y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Differentiaaliyhtälöt I Ratkaisuehdotuksia, 2. harjoitus, kevät Etsi seuraavien yhtälöiden yleiset ratkaisut (Tässä = d

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Dierentiaaliyhtälöistä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

4 (x 1)(y 3) (y 3) (x 1)(y 3)3 5 3

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

dy dx = y x + 1 dy dx = u+xdu dx, u = y/x, u+x du dx = u+ 1 sinu eli du dx = 1 1 Erotetaan muuttujat ja integroidaan puolittain: y = xln(ln(cx 2 )).

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

2. Tavallisen differentiaaliyhtälön yleisiä ratkaisumenetelmiä. y = 2xy, Piirrä muutama yleisen ratkaisun kuvaaja. Minkä nimisistä käyristä on kyse?

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

y + 4y = 0 (1) λ = 0

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Dierentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

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

Toispuoleiset raja-arvot

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

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 =

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

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 =

2 Funktion derivaatta

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

Insinöörimatematiikka D

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Insinöörimatematiikka D

Tutki, onko seuraavilla kahden reaalimuuttujan reaaliarvoisilla funktioilla raja-arvoa origossa: x 2 + y 2, d) y 2. x + y, c) x 3

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

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.

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Tenttiin valmentavia harjoituksia

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Matematiikan peruskurssi 2

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Matemaattinen Analyysi

Dierentiaaliyhtälöistä

Funktioista. Esimerkki 1

Insinöörimatematiikka D

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Ratkaisut: loppuviikko 2

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Matematiikka B1 - TUDI

Poistumislause Kandidaatintutkielma

f (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain

800345A Differentiaaliyhtälöt I. Seppo Heikkilä, Martti Kumpulainen, Janne Oinas

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Matematiikan peruskurssi 2

Insinöörimatematiikka D

Transkriptio:

Matematiikan ja tilastotieteen osasto/hy Differentiaaliyhtälöt I Laskuharjoitus 2 mallit Kevät 219 Tehtävä 1. Laske osittaisderivaatat f x = f/x ja f y = f/, kun f = f(x, y) on funktio a) x 2 y 3 + y sin(2x), b) e x y + xe y2 3e 2xy, c) cos(y sin(xy)). Ratkaisu. a) f(x, y) = x 2 y 3 + y sin(2x). b) f(x, y) = e x y + xe y2 3e 2xy. c) f(x, y) = cos(y sin(xy)). f x (x, y) = f x = 2xy3 + 2y cos(2x). f y (x, y) = f = 3x2 y 2 + sin(2x). f x (x, y) = f x = ex y + e y2 6ye 2xy. f y (x, y) = f = ex y + 2xye y2 6xe 2xy. f x (x, y) = f x = sin(y sin(xy)) y y cos(xy) = y2 sin(y sin(xy)) cos(xy). f y (x, y) = f = sin(y sin(xy)) (sin(xy) + yx cos(xy)). Tehtävä 2. Takaako OY-lause yksikäsitteisen ratkaisun seuraaville alkuarvotehtäville: a) y + e x = cos y, y(π) = 2, b) y = (1 y 2 ) 1/4 + 3x, y(1) =, c) yy = x 2, y(1) =, d) y = (y 1) 1/3, y(4) =? Ratkaisu. Kirjoitetaan differentiaaliyhtälöt muotoon y = f(x, y) ja tutkitaan osittaisderivaatan f(x, y)/ olemassaoloa ja jatkuvuutta. a) y + e x = cos y y = cos y e x = f(x, y) f(x, y) = sin y. 1

Funktio f/ on hyvin määritelty ja jatkuva kaikilla (x, y) R 2. Tällöin OY-lause takaa ratkaisujen olemassaolon ja yksikäsitteisyyden jossakin alueessa D R 2, johon piste (π, 2) kuuluu. b) y = (1 y 2 ) 1/4 + 3x = f(x, y) f(x, y) = 1 4 (1 y2 ) 3/4 ( 2y) = y 2(1 y 2 ) 3/4. Funktio f/ on määritelty ja jatkuva täsmälleen silloin, kun y ±1. Pisteessä (1, ) funktio f/ on jatkuva, joten OY-lause takaa ratkaisujen olemassaolon ja yksikäsitteisyyden jossakin alueessa D R 2, johon piste (1, ) kuuluu. c) yy = x 2 y = x2 = f(x, y) y f(x, y) = x2 y. 2 Funktio f/ on määritelty ja jatkuva, kun y. Alkupiste on (1, ), mutta tässä pisteessä f/ ei ole määritelty. OY-lause ei takaa ratkaisujen olemassaoloa tällä alkuarvolla. d) y = (y 1) 1/3 = f(x, y) f(x, y) = 1 3 (y 1) 2/3, Funktio f/ on määritelty ja jatkuva, kun y 1. Alkupiste on (4, ) ja f/ on tässä pisteessä jatkuva, joten OY-lause takaa ratkaisujen olemassaolon ja yksikäsitteisyyden jossakin alueessa D R 2, johon piste (4, ) kuuluu. Tehtävä 3. Käytä lineaarisen yhtälön ratkaisumenetelmää seuraavan alkuarvotehtävän ratkaisemiseen: y (x) + 2 cos x y(x) =, y(π) = 1. x x2 Ratkaisu. Tämän yhtälön integroiva tekijä on e 2 x dx = e ln x2 = x 2. 2

Ratkaistaan differentiaaliyhtälö ratkaisumenetelmän mukaan. y (x) + 2 cos x y(x) = x2 x x 2 x 2 y (x) + 2xy(x) = cos x d ( ) x 2 y(x) = cos x dx Alkuehdolla saadaan vakion C arvo: x 2 y(x) = sin x + C y(x) = sin x x 2 + C x 2. y(π) = C π 2 = 1 C = π2. dx : x 2 Koska alkuehdon piste x = π (, ) ja differentiaaliyhtälö ei ole pisteessä x = hyvin määritelty, niin ratkaisut on määritelty alueessa (, ). Ratkaisu on siis y(x) = sin x x 2 + π2 x 2, x >. Tehtävä 4. Samoin: y (x) = y(x), y( 1) = 1. 3 x Ratkaisu. Ratkaisumenetelmä on sama kuin tehtävässä 3. Differentiaaliyhtälö voidaan kirjoittaa muodossa jonka integroiva tekijä on y (x) y(x) 3 x =, e 1 3 x dx = e ln 3 x = 3 x. Itseisarvon sisäfunktion nollakohta on pisteessä x = 3. Koska alkuarvon piste x = 1 kuuluu joukkoon x < 3, tutkitaan itseisarvo tässä joukossa. Tällöin itseisarvo 3 x = 3 x. Ratkaisumenetelmää hyödyntämällä voidaan differentiaaliyhtälö nyt ratkaista joukossa x < 3. Ratkaisemalla differentiaaliyhtälö saadaan 3

y (x) = y(x) 3 x y (x) y(x) 3 x = 3 x (3 x)y (x) y(x) = d dx Alkuehdosta saadaan ( y(x) (3 x) ) = y(x) (3 x) = C y(x) = C 3 x. y( 1) = C 4 = 1 C = 4. dx : 3 x Ratkaisu on siis y(x) = 4 3 x, x < 3. Tehtävä 5. Olkoot funktiot p : R R ja q : R R jatkuvia, ja oletetaan lisäksi, että lim x q(x) = ja että on olemassa c >, jolle pätee p(x) c kaikilla x R. Osoita että kaikille lineaarisen yhtälön y (x) + p(x)y(x) = q(x) ratkaisuille pätee lim y(x) =. x Neuvo. Tarkastele ratkaisua, jolle y() = α R ja käytä ratkaisukaavaa. Ratkaisu. Funktiot p ja q ovat hyvin määriteltyjä ja jatkuvia kaikilla x R, joten myös yhtälön ratkaisu on hyvin määritelty joukossa R. Olkoon α R sellainen piste, jolle y() = α. Ensimmäisen kertaluvun lineaarisen differentiaaliyhtälön y (x) + p(x)y(x) = q(x) ratkaisu on tällöin y(x) = e q(t) p(s)ds dt + αe p(t)dt. 4

Olkoon ɛ >. Halutaan löytää x > siten, että y(x) = y(x) < kaikilla x > x. Koska tutkitaan raja-arvoa lim x y(x), voidaan tilannetta tutkia postiivisilla muuttujan x arvoilla eli x >. Kolmioepäyhtälön ja integraalin ominaisuuksien perusteella saadaan arvio y(x) = e e e q(t) p(s)ds dt + αe p(t)dt q(t) p(s)ds dt + αe p(t)dt p(s)ds dt + α e p(t)dt kaikilla x >. Oletuksen mukaan lim x q(x) =, joten määritelmän nojalla on olemassa > siten, että kaikilla x > pätee q(x) = q(x) < cɛ 3, missä c > on se vakio, jolle p(x) c. Nyt kaikilla x > pätee p(s)ds dt = 1 1 M + cɛ 3 p(s)ds dt + p(s)ds dt + cɛ 3 p(s)ds dt, p(s)ds dt p(s)ds dt missä M = sup{ p(s)ds : t [, ]}. Tämä supremum on olemassa, sillä funktio, josta se otetaan, on jatkuva ja näin ollen saavuttaa suurimman ja pienimmän arvonsa. Lisäksi havaitaan, että e p(t)dt p(s)ds dt = = = p(s)ds e p(t)dt dt p(s)ds e t e t e t p(s)ds dt. p(t)dt dt 5

Oletuksesta p(x) c > saadaan p(x) c, jota hyödyntämällä e t p(s)ds dt = = e t p(s)ds dt e cx e ct dt = e cx = 1 c ecx e c e cx e c (x t) dt e ct dt 1 c ecx e cx = 1 c. Kootaan kaikki arviot ja päätelmät yhteen, jolloin lausekkeelle y(x) saadaan arvio y(x) e e (M + cɛ 3 = M e p(t)dt + cɛ 3 e p(s)ds dt + α e p(t)dt p(s)ds dt) + α e p(t)dt p(t)dt M e c (x ) + cɛ 3 1 c + α e c (x ) = M e cx + ɛ 3 + α e cx. p(s)ds dt + α e p(t)dt Koska M α lim = ja lim =, x e cx x ecx niin on olemassa luvut x 2, x 3 R siten, että kaikilla x > x 2, x 3 pätee M e cx < ɛ 3 ja α e cx < ɛ 3. Valitaan x = max{, x 2, x 3 }, jolloin kaikilla x > x pätee y(x) M e cx Määritelmän mukaan tällöin + ɛ 3 + α e cx < ɛ 3 + ɛ 3 + ɛ 3 = ɛ. lim y(x) =. x Tehtävä 6. Ratkaise seuraavista differentiaaliyhtälöistä ne, jotka ovat eksakteja: 6

a) 4xy 1 + (4 + 2x 2 )y =, b) sin x sin y (cos x cos y)y =, c) x 3 y 2 + y 3 x 2 y =. Ratkaisu. Tarkastetaan eksaktisuus hyödyntämällä eksaktisuuslausetta. a) (4xy 1) x (4 + 2x2 ) = 4x 4x =. Koska lausekkeen arvo on identtisesti nolla, on differentiaaliyhtälö on eksaktisuuslauseen nojalla eksakti suorakaiteessa R = R 2. Ratkaistaan tämä kyseinen differentiaaliyhtälö. Eksaktisuudesta seuraa, että ratkaisulle on pädettävä F (x, y) x = 4xy 1 ja F (x, y) = 4 + 2x 2. Ensimmäisen yhtälön perusteella saadaan F (x, y) = (4xy 1)dx = 2x 2 y x + g(y). Hyödyntämällä toista yhtälöä saadaan funktion g(y) lauseke selville. F (x, y) = 2x 2 + g (y) = 4 + 2x 2 g (y) = 4 g(y) = 4y. Implisiittiratkaisu on siis F (x, y) = 2x 2 y x + 4y = C, C R ja eksplisiittisesti ilmoitettuna y(x) = x + C 2x 2 + 4, C R b) (sin x sin y) ( cos x cos y) = sin x cos y sin x cos y =. x 7

Koska lausekkeen arvo on identtisesti nolla, on differentiaaliyhtälö on eksaktisuuslauseen nojalla eksakti suorakaiteessa R = R 2. Eksaktisuuden perusteella tulee päteä F (x, y) x = sin x sin y ja F (x, y) = cos x cos y. Saadaan F (x, y) = sin x sin ydx = cos x sin y + g(y) ja toisen ehdon perusteella F (x, y) = cos x cos y + g (y) = cos x cos y g (y) = g(y) = C. Implisiittiratkaisu on siis F (x, y) = cos x sin y = C, C R. Eksplisiittiratkaisu on tässä tapauksessa hankala määrittää määrittelyjoukkojen vuoksi. Lisäksi ratkaisussa itseasiassa vakio C [ 1/2, 1/2], sillä pätee 1/2 cos x sin y 1/2. c) (x3 y 2 ) x (y3 x 2 ) = 2x 3 y 2y 3 x. Koska lauseke ei ole identtisesti nolla, eksaktisuuslauseen nojalla tämä differentiaaliyhtälö ei ole eksakti. 8