Insinöörimatematiikka D

Samankaltaiset tiedostot
Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Insinöörimatematiikka D

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

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

Dierentiaaliyhtälöistä

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Dierentiaaliyhtälöistä

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

Dierentiaaliyhtälöistä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Insinöörimatematiikka D

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

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

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

Insinöörimatematiikka D

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

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

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

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Insinöörimatematiikka D

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

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

Insinöörimatematiikka D

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

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

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 =

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

5.2.1 Separoituva DY. 5.2 I kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

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

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

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

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

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

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Matemaattinen Analyysi

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

ja λ 2 = 2x 1r 0 x 2 + 2x 1r 0 x 2

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

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

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

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

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

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,

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Differentiaaliyhtälösysteemit sekä niiden tasapainopisteiden stabiilisuus

Differentiaaliyhtälöt

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Esimerkki 4.4. Esimerkki jatkoa. Määrää matriisin ominaisarvot ja -vektorit. Ratk. Nyt

1 Di erentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

Transkriptio:

Insinöörimatematiikka D M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Matematiikan ja tilastotieteen laitos Turun yliopisto 2015 M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 1 of 12

Lineaariset DY:t Lause Jos funktiot a i ja b ovat jatkuvia, ovat epähomogeenisen DY:n a n y (n) + a n 1 y (n 1) +... + a 2 y + a 1 y + a 0 y = b kaikki ratkaisut muotoa y = c 1 y 1 + c 2 y 2 +... + c n y n + y 0, missä y 1,..., y n ovat homogeenisen DY:n riippumattomat ratkaisut ja y 0 epähomogeenisen DY:n yksittäisratkaisu. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 2 of 12

Vakiokertoimiset lineaariset DY:t Huomautus Vakiokertoimisen homogeenisen DY:n a n y (n) + a n 1 y (n 1) +... + a 2 y + a 1 y + a 0 y = 0 ratkaisuja voidaan löytää yritteellä y = e λt : Tällöin y = λe λt, y = λ 2 e λt,..., y (n) = λ n e λt ja sijoittamalla saadaan a n λ n e λt + a n 1 λ n 1 e λt +... + a 2 λ 2 e λt + a 1 λe λt + a 0 e λt = 0 ja jakamalla e λt ( 0) pois a n λ n + a n 1 λ n 1 +... + a 2 λ 2 + a 1 λ + a 0 = 0. Algebran peruslauseen mukaan tällä karakteristisella yhtälöllä on ratkaisu. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 3 of 12

Vakiokertoimiset lineaariset DY:t Lause Jos λ i on karakteristisen yhtälön j-kertainen juuri, on vakiokertoimisella homogeenisella DY:llä lineaarisesti riippumattomat ratkaisut e λ i t, te λ i t, t 2 e λ i t,..., t j 1 e λ i t. Huomautus Jos karakteristisella polynomilla on kompleksinen juuri λ, on myös tämän liittoluku λ myös ratkaisu. Merkitään λ = α + iβ ja silloin λ = α iβ. Edelleen voidaan kirjoittaa e (α±iβ)t = e αt e ±iβt ja Eulerin kaavan perusteella e αt (cos βt ± i sin βt). Täten ratkaisut e λt ja e λt voidaan korvata reaalisilla ratkaisuilla e αt cos(βt) ja e αt sin(βt). M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 4 of 12

Vakiokertoimiset lineaariset DY:t Epähomogeeninen DY Epähomogeeninen, vakiokertoiminen DY a n y (n) + a n 1 y (n 1) +... + a 2 y + a 1 y + a 0 y = b(t) voidaan ratkaista seuraavasti: Etsitään kaikki homogeenisen DY:n ratkaisut y 1,..., y n yritteellä y = e λt. Etsitään epähomogeenisen yhtälön yksittäisratkaisu y 0 Laplace-muunnosten avulla. (Mikäli alkuehtoja ei ole annettu, ne voidaan valita sopivasti.) Kaikki ratkaisut ovat tällöin muotoa y = c 1 y 1 +... c n y n + y 0. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 5 of 12

Lineaariset DY:t 1. kertaluvun lineaarinen DY Yhtälön y + a(x)y = b(x) ratkaisut ovat muotoa y = Cy 1 + y 0, missä y 1 on homogeenisen yhtälön y + a(x)y = 0 ratkaisu 0 ja y 0 on jokin alkuperäisen yhtälön ratkaisu. Ratkaisumenetelmä Homogeenisen yhtälön ratkaisu y H. Vakion variointi: Sijoitetaan y = C(x)y H alkuperäiseen DY:hyn ja ratkaistaan C(x). M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 6 of 12

Lineaariset DY:t Esimerkki Ratkaistaan DY 2xy 3y = x. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 7 of 12

Lineaariset DY:t 2. kertaluvun lineaarinen DY y + a(x)y + b(x)y = c(x) Esiintyvät erityisesti fysiikassa (klassinen ja kvanttifysiikka) Ei yleistä integrointiin perustuvaa ratkaisumenetelmää Erikoistapauksia tutkittu kauan Useita ratkeavia erikoistapauksia Lause Jos homogeeniselle DY:lle y + a(x)y + b(x)y = 0 tunnetaan yksikin ratkaisu, voidaan kaikki alkuperäisen DY:n ratkaisut selvittää. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 8 of 12

Lineaariset DY:t Esimerkki Ratkaistaan DY 2x 2 y + xy 3y = x. Todetaan, että y 1 = x 1 on eräs homogenisoidun DY:n 2x 2 y + xy 3y = 0 ratkaisu. Etsitään sitten kaikki alkuperäisen DY:n ratkaisut. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 9 of 12

Separoituvat DY:t Määritelmä Muotoa oleva DY on separoituva. y = g(x)f (y) Separoituvan DY:n ratkaiseminen dy = g(x)f (y) dx 1 dy = g(x) dx f (y) 1 f (y) dy = g(x) dx + C M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 10 of 12

Separoituvat DY:t Esimerkki 103 Ratkaistaan separoituva DY y = y 2. Esimerkki Ratkaistaan separoituva DY y = 6x 5 2x + 1 cos y + e y. Funktiota y ei saada ratkaistua eksplisiittisessä muodossa, vaan ainostaan implisiittisessä muodossa: sin y + e y = x 6 x 2 + x + C. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 11 of 12

Separoituvat DY:t Esimerkki 104 Verhulstin populaatiomallissa populaation koko p(t) toteuttaa DY:n p = ap bp 2 Ratkaistaan yllä oleva DY. M. Hirvensalo mikhirve@utu.fi V. Junnila viljun@utu.fi Luentokalvot 10 12 of 12