: { r = k s s = r. Kolme jousta ja kaksi massaa on ktkett kuvion osoittamalla tavalla. Etäisdet on valittu siten, että lepotilassa ssteemin jousista ei ksikään ole jännittnt. Hooken lain mukaan jousen aiheuttama voima siihen kiinitettn kappaleeseen on F = k, missä on jousen poikkeama tasapainoasemastaan ja k jousivakio. Merkitään ensimmäisen massan poikkeamaa lepoasemasta :llä ja toisen :llä ja valitaan oikeanpuoleinen suunta positiiviseksi. Kirjoita Newtonin lain mukaiset liikehtälöt :lle ja :lle ja ratkaise näin muodostuva DY-pari. Kappaleiden massoiksi oletetaan kg ja jousivakioiksi N/m. Kitkavoimia ei otata huomioon. Ohje: Hödnnä derivoinnin operaattorimerkintää. Vastaus: Kätetään aluksi massoista merkintojä m ja m sekä jousivakioista k, k ja k 3. Tällöin m = k k ( ja m = k ( k 3. Sijoittamalla tehtävän vakiot saadaan dierentiaalihtälöpari = =, joka voidaan operaattorimerkinnällä kirjoittaa muotoon { (D = (D = Soveltamalla jälkimmäiseen htälöön operaattoria D saadaan { (D = (D (D =

ja htälöt hteen laskemalla saadaan mikä voidaan kirjoittaa mös muotoon ((D =, ( 3 =. Tämän ratkaisut ovat saadaan ritteellä = e λt, josta λ λ 3 = λ = 3 tai λ = ja edelleen λ {±i 3, ±i}. Näin ollen reaaliset ratkaisut voidaan kirjoittaa muotoon = sin t cos t 3 sin 3t cos 3t ja = (D = sin t cos t 3 sin 3t cos 3t. Huomautus Vakioiden ja ollessa reaalisia voidaan piirtää suorakulmainen kolmio, jonka kateetit ovat ja, jolloin hpotenuusa on d = ja sin θ = /d, cos θ = /d. Tällöin sin t cos t = d ( d sin t d cos t = d (sin θ sin tcos θ cos t = d cos(t θ. Täsmälleen samoin saadaan 3 sin 3t cos 3t muotoon d cos( 3t θ, jolloin ratkaisut saadaan kirjoitettua tiiviimpään muotoon = d cos(t θ d cos( 3t θ. ja = d cos(t θ d cos( 3t θ. Newtonin jäähtmislain mukaan lämpötilan muutosnopeus on verrannollinen lämpötilojen erotukseen. Olkoot, ja z lämpötilat kellarissa, asuinkerroksessa ja ullakolla. Oletetaan ulkoilman lämpötilaksi, maan lämpötilaksi, ja ajanhetkellä t = kellarin lämpötilaksi sekä asuinkerroksen ja ullakon lämpötilaksi. Ajanhetkellä t = ktketään päälle sähkölämmitin, joka nostaisi asuinkerroksen lämpötilaa tunnissa, mikäli erists olisi tädellinen. Näin ei kuitenkaan ole, vaan lämpöä siirt kellarista maahan, asuinkerroksen lattian kautta kellariin (tai päinvastoin, 3 asuinkerroksen seinien kautta ulos, asuinkerroksen katon kautta ullakolle ja ullakon katon kautta ulkoilmaan. Olkoot Newtonin jäähtmislain mukaiset kertoimet k =, k =, k 3 =, k = ja k =. Kirjoita dierentiaalihtälörhmä lämpötiloille, ja z ja ratkaise se mainituilla alkuehtoilla. Kauanko kuluu, että asuinkerroksen lämpötila kohoaan :een? Vastaus: DY-rhmä on = ( ( = ( ( ( z z = (z (z ja se voidaan kirjoittaa mös matriisimuotoon = z 3 z

Kerroinmatriisin ominaisarvot ovat (likimääräisesti.6,.67, ja. sekä näitä vastaavat ominaisvektorit (.9, 3.6,, (.777,.73, ja (.6366,.393,. Näin ollen homogeenisen htälörhmän ratkaisu on muotoa z = e.t.9 3.6 e.7t..7 3 e.t.6.39 Yksittäisratkaisu voidaan lötää kuten tehtävässä. Toinen tapa on kättää vakiofunktioritettä: koska dierentiaalihtälön ei-homogeenisen osan funktioit ovat vakioita, voidaan toivoa että rite (,, z = (A, B,, jossa A, B ja ovat vakioita, voisi tuottaa ksittäisratkaisun. Sijoittamalla tämä rite dierentiaalihtälöön saadaan = 3 A B Koska kerroinmatriisi on kääntvä, saadaan tästä A B = 3 = 6 7 Dierentiaalihtälön leinen ratkaisu on täten muotoa.9. = e.t 3.6 e.7t.7 z 3 e.t.6.39 6 7 ja alkuehtojen mukaan (t = =.9 3.6..7 3.6.39 6 7, Mikä voidaan kirjoittaa muotoon.9..6 3.6.7.39 3 = 3 6 7 Tästä htälöstä 3 =.9..6 3.6.7.39 3 6 7 =.967.7676.363 Näin ollen = 3.e.t.7e.7t 6.7e.t 7 Asuinkerroksen lämpötila ei siis koskaan saavuta arvoa. t 7 9.37.

6. Kuvan RL-piirin muodostavat jännitelähde V, vastus R, kondensaattori ja käämi L. Sähkövirta I tarkoittaa varauksen Q muutosta ajan suhteen: I = dq dt. Vastuksen päiden välinen jännite on V = RI, kondensaattorin V = Q ja käämin V 3 = L di dt. Kirchhon. säännön mukaan V on sama kuin piirin komponenttien hteenlaskettu jännite. Kirjoita sähkövirralle I toisen kertaluvun dierentiaalihtälö. Johtimien vastusta ei oteta huomioon. Selosta miten dierentiaalihtälö ratkaistaan (ratkaisua ei tarvitse esittää. V R L Kirchhon. säännön mukaan RI Q di L dt = V (t, josta derivoimalla saadaan RI I LI = V (t. Kseessä on vakiokertoiminen, toisen kertaluvun dierentiaalihtälö, jonka homogeenisen osan ratkaisut saadaan ritteellä I = e λt ja ksittäisratkaisu Laplace-muunnoksilla. 7. Ajanhetkellä t = kuvan mukaiset l säiliöt ovat tännä vettä ja kummassakin on liuenneena g suolaa. Säiliöihin aletaan johtamaan suolaliuosta kuvaan merkitillä nopeuksilla ja konsentraatioilla. Kirjoita dierentiaalihtälöt suolan määrille ja (grammoina ja ratkaise kirjoittamasi DY-pari. l/min, g/l l/min, g/l 3 l/min l/min l/min Vastaus: = = 3 = = 3, mikä voidaan edelleen kirjoittaa matriisimuotoon = ( 3 ( Koska matriisin ominaisarvot ovat ja ja näihin kuuluvat ominaisvektorit (, 3 T ja (, T, saadaan homogeenisen htälön ratkaisuksi = ( 3 e t ( e t.

Yksittäisratkaisua varten arvataan, että (, = (A, B, missä A ja B ovat vakioita, toimii. Sijoittamalla tämä rite htälöön saadaan ( ( = 3 ( A B josta ratkeaa (A, B = (, 7. Näin ollen ( ( = 3 e t (, ( e t 7 Sijoittamalla t = saadaan alkuehtojen perusteella ( ( ( ( ( = 3 7 3 = ( 9 6, josta ratkeaa (, = ( 7, 3 7 ja siis ( = ( e t 3 ( 7 7 3 ( e t 7 Ratkaisu toisin: Kättämällä operaattorimerkintää voidaan dierentiaalihtälöpari kirjoittaa muotoon { (D = 3 (D =. Soveltamalla lempään htälöön operaattoria D, kertomalla alempi luvulla ja laskemalla htälöt hteen saadaan ((D (D 3 = (D 9 D =, mikä voidaan kirjoittaa mös muotoon 9 =. Homogeeniselle htälölle ratkaisut saadaan ritteellä = e λt, josta λ 9 λ = λ {, }. Yksittäisratkaisuksi voidaan Laplace-muunnoksilla tai kokeilemalla lötää vakiofunktio =. Täten Ylemmästä htälöstä taas saadaan = e t e t. = (D = 3 e t e t 7 Sijoittamalla t = saadaan alkuehtojen perusteella = ja = 3 7, mikä voidaan kirjoittaa muotoon { = 9 3 = 6, josta voidaan ratkaista = 7 ja = 3 7.