3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. y + p(x)y + q(x)y = r(x) (1)

Samankaltaiset tiedostot
4 KORKEAMMAN KL:N LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon. + p(x)y = r(x) (28)

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Differentiaaliyhtälöt, Syksy 2015 Harjoitus 2, Ratkaisut Ratkaise separoituvat differentiaaliyhtälöt. a) y = y

1. Laske sivun 104 esimerkin tapaan sellainen likiarvo luvulle e, että virheen itseisarvo on pienempi kuin 10 5.

1. Osoita, että annetut funktiot ovat seuraavien differentiaaliyhtälöiden ratkaisufunktioita:

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

exp(x) = e x x n n=0 v(x, y) = e x sin y

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset 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

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

ẍ(t) q(t)x(t) = f(t) 0 1 z(t) +.

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Lämmönsiirto (ei tenttialuetta)

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Insinöörimatematiikka D

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola Luento 5. Termiinihinnan määräytyminen

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

Insinöörimatematiikka D

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

LIITE 8A: RAKENNELUVUN 137 YHTÄLÖITÄ

Insinöörimatematiikka D

Matemaattinen Analyysi

Korkeamman asteen polynomifunktio

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

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

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Johdatus graafiteoriaan

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Nelisolmuinen levyelementti

Valintakoe

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

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

Energian säilymislain perusteella elektronin rekyylienergia on fotnien energioiden erotus: (1)

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

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

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 =

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Teknillinen korkeakoulu Mat Epälineaarisen elementtimenetelmän perusteet (Mikkola/Ärölä) 11. harjoituksen ratkaisut

y 1 = f 1 (t,y 1,,y n ) y 2 = f 2 (t,y 1,,y n ) (1) y n = f n (t,y 1,,y n ) DY-ryhmään liittyvä alkuarvotehtävä muodostuu ryhmästä (1) ja alkuehdoista

Dierentiaaliyhtälöistä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 19: Gaussin integrointi emojanan alueessa.

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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?

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.

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

Häiriöteoriaa ja herkkyysanalyysiä. malleissa on usein pieniä/suuria parametreja. miten yksinkertaistetaan mallia kun parametri menee rajalle

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Variations on the Black-Scholes Model

4. Putkivirtaus 4. PUTKIVIRTAUS. 4.1 Virtauslajit ja Reynoldsin luku. 4.2 Putkivirtauksen häviöt

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

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

X(t) = X 0 + tx 1 + t 2 X 2 + t 3 X ,

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Kanta ja Kannan-vaihto

Empiiriset sovellukset

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Matemaattinen Analyysi

Matemaattinen Analyysi

Juuri 10 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

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 =

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

Jakso 15. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt

Matemaattinen Analyysi

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

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

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

x 7 3 4x x 7 4x 3 ( 7 4)x 3 : ( 7 4), 7 4 1,35 < ln x + 1 = ln ln u 2 3u 4 = 0 (u 4)(u + 1) = 0 ei ratkaisua

Kon Hydraulijärjestelmät

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Talousmatematiikan perusteet

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

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

Todellinen vuosikorko. Efektiivinen/sisäinen korkokanta. Huomioitavaa

Sami Holopainen Rakenteiden mekaniikka, Vol. 37 No. 2, 2004, ss

y + 4y = 0 (1) λ = 0

3 SIGNAALIN SUODATUS 3.1 SYSTEEMIN VASTE AIKATASOSSA

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

Transkriptio:

5 3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Huomautus pälinaarisista diffrntiaalihtälöistä: Epälinaarisn DY:n ratkaismisn i ol lispätvää mntlmää. Joitakin rikoistapauksia voidaan ratkaista: sim. tapauksissa ) = f(, ) li htälössä i siinn -trmiä ) = f(, ) li htälössä i siinn -trmiä voidaan kättää sijoitusta z = joka muuttaa htälön. krtaluvun DY:ksi. Tätä kutsutaan krtaluvun alntamisksi. Tässä luvussa käsitllään vain linaarisia htälöitä. Toisn krtaluvun linaarinn diffrntiaalihtälö on muotoa + p() + q() = r() () Yhtälö on linaarinn :n, :n ja :n suhtn, p, q ja r voivat olla mitä tahansa :n funktioita. Jos r() = 0 tarkastluvälillä I, htälö on homogninn, muulloin s on pähomogninn. Funktioita p ja q kutsutaan htälön krtoimiksi. Ratkaisua li htälön () totuttavaa funktiota hataan lnsä jollakin avoimlla välillä I = (a, b). Jos on krrottu jollakin funktiolla f(), päästään muotoon () jakamalla DY f():llä. 3. Homognist linaarist diffrntiaalihtälöt Homogninn linaarinn DY: + p() + q() = 0 () Laus 3.. Ratkaisujn suprpositiopriaat: Jos ja ovat homognisn DY:n () ratkaisuja, niin mös niidn linaarikombinaatiot C + C ovat ratkaisuja. Funktiot ja ovat linaarissti riippumattomia välillä I, jos k () + k () = 0 välillä I (3) totutuu vain arvoilla k = k = 0 funktiot ja ivät ol suoraan vrrannollist ksknään välillä I / vakio välillä I Funktiot ovat linaarissti riippuvia jos (3) voi totutua muillakin kuin krtoimin arvoilla 0. funktiot, ovat suoraan vrrannollist välillä I = a tai = b joillakin vakioilla a tai b. Drivoituvin funktioidn ja Wronskin dtrminantti on (, ) (4) W

6 Laus 3.. Olttaan, ttä p() ja q() ovat jatkuvia avoimlla välillä I. Kaksi homognisn DY:n () ratkaisua ja ovat linaarissti riippumattomia, jos ja vain jos Wronskin dtrminantti W(, ) 0 ksisllä välillä I. Laus 3..3 Homognisn DY:n () linn ratkaisu avoimlla välillä I on = C + C (5) missä C, C ovat milivaltaisia vakioita ja, ovat linaarissti riippumattomia ratkaisuja (li ivät ksknään vrrannollisia). Linaarissti riippumattomia ratkaisuja kutsutaan kantaratkaisuiksi ja n muodostavat DY:n () ratkaisujn kannan. Esimrkki 3.. Ratkais = 0 (6) Huomataan, ttä = ja = - totuttavat DY:n (6). / = vakio, jotn funktiot ovat linaarissti riippumattomia ja muodostavat ratkaisujn kannan. Toinn tapa linaarisn riippumattomuudn totamisksi: W(, ) 0 DY:n (6) linn ratkaisu on = C + C -. Toisn krtaluvun DY:n () lisn ratkaisuun sisältvin vakioidn ratkaismisn tarvitaan kaksi htoa. Alkuarvothtävä koostuu htälöstä + p() + q() = 0 ja alkuhdoista ( 0 ) = K 0, ( 0 ) = K (7) Runa-arvothtävä koostuu htälöstä + p() + q() = 0 ja runahdoista ( ) = K, ( ) = K (8) Esimrkki 3.. Ratkais alkuarvothtävä + = 0 (0) = 3, (0) = -0.5. Ratkaistaan thtävä ns. rittllä li kokilmalla (täll vakiokrtoimisll tapauksll on mös ratkaisukaava luvussa 3.). Koska cos ja sin ovat ± toistnsa drivaattoja, kokillaan totuttavatko n anntun DY:n = -: = cos = -sin = -cos = - = sin = cos = -sin = - Nämä ovat kaksi linaarissti riippumatonta ratkaisua, jotn linn ratkaisu on = C cos + C sin

Alkuhdot: (0) = C = 3 7 () = -C sin + C cos (0) = C = -0.5 Alkuarvothtävän ratkaisu (ksitisratkaisu): = 3 cos 0.5 sin Yksinkrtaisissa tapauksissa ksi ratkaisu voidaan lötää rittn avulla. Jos ksi ratkaisu on lödtt, suraavalla mntlmällä lödtään toinn kantaratkaisu. Krtaluvun alntaminn toisn kantaratkaisun lötämisksi Olkoon homognisn DY:n + p() + q() = 0 () tunnttu ratkaisu. Etsitään sllainn funktio u() vakio, ttä = u on ():n ratkaisu. Sijoittaan htälöön (): = u + u = u + u + u + u = u + u + u u + u + u + p(u + u ) + qu = 0 => u + ( + p )u + ( + p + q )u = 0. u:n krroin = 0, koska on räs ratkaisu. Jakamalla :llä saadaan p u" u 0 Mrkitään v = u, jolloin saadaan. krtaluvun sparoituva DY p v v dv => p d v => ln v ln pd ln pd => v pd 0 (tumrkit ja intgroimisvakiot voi unohtaa koska hataan vain htä kantaratkaisua)

8 ja ratkaisu u vd vd missä pd v (9) Esimrkki 3..3 Etsi toinn kantaratkaisu DY:ll ( ) + = 0, kun ksi ratkaisu on =. 3. Vakiokrtoimist homognist diffrntiaalihtälöt Vakiokrtoiminn. krtaluvun homogninn DY on muotoa + a + b = 0 (0) missä a ja b ovat vakioita. Yrit: = () Sijoittamalla htälöön rit ja sn drivaatat saadaan = = + a + b = 0 + a + b = 0 () Tämä on DY:n (0) karaktristinn htälö. Karaktristisn htälön ratkaisut: a a 4b (3) Riippun diskriminantin D = a 4b arvosta saadaan kolm tapausta: Tapaus : Kaksi rillistä raalijuurta, Tapaus : Raalinn kaksoisjuuri Tapaus 3: Kaksi komplksista juurta Tapaus : Kaksi rillistä raalijuurta, Jos a 4b > 0, ratkaisut ja muodostavat kannan; linn ratkaisu on C (4) C Esimrkki 3.. Ratkais alkuarvothtävä + = 0, (0) = 4, (0) = -5.

9 Tapaus : Raalinn kaksoisjuuri Jos a 4b = 0, saadaan kaksoisjuuri = -a/, jolloin ksi ratkaisu on (a / ) (5) Toinn ratkaisu saadaan krtaluvun alntamismntlmällä: Sijoittamalla = u = u + u = u + u + u + u = u + u + u htälöön + a + b = 0 saadaan u + u + u + a(u + u ) + bu = 0 => u + ( + a )u + ( + a + b )u = 0. u:n krroin = 0, samoin u :n krroin: + a = -(a/) -(a/) + a = -a + a = 0 => u = 0 => u = 0 => u = c => u = c + c Voidaan valita u = (mahdollisimman ksinkrtainn dllisn kanssa lin. riippumaton ratkaisu). Toinn kantaratkaisu on Ylinn ratkaisu: (a / ) (6) C (7) C (C C) Esimrkki 3.. Ratkais + 0.5 = 0 Tapaus 3: Kaksi komplksista juurta Jos a 4b < 0, karaktristisn htälön juurt ovat a a 4b a i b a 4 jotka ovat toistnsa komplksikonjugaattja. Jos mrkitään = -a/, b a, juurt ovat 4 i, i (8) Komplksist ratkaisut ovat ja.

DY:ll voidaan muodostaa mös raalist kantaratkaisut: 0 Jos z = s + it, komplksinn ksponntiaalifunktio on z = s+it = s it = s (cos t + i sin t) i (cos( ) i sin( i (cos( ) i sin( )) )) Näidn summa / ja rotus /(i) ovat raalisia ratkaisuja cos( ) ja sin( ) (9) jotka ivät ol suoraan vrrannollisia li ovat lin. riippumattomia. N muodostavat siis ratkaisujn kannan. Ylinn ratkaisu on (A cos( ) Bsin( )) (0) Esimrkki 3..3 Etsi linn ratkaisu DY:ll 4 + 3 = 0. YHTEENVETO: Vakiokrtoimisn diffrntiaalihtälön + a + b = 0 ratkaisut Tapaus Karaktristisn htälön juurt Ylinn ratkaisu raalist C C kaksoisjuuri = -a/ (C C) 3 komplksist, = ± i (A cos( ) Bsin( )) 3.3 Eulr-Cauch-diffrntiaalihtälö Eulr-Cauch-diffrntiaalihtälö + a + b = 0 () voidaan ratkaista sijoittamalla rit = m ja sn drivaatat = m m-, = m(m-) m- : m(m-) m- + am m- + b m = 0 m(m-) m + ma m + b m = 0 Kun 0, voidaan jakaa trmillä m : m(m-) + am + b = 0 m + (a-)m + b = 0 ()

Tapaus : Kaksi raalijuurta Raalijuurt m m : kantaratkaisut Ylinn ratkaisu: m, (3) m C (4) m m C Tapaus : Kaksoisjuuri Kaksinkrtainn juuri m = (-a)/: ksi ratkaisu on = m (5) Toinn ratkaisu lödtään krtaluvun alntamismntlmällä (linn tapaus, luku 3.): = u, josta ratkaistaan u jn. Toisksi kantaratkaisuksi saadaan Ylinn ratkaisu: = (ln ). (6) = (C + C ln ) m (7) Tapaus 3: Komplksist juurt Komplksist juurt m, = ± i. Ylinn ratkaisu on = (A cos( ln ) + B sin( ln )) (8) 3.4 Epähomognist. krtaluvun diffrntiaalihtälöt Epähomogninn. krtaluvun diffrntiaalihtälö on + p() + q() = r() (9) missä r 0. Tämän ratkaisussa tarvitaan vastaavan homognisn DY:n ratkaisua. + p() + q() = 0 (30) Laus 3.4. Epähomognisn DY:n + p() + q() = r() linn ratkaisu on () = h () + p () (3) missä h () = C () + C () on vastaavan homognisn DY:n (30) linn ratkaisu p () on mikä tahansa pähomognisn DY:n (9) ksitisratkaisu.

Kaavalla (3) saadaan kaikki DY:n (9) ratkaisut, antamalla vakioill C ja C sopivat arvot. Epähomognisn DY:n (9) minkä tahansa kahdn ratkaisun rotus on homognisn DY:n (30) ratkaisu. Onglma: Mitn lödtään pähomognisn DY:n ksitisratkaisu p? 3.4. Määräämättömin krtoimin mntlmä li ritmntlmä Ratkaistaan vakiokrtoimista pähomognista diffrntiaalihtälöä + a + b = r() (3) Priaat: Kun r() on funktio, jonka drivaatta on samankaltainn kuin funktio its, voidaan kättää samantppistä ritttä, jossa on mukana tuntmattomia vakioita. Vakiot määrätään sitn, ttä htälö (3) totutuu. Tällaisia funktiota ovat ksponnttifunktio, :n potnssit, sin/cos-funktiot skä näidn tulot. r() k a k n tai n:nnn astn polnomi (n = 0,,, ) k cos(), k sin() k a cos(), k a sin() rit p () c a k n n + k n- n- + + k + k 0 c cos() + c sin() a (c cos() + c sin()) Epähomognisn DY:n ksitisratkaisun p määrääminn: a) Prussääntö: Jos r() on jokin dllisn taulukon funktioista, valits sitä vastaava rit ja määritä krtoimt sijoittamalla p drivaattoinn htälöön (3). b) Modifikaatiosääntö: Jos p :n trmi (summassa) on jokin homognisn htälön + a + b = 0 ratkaisu, krro tätä tppiä vastaava p :llä (tai :lla, mikäli ratkaisu vastaa karaktristisn htälön kaksoisjuurta). c) Summasääntö: Jos r() on summa taulukon nsimmäisn sarakkn funktioista, valits rittksi (toisn sarakkn) vastaavin rittidn summa. Huomautuksia: Ensin ratkaistaan vakiokrtoiminn homogninn DY. Jos rit on väärä tai siinä on liian vähän trmjä, suraa ristiriita. Jos siinä on likaa trmjä, limääräist krtoimt mnvät nolliksi. Modifikaatiosääntöä sovlltaan taulukon ri rivjä vastaaviin rittisiin riksn ja vasta tämän jälkn summasääntöä. Muihinkin funktiotppihin rit voi onnistua, sim. a n. Esimrkki 3.4. (Krszig) Ratkais alkuarvothtävät a) + = 0,00 (0) = 0, (0) =,5 b) + 3 +,5 = -0 -,5 (0) =, (0) = 0 c) + + 5 = 0,5 + 40cos(0) 90 sin(0) (0) = 0,6, (0) = 40,08.

3 3.4. Paramtrin variointimntlmä (vakion variointimntlmä) Tällä lisllä mntlmällä määrätään pähomognisn DY:n + p() + q() = r() ksitisratkaisu p kun homognisn DY:n (30) ratkaisu h () = C () + C () (33) tunntaan. Olttaan, ttä p, q ja r ovat jatkuvia avoimlla välillä I. Paramtrin varioinnissa korvataan vakiot C ja C sllaisilla funktioilla u ja u, ttä funktio p () = u () () + u () () (34) on DY:n (9) ratkaisu. Ratkaisuksi saadaan r r p () d d (35) W W missä W = on ratkaisujn ja Wronskin dtrminantti. (Prustlut: Krszig, luku.0) Toinn muoto (lisstä kaavasta luvussa 4.3.): W W p () r d r d (36) W W missä W = kantaratkaisujn Wronskin dtrminantti, W j = Wronskin dtrminantti jossa j:s sarak (j =,) korvattu sarakklla [0 ] T : 0 W W = - ' ' ' 0 W = ' Esimrkki 3.4. Ratkais DY + - = + -.