DIFFERENTIAALIYHTÄLÖN NUMEERISESTA RATKAISEMISESTA 2 1,5 0,5 -0,5 -1,5-2

Samankaltaiset tiedostot
MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

LUENTO 3: KERTAUS EDELLISELTÄ LUENNOLTA

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Funktio 1. a) Mikä on funktion f (x) = x lähtöjoukko eli määrittelyjoukko, kun 0 x 5?

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

5.13 Planetaarinen liike, ympyräradat

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

Keskeisvoimat. Huom. r voi olla vektori eli f eri suuri eri suuntiin!

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

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

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

Differentiaalimuodot

Toisen asteen käyrien ja pintojen geometriaa Ympyrän ja pallon ominaisuuksia

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

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

Matematiikan tukikurssi

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Tehtävä 4.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla.

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

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 4: Taso- ja avaruuskäyrät

Integrointi ja sovellukset

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

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

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

Tekijä Pitkä matematiikka

Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö

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

Seurauksia. Seuraus. Seuraus. Jos asteen n polynomilla P on n erisuurta nollakohtaa x 1, x 2,..., x n, niin P on muotoa

Matematiikan peruskurssi 2

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Ratkaisut vuosien tehtäviin

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

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016


Mat Matematiikan peruskurssi K2

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Matematiikan tukikurssi

Ympyrän yhtälö

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

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

Vektorilaskenta, tentti

2 Keskeisvoimakenttä. 2.1 Newtonin gravitaatiolaki

ellipsirata II LAKI eli PINTA-ALALAKI: Planeetan liikkuessa sitä Aurinkoon yhdistävä jana pyyhkii yhtä pitkissä ajoissa yhtä suuret pinta-alat.

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

2 Funktion derivaatta

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

6. TAIVAANMEKANIIKKA. Antiikki: planeetat = vaeltavia tähtiä jotka liikkuvat kiintotähtien suhteen

Tasokäyrän kaarevuus LUKU 1

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

Matematiikan tukikurssi

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

ClassPad 330 plus ylioppilaskirjoituksissa apuna

Lauseen erikoistapaus on ollut kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa seuraavassa muodossa:

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

Differentiaaliyhtälöryhmä

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

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Derivointiesimerkkejä 2

Ratkaisuja, Tehtävät

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Ratkaisut: loppuviikko 2

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

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

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Transkriptio:

Differentiaaliyhtälön numeerisesta ratkaisemisesta Olkoot D R 2 alue ja r, f, g : D R jatkuvia funktioita. Differentiaaliyhtälön y r(x, y) suuntaelementtikenttä on kuvaus D R 2, (x, y) (, r(x, y)). Suuntaelementtikenttä havainnollistetaan piirtämällä pisteeseen (x, y) lyhyt jana, jonka suuntavektori on (, r(x, y)). Jos y on yhtälön y r(x, y) ratkaisu, niin sen kuvaajan tangenttivektori pisteessä x on (, y (x)) (, r(x, y(x))). Jos f ja g ovat kahden muuttujan polynomeja ja r(x, y) g(x, y)/f(x, y) on rationaalifunktio, jonka nimittäjällä on nollakohtia, kasvavat vektorit (, r(x, y)) suuriksi nimittäjän nollakohtien lähellä. Jos (, r(x, y)) korvataan yhdensuuntaisella vektorilla f(x, y) (, r(x, y)), muuttuvat piirrettävät vektorit vektoreiksi (f(x, y), g(x, y)), jossa esiintyvät lausekkeet ovat kaikkialla siistejä. Nimittäjän nollakohdissa, eli kun f(x, y), on piirrettävän vektorin ensimmäinen komponentti, mutta toinen komponentti g(x, y) voi olla nollasta eroava. Vektori on tällöin y-akselin suuntainen. Differentiaaliyhtälöiden numeeriseen ratkaisemiseen tarkoitetut ohjelmat saattavat tällaisissa ongelmatilanteissa toimia väärin. Yleisesti käytetty Rungen ja Kuttan menetelmä (alla Mathematica-ohjelmalle koodattuna) on eräs tällainen. RungeKuttaSolve[f_, {x_, y_}, {x_, y_}, h_, ntot_]: NestList[RKStep[f, {x, y}, #, h]&, {x, y}, ntot] RKStep[f_, {x_, y_}, {xn_, yn_}, h_]: Block[{k, k2, k3, k4}, k h*n[f/.{x->xn, y->yn}] ; k2 h*n[f/.{x->xn+h/2, y->yn+k/2}]; k3 h*n[f/.{x->xn+h/2, y->yn+k2/2}]; k4 h*n[f/.{x->xn+h, y->yn+k3}]; Return[{xn + h, yn + (k + 2k2 + 2k3 + k4)/6}] ]

DIFFERENTIAALIYHTÄLÖN NUMEERISESTA RATKAISEMISESTA 2,5 - - -,5-2 -,5 - -,5 2 Origokeskisen r-säteisen ympyrän yhtälöstä x 2 + y 2 r 2 saadaan derivoimalla 2x + 2y(x) y (x), joten origokeskisille ympyröille saadaan differentiaaliyhtälö y x/y. Tässä siis r(x, y) x/y, f(x, y) y ja g(x, y) x. Huomaa alkuehtopisteen (.9,.) kautta kulkevan ratkaisukäyrän omituinen sik-sakkäyttäytyminen, kun käyrä törmää x-akseliin. (Kuva on piirretty Applen Grapher.app- (eli Piirturi-) ohjelmalla.),5 - - -,5-2 -,5 - -,5 2 Ympyrän suuntaelementtikenttä (, x/y) muutettuna vektorikentäksi (y, x). Vastaavan differentiaaliyhtälöparin x y, y x, ratkaisukäyrä on ongelmaton.

DIFFERENTIAALIYHTÄLÖN NUMEERISESTA RATKAISEMISESTA 3 Myös vektoriarvoiseen funktioon (x, y) (f(x, y), g(x, y)) voidaan luonnollisella tavalla liittää differentiaaliyhtälö, tai oikeastaan differentiaaliyhtälöryhmä dx f(x, y) ( ) dt dy g(x, y) dt missä nyt x ja y ajatellaan muuttujan t funktioiksi. Jos t (x(t), y(t)) on differentiaaliyhtälöryhmän ( ) ratkaisu, jolle (x(t ), y(t )) (x, y ) ja f(x, y ), saadaan muodollisesti jakamalla dy dx dy dt dt dx dy / dx g(x, y) dt dt f(x, y). Differentiaaliyhtälöryhmän ( ) ratkaisu antaa siis ratkaisun alkuperäiselle differentiaaliyhtälölle. Tarkemmin päättely tapahtuu seuraavasti: Koska dx(t dt ) f(x, y ), on t x(t) aidosti monotoninen jossain pisteen t ympäristössä. Tällä funktiolla t x(t) on tällöin käänteisfunktio ξ τ(ξ), joten yhdistetylle funktiolle ỹ : ξ y(τ(ξ)) saadaan yhdistetyn funktion ja käänteisfunktion derivoimissääntöjen avulla (kun t τ(ξ), eli x(t) ξ) ỹ (ξ) dy(τ(ξ)) dξ y (τ(ξ))τ (ξ) y (t) x (t) g(x(t), y(t)) f(x(t), y(t)) g(ξ, ỹ(ξ)) f(ξ, ỹ(ξ)). Helppona muistisääntönä siirtymiselle differentiaaliyhtälöstä differentiaaliyhtälöryhmään voidaan pitää seuraavaa lavennusta: dy dx dy/dt dx/dt g(x, y) f(x, y), jonka jälkeen osoittajat asetetaan samoiksi ja vastaavasti nimittäjät samoiksi. Esimerkiksi origokeskisten ympyröiden differentiaaliyhtälöparin x y, y x, ratkaisulle on x y x, joten x(t) A cos t + B sin t ja y(t) x (t) A sin t + B cos t, eli vektoriarvoisena funktiona (x(t), y(t)) cos t (A, B) + sin t (B, A). Tarkastellaan vaikka hetkellä t pisteen (, y ), y, kautta kulkevaa käyrää. Tällöin A ja B y sekä x(t) y cos t, y(t) y sin t. Funktion t x(t) käänteisfunktio ξ τ(ξ) on τ(ξ) arccos(ξ/y ) ja y(τ(ξ)) y sin(τ(ξ)) ±y cos2 (τ(ξ)) ±y (ξ/y ) 2 ± y 2 ξ 2 (etumerkki valitaan alkuehdon y merkin mukaan). Luonteva yleistys reaaliarvoiselle differentiaaliyhtälölle y r(x, y) saadaan seuraavasti (tässä tason tapauksessa; yleistys useampiulotteiseen tilanteeseen on selvä): Vektorikenttä tason alueessa D R 2 on kuvaus F : D R 2, F (x, y) (f(x, y), g(x, y)), (x, y) D missä f ja g ovat joukossa D määriteltyjä reaaliarvoisia funktioita. Vektorikentän F : D R 2 integraalikäyrä välillä I R on kuvaus z : I R 2 siten, että { x (t) f(x(t), y(t)) z(t) D ja z (t) F (z(t)) kaikille t I, t.s. y (t) g(x(t), y(t))

PLANEETTALIIKKEESTÄ 4 Planeettaliikkeestä Ks. [2, luku 6, 2], [3, luku 6, 6..a, 6..b ja 6..e], [4, luku III, 3 5] Keskeisvoiman F vaikutuksessa liikkuvan hiukkasen (massa m) radan määrää differentiaaliyhtälöpari (hiukkasen paikka (x, y) on ajan t funktio) m x x () r F (r) m y y missä r x 2 + y 2. r F (r) Kun hiukkasen paikka esitetään napakoordinaattien (r, θ) avulla { x r cos θ y r sin θ missä r ja θ ovat ajan funktioita. Suoralla laskulla nähdään, että kiihtyvyyden (x, y ) radiaalinen ja sitä vastaan kohtisuora komponentti ovat (x (t), y (x, y) (t)) r (t) r(t) θ (t) 2 ja r (x (t), y ( y, x) (t)) r(t) θ (t) + 2 r (t) θ (t) r Yhtälöt () saavat napakoordinaattien (r, θ) avulla muodon { m (r (t) r(t) θ (t) 2 ) F (r) (2) m (r(t) θ (t) + 2 r (t) θ (t)) Siis Kun jälkimmäinen yhtälöistä (2) kertotaan puolittain termillä r(t)/m, saadaan r(t) 2 θ (t) + 2 r(t) r (t) θ (t) d dt (r(t)2 θ (t)). (3) r(t) 2 θ (t) vakio : h Kurssilla Integraalilaskenta 2 käy selville, että origosta pisteeseen (x(t), y(t)) piirrettyjen säteiden ja polun t (x(t), y(t)) rajoittaman alueen pinta-ala parametrin liikkuessa välillä [t, t], on A(t) t Tehdään vielä seuraava muuttujanvaihto: Tällöin ja r (t) v (θ(t)) θ (t) v(θ(t)) 2 t 2 r(t)2 θ (t) dt 2 h (t t ). v(θ(t)) : r(t). r (t) h v (θ(t)) θ (t) h v (θ(t)) v (θ(t)) r(t) 2 θ (t) h v (θ(t)) h r(t) 2 h2 v (θ(t)) v(θ(t)) 2.

Siis ensimmäinen yhtälöistä (2) saa muodon PLANEETTALIIKKEESTÄ 5 v (θ) + v(θ) F (/v(θ)) m h 2 v(θ) 2 Oletetaan, nyt että F on muotoa (painovoimalaki; k positiivinen vakio) (4) F (r) k m r 2 Tällöin F (/v) k m v 2, joten edellinen yhtälö saa muodon Tämän yhtälön ratkaisut ovat missä B ja ω ovat vakioita. Siis (5) r v (θ) + v(θ) k h 2 v(θ) k + B cos(θ ω), h2 h 2 /k + e cos(θ ω), missä e : B h 2 /k. Saatu napaetäisyyden kaava kertoo, että hiukkasen rata on kartioleikkaus eli ellipsi, paraabeli tai hyperbeli, jonka toinen polttopiste on origossa, ja jonka eksentrisyys on e. Käyrä on ellipsi, paraabeli tai hyperbeli sen mukaan, onko e <, e tai e >. Oletetaan nyt, että e <. Olkoot 2a ja 2b ellipsin isoakselin ja pikkuakselin pituudet. Tällöin 2a on etäisyyden r suurimman ja pienimmän arvon summa, t.s. 2a h2 k ( e + e ) 2h 2 k ( e 2 ) Eksentrisyydelle e on b 2 a 2 ( e 2 ) h 2 a/k. Olkoon T aika, joka hiukkaselta kuluu, kun se kiertää ellipsin kerran ympäri. Koska ellipsin pinta-ala on π a b, saadaan pintanopeuden (3) nojalla joten h T A(t 2 + T ) π a b, T 2 4π2 a 2 b 2 h 2 4π2 a 2 h 2 a h 2 k 4π2 k Keplerin lait: (i) planeetat liikkuvat pitkin ellipsin muotoista rataa, jonka toisessa polttopisteessä on aurinko; (ii) auringosta planeettaan piirretty säde pyyhkäisee samansuuruiset pinta-alat yhtä pitkinä aikaväleinä; (iii) planeetan kiertoajan neliöt suhtautuvat toisiinsa kuten rataellipsin isoakselin kuutiot. a3 Johannes Kepler (57 63); Astronomia nova 69. Kepler löysi lakinsa Tycho Brahen (546 6) tekemien tarkkojen mittausten pohjalta.

Kirjallisuutta [] Martin Braun: Differential equations and their applications, neljäs laitos, Springer, 993. [2] Earl A. Coddington: An introduction to ordinary differential equations, Dover Publications, Inc, 989. [3] Richard Courant ja Fritz John: Introduction to calculus and analysis, Volume II/2, uusintapainos vuoden 989 laitoksesta, Classics in Mathematics, Springer, 2. [4] Ernst Lindelöf: Diffentiali- ja integralilasku ja sen sovellutukset III. Tavalliset differentiaaliyhtälöt, Mercatorin kirjapaino, 935. [5] http://en.wikipedia.org/wiki/tycho Brahe [6] http://en.wikipedia.org/wiki/johannes Kepler 6