3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Samankaltaiset tiedostot
4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

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

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 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi

Dierentiaaliyhtälöistä

Jouni Sampo. 15. huhtikuuta 2013

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

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Dierentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Insinöörimatematiikka D

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Insinöörimatematiikka D

Dierentiaaliyhtälöistä

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Insinöörimatematiikka D

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

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

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

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

Matemaattinen Analyysi

MS-A Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Harjoitus 6 loppuviikko

Insinöörimatematiikka D

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

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

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

Matemaattinen Analyysi

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Differentiaaliyhtälöt

y + 4y = 0 (1) λ = 0

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Numeeriset menetelmät

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-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Matemaattinen Analyysi

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 3

Insinöörimatematiikka D

Frobeniuksen menetelmä

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

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

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

1 Di erentiaaliyhtälöt

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 2

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

FyMM IIa Kertausta loppukoetta varten

vakiokertoimisen toisen kertaluvun lineaarisen homogeeniyhtälön yleinen muoto on p 2 y +p 1 y +p 0 y = 0. (1)

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

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

2.3 Juurien laatu. Juurien ja kertoimien väliset yhtälöt. Jako tekijöihin. b b 4ac = 2

OMINAISARVOISTA JA OMINAISVEKTOREISTA

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 )).

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät

Peruskäsitteet 1. Mitkä ovat seuraavien funktiota y = y(x) koskevien differentiaaliyhtälöiden kertaluvut? Ovatko yhtälöt normaalimuotoisia?

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

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.

2 Johdanto Tassa esityksessa funktiot ovat - ellei muuta sanota - yhden tai useamman reaalimuuttujan reaaliarvoisia funktioita. Funktion kasitteen tas

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Differentiaaliyhtälöt. Petri Juutinen

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

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 =

Transkriptio:

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt 3.1 Homogeeniset lineaariset differentiaaliyhtälöt Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon Jos r(x) = 0, saadaan homogeeninen yhtälö: y + p(x)y + q(x)y = r(x) (1) Jos r(x) 0, yhtälö (1) on epähomogeeninen. p:tä ja q:ta kutsutaan yhtälön kertoimiksi. y + p(x)y + q(x)y = 0 (2) 1

Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälön ratkaisu avoimella välillä a < x < b on funktio y = h(x), jolla on derivaatat y = h (x) ja y = h (x) ja joka toteuttaa ko. yhtälön tällä välillä. Superpositioperiaate: Mikä tahansa lineaarikombinaatio homogeenisen differentiaaliyhtälön ratkaisuista välillä I on myös ratkaisu välillä I. Erityisesti ratkaisujen summa ja vakiokertoimella kerrotut ratkaisut ovat myös ratkaisuja. Huom. Ei päde epähomogeenisille eikä epälineaarisille yhtälöille. Toisen kertaluvun homogeenisen lineaarisen differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu on kahden ratkaisun lineaarikombinaatio: y = c 1 y 1 + c 2 y 2 (3) Alkuarvoprobleema koostuu yhtälöstä (2) ja alkuehdoista y(x 0 ) = K 0, y (x 0 ) = K 1 (4) 2

Homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu avoimella välillä I on (3), missä c 1 ja c 2 ovat mielivaltaisia, eivätkä y 1 ja y 2 ole toisistaan lineaarisesti riippuvia (toisin sanoen y 1 ja y 2 eivät ole keskenään verrannollisia). k 1 y 1 (x) + k 2 y 2 (x) = 0 k 1 = 0, k 2 = 0 (5) Jos p(x) ja q(x) ovat jatkuvia avoimella välillä I, ratkaisut y 1 ja y 2 ovat lineaarisesti riippumattomia välillä I, jos Wronskin determinantti W(y 1, y 2 ) 0 tällä välillä. y W(y 1, y 2 ) = 1 y 2 y 1 y 2 = y 1y 2 y 2 y 1 (6) Funktiot y 1 ja y 2 muodostavat yhtälön (2) kannan välillä I. Erityisratkaisu välillä I saadaan, kun valitaan kertoimille c 1 ja c 2 kiinteät arvot. 3

3.2 Vakiokertoimiset homogeeniset differentiaaliyhtälöt Tarkastellaan yhtälöitä, jotka ovat muotoa y + ay + by = 0, (7) missä a ja b ovat vakioita. Ratkaisu: vertaamalla 1. kertaluvun yhtälöön saadaan yrite y = e λx (8) Sijoittamalla yrite ja sen derivaatat y = λe λx ja y = λ 2 e λx, (9) saadaan λ 2 + aλ + b = 0 (10) Tämä on yhtälön (7) karakteristinen yhtälö. 4

Karakteristisen yhtälön ratkaisut ovat jolloin yhtälön (7) ratkaisuksi saadaan λ 1,2 = a ± a 2 4b, (11) 2 y 1 = e λ 1x ja y 2 = e λ 2x (12) Riippuen diskriminantin D = a 2 4b arvosta saadaan kolme tapausta: Tapaus I: Kaksi reaalijuurta, λ 1 ja λ 2 y 1 = e λ 1x ja y 2 = e λ 2x muodostavat kannan; yleinen ratkaisu on y = c 1 y 1 = e λ 1x + c 2 e λ 2x (13) 5

Tapaus II: Reaalinen kaksoisjuuri Kun D = 0, saadaan yksi juuri λ = λ 1 = λ 2 = a/2, jolloin yksi ratkaisu on y 1 = e (a/2)x (14) Toisen ratkaisun saamiseksi käytetään kertaluvun pudotusta (reduction of order). Asetetaan y 2 = uy 1 (15) ja etsitään u siten, että y 2 on yhtälön (7) ratkaisu. Sijoitetaan y 2 = uy 1 ja derivaatat yhtälöön (7), saadaan y 2 = u y 1 + uy 1 y 2 = u y 1 + 2u y 1 + uy 1 (16) u y 1 + u (2y 1 + ay 1 ) + u(y 1 + ay 1 + by 1 ) = 0 (17) 6

Saadaan siis u y 1 = 0 u = 0, josta integroimalla u = c 1 x + c 2. Valitaan u = x, jolloin yleinen ratkaisu on y = (c 1 + c 2 x)e ax/2 (18) Huom. Jos juuri on yksinkertainen, tämä ratkaisu ei päde. Tapaus III: Kompleksiset juuret Jos D < 0, saadaan juuret, jotka ovat toistensa kompleksikonjugaatteja: missä ω = λ 1 = 1 2 a + iω, λ 2 = 1 a iω, (19) 2 b 1 4 a2. Kompleksiset ratkaisut e λ1x ja e λ 2x 7

Sijoittamalla λ 1 ja λ 2 ja ottamalla huomioon, että saadaan reaaliset ratkaisut e z = e s+it = e s (cos t + isint), (20) y 1 = e ax/2 cos ωx y 2 = e ax/2 sinωx (21) Nämä ovat kantaratkaisuja y 1 ja y 2 eivät ole verrannollisia; toteuttavat alkuperäisen yhtälön Yleinen ratkaisu y = e ax/2 (A cos ωx + B sinωx) (22) 8

3.3 Euler Cauchy differentiaaliyhtälö Euler Cauchy differentiaaliyhtälö x 2 y + axy + by = 0 (23) voidaan ratkaista sijoittamalla y = x m ja sen derivaatat yhtälöön (23), jolloin saadaan x 2 m(m 1)x m 2 + axmx m 1 + bx m = 0 (24) Koska x m 0, kun x 0, saadaan m 2 + (a 1)m + b = 0 (25) Tämän yhtälön juurista riippuen saadaan jälleen 3 erilaista ratkaisua 9

Tapaus I: Kaksi reaalijuurta Jos kaksi juurta m 1 ja m 2 ovat reaalisia ja erisuuria, kantaratkaisut ovat y 1 (x) = x m 1 ja y 2 (x) = x m 2, (26) jolloin yleinen ratkaisu on (c 1 ja c 2 mielivaltaisia): y = c 1 x m 1 + c 2 x m 2 (27) Tapaus II: Kaksinkertainen juuri Jos yhtälöllä (23) on kaksinkertainen juuri 1 2 (1 a), yksi ratkaisu on y 1 = x (1 a)/2 (28) 10

Toinen ratkaisu saadaan kertaluvun pudotuksella, tulos y 2 = y 1 lnx, joten yleinen ratkaisu on y = (c 1 + c 2 lnx)x (1 a)/2 (29) Tapaus III: Kompleksiset juuret Jos juuret ovat kompleksisia, ne ovat toistensa konjugaatteja: m 1 = µ + iν ja m 2 = µ iν. Kantaratkaisut ovat tällöin Yleinen ratkaisu y 1 = x µ cos(ν lnx) ja y 2 = x µ sin(ν lnx) (30) y = x µ [A cos(ν lnx) + B sin(ν lnx)] (31) 11