DYNAAMISET SYSTEEMIT kevät 2000



Samankaltaiset tiedostot
DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

3. Laske osittaisintegroinnin avulla seuraavat integraalit

Matemaattinen Analyysi

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

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

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Matemaattinen Analyysi

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

2 ENSIMMÄISEN KERTAUVUN DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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.

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Matemaattinen Analyysi

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

Matematiikan tukikurssi

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

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

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Insinöörimatematiikka D

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Taloustieteen perusteet 31A Mallivastaukset 3, viikko 4

Insinöörimatematiikka D

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

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

4 Kysyntä, tarjonta ja markkinatasapaino (Mankiw & Taylor, 2 nd ed., chs 4-5)

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

1 Di erentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

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 =

y + 4y = 0 (1) λ = 0

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

Insinöörimatematiikka D

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

Ratkaisuehdotukset Kesäyliopisto Kuvassa on esitetty erään ravintolan lounasbuffetin kysyntäfunktio.

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

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

(d) f (x,y,z) = x2 y. (d)

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

MATEMATIIKAN JAOS Kompleksianalyysi

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

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

Luoki?elua: tavallinen vs osi?ais. Osa 11. Differen0aaliyhtälöt. Luoki?elua: kertaluku. Luoki?elua: lineaarisuus 4/13/13

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

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

Derivaatta. Joukko A C on avoin, jos jokaista z 0 A kohti on olemassa ǫ > 0: jos z z 0 < ǫ, niin z A. f : A C on yksiarvoinen.

Insinöörimatematiikka D

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi

ẋ(t) = s x (t) + f x y(t) u x x(t) ẏ(t) = s y (t) + f y x(t) u y y(t),

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

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

PRELIMINÄÄRIKOE. Lyhyt Matematiikka

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

Laplace-muunnos: määritelmä

4 Kertausosa. Kertausosa. 1. a) (1, 2) ja ( 3, 7) 41 6, ,4. b) ( 5, 8) ja ( 1, 10) 10 ( 8) 1 ( 5) , ,4

YLIOPPILASTUTKINTO MATEMATIIKAN KOE - PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Lukion. Calculus. Polynomifunktiot. Paavo Jäppinen Alpo Kupiainen Matti Räsänen Otava PIKATESTIN JA KERTAUSKOKEIDEN TEHTÄVÄT RATKAISUINEEN

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

5. Potenssisarjat 5.1. Määritelmä ja suppeneminen

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

Matemaattinen Analyysi

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Pythagoraan polku

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Transkriptio:

1. harjoitukset, viikko 3 1. Mitkä seuraavista differentiaaliyhtälöistä ovat lineaarisia? a) x = t 2 b) x + t 3 x = t c) x x = x d) x - (x ) 2 = 0 e) e t x + e -t x = (1-t 2 ) ½ f) (x ) 2 = x 2 2. Määritä seuraavien differentiaaliyhtälöiden tyyppi (kertaluku, lineaarinen vai ei-lineaarinen, jos lineaarinen, niin vakiokertoiminen vai ei-vakiokertoiminen: a) y + y - x 2 = 0 b) y + xy+ 2x = 0 c) y + cos y = 0 d) x 2 y + xy + x 2-1 = 0 e) y + x (y ) 2 y - 7 = 0 f) y = (sin x) y + e x g) y = 0 h) (y - x) 2-2xy + x 2 3. Osoita, että differentiaaliyhtälön 2(x ) 2 + tx - x = 0 yleinen ratkaisu on x(t) = Ct + 2C 2. Hae ko. yhtälölle muotoa x(t) = at 2 + bt + c oleva erikoisratkaisu. 4. Osoite, että differentiaaliyhtälön sin x = tx - x yleinen ratkaisu on x(t) = Ct sin C ja että ko. yhtälöllä on erikoisratkaisuna x(t) = t arc cos (t) - (1 - t 2 ) ½. 5. Mitä tyyppiä on differentiaaliyhtälö x + (1 - x 2 ) tan (t) = 0? Osoita, että x(t) = (cos 2 t - C) / (cost 2 t + C) on sen yleinen ratkaisu. 6. Määritä, mitkä seuraavista differentiaaliyhtälöistä ovat separoituvia ja ratkaise ne: a ) y = x/y b) y = x/y + 1 c) sin x dx + y 2 dy = 0 d) (1 + xy) dx + y dy = 0 e) x y 2 dx - x 2 y 2 dy = 0

2. harjoitukset, viikko 4 1. Määritä differentiaaliyhtälön y + 3y = 2 se ratkaisu, jonka kuvaaja kulkee pisteen (0,1) kautta. 2. Ratkaiset tasa -asteiset differentiaaliyhtälöt a) t x = t + x b) (t 2 + x 2 ) x = t x. 3. Osoita, että seuraavat differentiaaliyhtälöt ovat eksakteja ja ratkaise ne a) 2x t 3 dx + 3x 2 t 2 dt = o b) dx/dt + [x(1 + 2t)] / [t(1 + t)] = 0. 4. Hae muotoa x k oleva integroiva tekijä differentiaaliyhtälölle 2(t 3 + 1) dx + 3x t 2 dt = 0 ja ratkaise syntyvä eksakti differentiaaliyhtälö. 5. Kaupungin väkiluku vuoden 1955 lopussa oli 32 000. kaupungin väkiluvun N(t) ennustamiseen käytetään matemaattista mallia N (t) = 0,016 N(t) + 150. Malli perustuu oletukseen, että väkiluvun kasvu muodostuu kahdesta tekijästä: luontaisesta kasvusta, joka on suoraan verrannollinen väestön suuruuteen (verrannollisuuskertoimena kasvuintensiteetti 0,016), ja eksogeenisestä kasvusta (vuotuinen muuttovoitto 150 henkeä). a) Etsi mallin (ratkaisu) matemaattinen muoto. b) Suuriko on luontainen kasvu vuodessa prosentteina ilmaistuna? c) Ennusta mallin avulla kaupungin väkiluku vuoden 2010 lopussa. 6. Mm. videopelejä maahan tuova ja niitä pelihalleihin, ravintoloihin, baareihin ja kerhotiloihin markkinoiva yritys arvioi, että uuden sukupolven pelille olisi Suomessa elintila 4000 kappa - leelle. Ensimmäisessä vaiheessa markkinoille tuli 720 peliä. Neljän kuukauden kuluttua käytössä oli jo 1500 peliä. Yritys arvioi, että pelien lisämyynti hidastuu, kun lähestytään arvioitua enimmäismäärää. Myynnin kehityksen arvioimiseksi käytetään mallia, jonka mukaan pelimyynnin kasvunopeus on suoraan verrannollinen saturaatiorajan 4000 ja jo käytössä olevien pelien lukumäärän erotukseen. a) Muodosta tämän oletuksen mukainen (jatkuva) malli pelien lukumäärälle t kuukauden kuluttua toiminnan aloittamisesta. b) Suureksiko käytössä olevien pelien lukumäärää voidaan mallin perusteella arvioida b1) 1 vuoden, b2) kahden vuoden kuluttua uutuuspelin markkinoille tulon jälkeen? 7. Kun jäälohkare, jonka lämpötila on 0 o C, tuodaan lämpimään, se alkaa heti sulaa. Jos ympäris - tön lämpötila ja ilmanpaine pysyvät samana ja jos ei tuule, niin kappaleen sulamisnopeus hetkellä t on likimain suoraan verrannollinen kappaleen pinnan alaan hetkellä t. Viiden tunnin aika - na kuutionmuotoisen jääpalan tilavuus pieneni 10 dm 3 :sta 8,0 dm 3 :iin. Missä ajassa kuutio sulaa kokonaan?

3. harjoitukset, viikko 5 1. Ratkaise differentiaaliyhtälöt a) - b) vakion varioinnilla ja c) - d) määräämättömien kertoimien menettelyllä a) x - 2x = e t b) x - 2x = e 2t c) 4x + x = 2t 2 + t d) x + x = sin 2 t 2. Erään radioaktiivisen aineen hajoamisnopeus on suoraan verrannollinen aineen tämän hetkiseen massaan. Jos aineen puoliintumisaika on 30 minuuttia, kuinka suuri osa alkuperäisestä massasta on jäljellä 0,9 tunnin kuluttua? 3. a) Jos tuotteen valmistamisen rajakustannukset saadaan yhtälöstä. dy/dx = y = 3 + x + e -x / 4, kuinka suuri kustannus aiheutuu yhden tuotteen valmistamisesta, kun kiinteät kustannukset ovat $4? b) Tuotteen rajatuotot suhteessa myyntiin (kuinka paljon tulot lisääntyvät, kun myydään yksi tuote enemmän) saadaan yhtälöstä dr /dx = 4x 2-3x 0 2. Paljonko tuloja kertyy 5 tuotteen myynnistä? 4. Ratkaise Bernoullin yhtälö t 2 x = x 2 + tx. 5. Ratkaise seuraavat 2. kertaluvun lineaariset vakiokertoimiset differentiaaliyhtälöt: a) y + y - 2y = 8 b) y + y - 2y = - sin x c) y + 2y + y = e x d) y + 4y + 5y = 20 x 2

4. harjoitukset, viikko 6 1. Etsi differentiaaliyhtälön y + 2 y - 3 y = x se ratkaisukäyrä, joka kulkee pisteen (0,4) kautta ja jonka derivaatta tässä pisteessä = 0. 2. Määritä yhtälölle y - 4 y = 10-0.1. x ratkaisu, joka kulkee pisteen (0,5) kautta ja joka lähestyy trendiä x:n kasvaessa rajatta (mikä tämä trendi on )? 3. Tarkastellaan differentiaa liyhtälöä y + a y + y = 10. Millä a:n arvoilla yleinen ratkaisu konvergoi värähdellen ja mitä arvoa kohti se tällöin suppenee? 4. Ratkaise a) täydellisesti differentiaaliyhtälö y + 3y + 2y = 10 sin x b) 3. asteen differentiaaliyhtälö y - 6y + 11y - 6y = 0 siten, että ratkaisukäyrä kulkee pisteen (π,0) kautta ja kohdassa x = π käyrän tangentti on vaaka - suorassa ja y on tässä kohdassa = 1. 5. Ratkaise eliminointimenetelmällä differentiaaliyhtälöpari x& = 4 x 5y -12 y& = x 2 y.

5. harjoitukset, viikko 7 1. Ratkaise seuraava differentiaaliyhtälöpari matriisimenetelmällä x& = x + 2 y y& = 4x + 3y 2. Ratkaise seuraava differentiaaliyhtälöpari x& = -3x + y y& = -x - y. Etsi yhtälöparille myös se yksityisratkaisu, jolle x(0) = 1, x& (0) = 0. Onko yhtälöryhmän (yleinen) ratkaisu stabiili? 3. Oletetaan, että tuotteen hinta markkinoilla on P ja tuotetta on varastossa määrä Q. Tuotteen kysyntä määräytyy yhtälöstä C = a 1 - b 1 P ja tarjonta yhtälöstä S = -a2 + b2p. Tuotteen varastossa olevan määrän Q muutosnopeus Q & määräytyy valmistuksen ja kulutuksen erotuksena, ts. Q & = S - C. varasto pyritään pitämään keskimäärin vakiona Q = Q ja samoin hinta; keskimäärin P = P. Hintaa voidaan ohjailla ja hinnan muutos määräytyy yhtälön P & = A ( Q - Q) + B ( P - P) mukaan. Kaikki parametrit ovat positiivisia. Millainen B:n täytyy olla, jotta systeemi olisi dynaamisesti stabiili? Mitä arvoja P lähestyy systeemin vakiintuessa? Entä Q? 4. Ratkaise numeerisesti Eulerin menetelmää käyttäen seuraava differentiaaliyhtälö y = y - x; y (0) = 2. Käytä askelvälinä h = ¼ ja etene esim. y(1) =?? saakka. Etsi differentiaaliyhtälölle myös täsmällinen ratkaisu ja tutki, miten paljon epätarkkuutta numeerinen ratkaisu sisältää.

6. harjoitukset, viikko 8 1. Määritä kaikkien kertalukujen differenssit funktiolle f t = 2 t 3 - t 2 + 3 t - 5. 2. Ratkaise differenssiyhtälö 2 yt + 3 yt = 6. Onko ratkaisu stabiili? 3. Olkoon S n n:n ensimmäisen positiivisen kokonaisluvun neliöiden summa. Muodosta differenssiyhtälö S n :lle ja etsi tämän ratkaisuna S n :n yleinen lauseke. 4. Ratkaise differenssiyhtälö 8 y t+2 2 yt+1 - yt = 2 t + 3. 5. Etsi differenssiyhtälölle 2 yt+2 + 3 yt+1-2 yt =0 jokin stabiili yksityisratkaisu, joka toteuttaa alkuehdon y 0 = 10. 6. Ekonomisti lähetti faksilla työryhmällensä kommentoitavaksi laatimansa kysyntä-tarjonta mallin. Mallin muuttujat ovat: P t = tuotteen hinta, D t = tuotteen kysyntä ja S t = tuotteen tarjonta. Faksin huonon laadun takia vastaanottajat eivät voineet olla varmoja mallin merkeistä. Kolme henkilöä tulkitsi faksin eri tavoin. Nämä kolme tulkintaa olivat: P t+1 = P t + 0,2 (S t + D t ) P t+1 = P t - 0,2 (S t D t ) S t = -30 + 0,3 P t S t = -30 + 0,3 P t D t = 120-0,5 P t D t = 120-0,5 P t P t+1= Pt + 0,2 (S t Dt) S t = -30 + 0,3 P t D t = 120-0,5 P t Onko joku malleista mielestäsi oikein? Perustele jokaisen termin merkki. Määritä oikeasta mallista hinta P t ja tasa-arvonhinta, jota hinta lähestyy.

7. harjoitukset, viikko 8 1. Määritä seuraavat differenssit (4t 2 + t) 2 (4t 2 + t) 3 (4t 2 +t). 2. Ratkaise kansantulomalli Yt = Ct + It + G C t = c 0 + (1 - s)y t-1 I t = I missä Y t = kansantulo vuonna t (~ palkkakertymä), C t = kulutus, I t = investoinnit (oletetaan nyt siis vakioksi I), s = säästämisaste, c0 = minimikulutus (vakio) ja G = julkinen kulutus (vakio). Tutki myös ratkaisun luonnetta. 3. Oletetaan, että tuotteen kysyntä (kulutus) C t riippuu hinnasta P t lain C t = 100-0,3 P t mukaisesti. Tuotteen valmistajat reagoivat myös nopeasti hintamuutoksiin, niin että tarjonta (valmistus) St on saman kauden hinnan P t funktio: S t = 50 + 0,2 P t. Valmistajien varastoissa olevan tuotteen määrän Q t muutos Q t määräytyy valmistuksen ja kulutuksen erotuksena, ts. Qt = St - Ct. Hinnan P t muutoksen P t oletetaan olevan suoraan verrannollinen yritysten varastojen muutokseen: Pt = -0,2 Qt. Tutki, miten P t, S t, C t ja Q t käyttäytyvät ajan funktioina. Mitä arvoja P t, S t, C t ja Q t lähestyvät pitkän ajan kuluessa? Onko mallin ratkaisu stabiili? 4. Kakkutaikina, jonka lämpötila on 21 o C, pannaan paistumaan uuniin, joka pysyy vakiolämpötilassa 225 o C. Kypsyvän kakun lämpötilan muutos aikayksikössä on suoraan verrannollinen uunin lämpötilan ja kakun lämpötilan erotukseen. Kymmenen minuutin kuluttua kakun lämpötila on 67 o C. Määritä kakun lämpötila T ajan t funktiona. Määritä funktion T(t) avulla kakun lämpötila 40 minuutin kuluttua sen uuniin panemisesta. Milloin uuniin unohtuneen kakun lämpötila saavuttaa mallin mukaan uunin lämpötilan? 5. Muodosta auton jälleenmyyntiarvolle erilaisia differenssiyhtälömalleja ja tutki niiden ratkaisujen ominaisuuksia:

a) Oletetaan, että vuotuinen hinnanalennus säilyy suhteellisesti vakiona (``menojäännöspoistomalli ). b) Oletetaan, että auton hinta koostuu vakiona pysyvästä romuarvosta ja käyttöarvosta, joka muut-tuu a) -kohdan mukaisesti. c) Oletetaan, että vuotuinen hintamuutos koostuu kahdesta komponentista, a) -kohdan mukaisesta kulumasta ja huolto- ja korjaustöiden tuomasta kulumaa hidastavasta lisäarvosta (oletetaan vakioksi).