4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Samankaltaiset tiedostot
Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

13. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

TAVALLISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Insinöörimatematiikka D

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 lineaariset differentiaaliyhtälöt

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Insinöörimatematiikka D

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Matemaattinen Analyysi

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Insinöörimatematiikka D

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Dierentiaaliyhtälöistä

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

Dierentiaaliyhtälöistä

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Insinöörimatematiikka D

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

Insinöörimatematiikka D

Dierentiaaliyhtälöistä

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Matemaattinen Analyysi

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Matemaattinen Analyysi

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

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

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

Insinöörimatematiikka D

Mat Matematiikan peruskurssi K2

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

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

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

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

1 Di erentiaaliyhtälöt

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

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

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Matemaattinen Analyysi

Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 3

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 )).

3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Laplace-muunnos: määritelmä

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

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

12. Differentiaaliyhtälöt

Numeeriset menetelmät

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

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

Differentiaaliyhtälöt

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

7. DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 2

[xk r k ] T Q[x k r k ] + u T k Ru k. }.

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

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Jouni Sampo. 15. huhtikuuta 2013

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

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

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

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

Differentiaaliyhtälösysteemit sekä niiden tasapainopisteiden stabiilisuus

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

Numeeriset menetelmät

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

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

Transkriptio:

1 Laaja matematiikka 5 Kevät 010 4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä Yksi tavallisimmista luonnontieteissä ja tekniikassa esiintyvistä matemaattisista malleista on differentiaaliyhtälö. Se on yleisessä muodossaan yhtälö, jossa esiintyy tuntemattomia funktioita ja niiden derivaattoja. Jos derivaatoissa on osittaisderivaattoja, kyseessä on osittaisdifferentiaaliyhtälö, jos vain tavallisia derivaattoja, tavallinen differentiaaliyhtälö. Tällä kurssilla käsittelemme vain jälkimmäisiä, ja niitäkin lyhyesti. Differentiaaliyhtälön kertaluku on siinä esiintyvän korkeimman derivaatan kertaluku. Differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos tuntematon funktio ja sen yhtälössä esiintyvät derivaatat esiintyvät siinä lineaarisesti eli asteluvulla 1. Jos silloin tuntemattoman funktion ja derivaattojen kertoimet ovat vakioita, kyseessä on vakiokertoiminen lineaarinen differentiaaliyhtälö. Tuntematon funktio ja sen derivaatat laitetaan pääsääntöisesti yhtälön vasemmalle puolelle. Jos silloin oikealle puolelle jää 0, kyseessä on homogeeninen yhtälö, muuten yhtälö on epähomogeeninen. Esim. 1 Tarkastellaan seuraavia differentiaaliyhtälöitä: a) y '''( x) + x y''( x) + y( x) = sin x (4) b) ( y ( x)) + y( x) = x c) x''( t) + x'( t) + 4 x( t) = 0 Näistä a ja c ovat lineaarisia, b on epälineaarinen. Yhtälön a kertaluku on 3, yhtälön b kertaluku on 4 ja c on toisen kertaluvun vakiokertoiminen lineaarinen homogeeninen yhtälö. Yhtälöt a ja b ovat epähomogeenisia.

Differentiaaliyhtälön ratkaisuja ovat funktiot, jotka sijoitettuna yhtälöön toteuttavat sen jollakin avoimella välillä. Yleiseen ratkaisuun sisältyy kertaluvun ilmoittama määrä toisistaan riippumattomia vakioita eli parametreja. Parametrit tai osa niistä voidaan kiinnittää alkuehdoilla tai reunaehdoilla, jolloin kyseessä on alkuarvoprobleema tai reunaarvoprobleema. Esim. Yhtälön y''( x) + y( x) = 0 yleinen ratkaisu on y( x) = c1sinx+ ccosx, missä c1, c ovat parametreja. Alkuarvoprobleeman y''( x) + y( x) = 0, y(0) = 0, y'(0) = ratkaisu (yksikäsitteinen) on yx ( ) = sinx. Reuna-arvoprobleeman y''( x) + y( x) = 0, y(0) = 0, y( π ) = 0 ratkaisuja ovat kaikki funktiot yx ( ) = csin x, c. Reuna-arvoprobleemalla y''( x) + y( x) = 0, y(0) = 0, y( π ) = 1 taas ei ole ratkaisua lainkaan. Kuten esimerkistä näkyy, differentiaaliyhtälöllä ei välttämättä tarvitse olla olemassa ratkaisua, ja jos sellaisia on, niiden ei tarvitse olla yksikäsitteisiä. Tähän kysymykseen palaamme myöhemmin differentiaaliyhtälösysteemien yhteydessä. Käymme seuraavassa läpi yksinkertaisimpia perustapauksia 1. ja. kertaluvun differentiaaliyhtälöistä. Yleisempi teoria esitetään sitten myöhemmin. Totuttelemme kuitenkin yleiseen differentiaalisysteemien merkintätapaan jo nyt merkitsemällä tuntematonta funktiota useimmiten x:llä ja muuttujaa t:llä ("aika").

3 1) Ensimmäisen kertaluvun lineaarinen homogeeninen vakiokertoiminen yhtälö: (1) x'( t) ax( t) = 0 eli x'( t) = ax( t), joka voidaan esittää muodossa () x'( t) = a. xt () Kun tämä integroidaan puolittain, saadaan ln x( t) = at + d, missä d on integroimisvakio. Ottamalla tästä edelleen eksponenttifunktio exp puolittain tullaan muotoon at d at d x( t) = exp( at+ d) = e + = e e Koska jokainen luku c on esitettävissä lausekkeena ±e d jollakin d, saadaan itseisarvomerkit poistettua ja yleinen ratkaisu on at (3) x() t = e c missä c on mielivaltainen vakio. Alkuehdon x(0)=x 0 toteuttavassa ratkaisussa on silloin c=x 0 : (4) x() t = e at x0.

4 ) Ensimmäisen kertaluvun lineaarinen epähomogeeninen vakiokertoiminen yhtälö: (5) x'( t) ax( t) = b( t) eli x'( t) = ax( t) + b( t) Yhtälön x'(t)=ax(t) eli homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu on edellisen nojalla (6) x h (t)=e at c. Epähomogeenisen yhtälön x'(t)=ax(t)+b(t) yksityisratkaisu saadaan ns. vakion varioinnilla eli etsimällä ratkaisua muodossa (7) x(t)=e at c(t). Silloin saadaan derivoimalla ja sijoittamalla epähomogeeniseen yhtälöön: josta sievenee yhtälö ae at c(t)+e at c'(t)=ae at c(t) + b(t) c'(t)=e -at b(t), eli eräs yksityisratkaisu on (8) x p (t)=e at e at b(t)dt. Silloin yleinen ratkaisu epähomogeeniselle yhtälölle on homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu plus epähomogeenisen yksityisratkaisu: (9) x(t)=e at c + e at e -at b(t)dt Alkuehdon x(0)=x 0 toteuttava ratkaisu on silloin (10) x(t)=e at a( t s) x 0 + e b() s ds. t 0 Jos edellä vakio a vaihtuu funktioksi a(t), niin ratkaisujen johto menee lähes samalla tavalla, kun termi at korvataan integraalilla atdt () :

5 3) Ensimmäisen kertaluvun lineaarinen homogeeninen yhtälö: (11) x'( t) a( t) x( t) = 0 eli x'( t) = a( t) x( t). Yleinen ratkaisu on (1) () xt () = e atdt c ja alkuehdon x(0)=x 0 toteuttava ratkaisu () 0 (13) xt () = e atdt x. t 0 4) Ensimmäisen kertaluvun lineaarinen epähomogeeninen yhtälö: (14) x'( t) a( t) x( t) = b( t) eli x'( t) = a( t) x( t) + b( t). Yleinen ratkaisu on (15) atdt () atdt () atdt () x() t = e c+ e e b() t dt. π π Esim. 3 x '( t) + (tan t) x( t) = cos t, < t <. sin t Koska atdt ( ) = ( tan tdt ) = dt= ln(cos t) cost yleinen ratkaisu on, niin e a() t dt = cost, joten 1 x( t) = (cos t) c+ cost cos tdt = (cos t) c+ costsin t. cost

6 Epälineaariset differentiaaliyhtälöt ovat yleensä ratkaistavissa korkeintaan numeerisesti. Mutta dimensiossa 1 eli 1. kertaluvun differentiaaliyhtälöissä tietyt erityistapaukset ratkeavat periaatteessa helposti. Erikoistemppuihin perehtyminen ei nykyisin kuitenkaan enää ole tarpeellista (ohjelmistot Maple etc.), paitsi seuraavaa, joka on niin tavallinen, että esiintyy eri alojen oppikirjoissa "luonnonlakien" yms. johtamisissa: 5) Ensimmäisen kertaluvun separoituva differentiaaliyhtälö: (16) x'( t) = h( t) g( x( t)), Tämä on siis muotoa, missä oikealla puolella muuttujat t ja x ovat "separoituneet". Silloin yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon (vasemmalle separoituneet x, oikealle pelkästään t:stä riippuvat.) (17) x'( t) / g( x( t)) = h( t), josta puolittain integroituna. (18) x'( t) / g( x( t)) dt = h( t) dt Tämä integrointi onnistuessaan antaa yhtälön yleisen ratkaisun. Edellä olemme jo käyttäneetkin tätä menettelyä ensimmäisen kertaluvun lineaarisen homogeenisen differentiaaliyhtälön ratkaisujen johtamisessa. Esim. 4 x '( t) t x( t) = t (epälineaarinen, epähomogeeninen) x'( t) x'( t) x '( t) = t (1 + x( t) ) = t dt = t dt 1 + xt ( ) 1 + xt ( ) Sijoitetaan vasempaan integraaliin u = x(), t du = x'() t dt, jolloin saadaan du 1 3 tdt arctan u 3 t c 1+ u = = + 1 3 x( t) = tan( t + c).. Siis yleinen ratkaisu on 3

7 Esim. 5 x '( t) = x( t)(1- sin( t)) x'( t) x'( t) = 1 sin( t) dt = (1 sin( t)) dt xt () xt () puolille yhtälöä) (eli x ja t separoitiin eri ln xt ( ) t cos( t) d xt ( ) e ee xt () ce + t+ cos( t) + d d t+ cos( t) = + + = =, merk. t cos( t) =, c on mielivaltainen vakio. c d =± e : Siirrytään seuraavaksi toisen kertaluvun lineaarisiin yhtälöihin (19) y''( t) + a( t) y'( t) + b( t) y( t) = f( t) ja vastaaviin homogeenisiin yhtälöihin (0) y''() t + a() t y'() t + b() t y() t = 0. Lineaarisuudesta seuraa, että jos y1(), t y() t ovat homogeenisen yhtälön ratkaisuja, niin niiden lineaariset kombinaatiot (1) yt () = cy 1 1() t + cy () t ovat myös. Funktiot y1(), t y() t ovat lineaarisesti riippumattomia tarkasteluvälillä I, jos niiden suhde ei ole välillä I identtisesti vakio. Voidaan osoittaa, että jos y1(), t y() t ovat homogeenisen yhtälön kaksi lineaarisesti riippumatonta ratkaisua, niin yhtälön kaikki ratkaisut saadaan niiden lineaarisista kombinaatioista joillakin vakioiden c 1, c arvoilla. Silloin sanotaan, että () yt () = cy 1 1() t + cy (), t c1, c on homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu.

8 6) Toisen kertaluvun lineaarinen homogeeninen vakiokertoiminen yhtälö: (3) y''( t) + ay'( t) + by( t) = 0 Koska eksponenttifunktio on ainoa funktio, joka derivoitaessa antaa takaisin saman funktion vakiolla kerrottuna, voidaan ratkaisua hakea rt sijoittamalla yt ( ) = e. Jakamalla sijoituksen jälkeen nollasta rt poikkeavalla lausekkeella e saadaan, että yhtälö toteutuu, jos r on karakteristisen yhtälön (4) r + ar+ b= 0 juuri. Tilanne jakaantuu juurten ominaisuuksien mukaan kolmeen tapaukseen (ei todistetta tässä tarkemmin, koska seuraa myöhemmästä differentiaaliyhtälöryhmien teoriasta): Olkoot karakteristisen yhtälön r + ar+ b= 0 juuret λ ja μ. Silloin yllä olevan differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu on 1. yt () t t ce 1 ce μ. yt () λt λt ce 1 cte 3. αt 1 β = +, jos juuret ovat reaalisia ja λ μ = +, jos λ=μ yt () = ce sin( αt t) + ce cos( βt), jos λ=α+iβ, μ=α-iβ, β 0. Esim. 6 Hae differentiaaliyhtälön y''- y'- y = 0 yleinen ratkaisu Karakteristinen yhtälö r r = 0, juuret ja -1. Siis tapaus 1. Yleinen t t ratkaisu yt () = ce + ce. 1 Esim. 7 Ratkaise alkuarvoprobleema y '' + y' + 5y = 0, y( π) = e π, y '( π) = 3e π Karakteristinen yhtälö r + r+ 5= 0, juuret kompleksiset: -1+i ja -1-i. Siis tapaus 3. Yleinen ratkaisu

9 t yt () = ce sint+ ce cost. t 1 π π π Alkuehdot: y( π ) = e ce = e c = 1; t t t t y'( t) = ce sin t+ ce cost e cost e sin t, 1 1 π π π π y'( π ) = 3e ce 1 e = 3e c1 =. Siis alkuarvoprobleeman ratkaisu on t t y() t = e sint+ e cost. Tapauksessa 3 ratkaisu on usein hyödyllistä esittää yhtenä sinilausekkeena (tai kosini-). Siihen päästään käyttämällä ns. harmonisia identiteettejä acosωt+ bsinωt= Asin( ωt+ φ) b a missä A = a + b ja cos φ =, sinφ =, sekä A A acosωt+ bsinωt= Acos( ωt δ), a b missä A = a + b ja cos δ =, sinδ =. A A

10 Esim. 8 Edellisen esimerkin ratkaisufunktiolle saadaan muoto ( ) t (cos sin ) t yt = e t+ t = e 1+ 4 cos( t δ ) = 5e t cos( t δ ), missä 1 π cos δ =, sinδ =, joten 0 < δ < eli δ = arctan 1.107. 5 5 7) Toisen kertaluvun lineaarinen epähomogeeninen vakiokertoiminen yhtälö: (5) y''( t) + ay'( t) + by( t) = f( t) Lineaarisuudesta seuraa, että jos y h on homogeenisen yhtälön (3) yleinen ratkaisu ja y p epähomogeenisen yhtälön (5) jokin yksityisratkaisu, niin (6) yt () = cy 1 1() t + cy () t + yp(t) = yh(t)+ yp(t), c1, c on epähomogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu. Kohdan 6 nojalla riittää siis etsiä jokin epähomogeenisen yhtälön (5) yksityisratkaisu. Tämä on usein pääteltävissä oikean puolen funktion f ( t ) tyypistä. Seuraavassa on lueteltu, minkä tyyppisiä yritteitä kannattaa tavallisimmissa tapauksissa koettaa. Ajatuksena on, että yrite sijoitetaan yhtälöön ja määritetään siinä olevat parametrit tai tuntemattomat funktiot. 7.1 Olkoon f ( t ) astetta n oleva polynomi. Jos b 0, niin yrite on samanasteinen polynomi, jos b= 0, a 0 yrite on ( n + 1) -asteinen polynomi. 7. Jos f ( t) = p( t) e at, niin yrite on muotoa yt ( ) = ute ( ) at. at at 7.3 Jos f ( t) = ce, missä c on vakio, niin yt ( ) = Ke, mikäli a ei ole j at karakteristisen yhtälön (4) juuri, ja muuten yt () = Kte ( j= 1,) sen mukaan, onko a karakteristisen yhtälön yksin- vai kaksinkertainen juuri. 7.4 Olkoon f ( t) = pcosωt+ qsinωt. Jos ± iω eivät ole karakteristisen yhtälön juuria, niin yritteeksi käy yt ( ) = Acosωt+ Bsinωt, muuten yt () = Atcosωt+ Btsinωt.

11