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

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

f (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

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

Insinöörimatematiikka D

y + 4y = 0 (1) λ = 0

SARJAT JA 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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

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,

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

12. Differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Dierentiaaliyhtälöistä

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Insinöörimatematiikka D

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Numeeriset menetelmät

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

Insinöörimatematiikka D

Matemaattinen Analyysi

Differentiaaliyhtälöt

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Insinöörimatematiikka D

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

Matemaattinen Analyysi

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

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

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Dierentiaaliyhtälöistä

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

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Matemaattinen Analyysi

Luento 2: Liikkeen kuvausta

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

1 Komparatiivinen statiikka ja implisiittifunktiolause

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

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Kvanttifysiikan perusteet 2017

= ( 1) 2 u tt (x, t) = u tt (x, t)

Sallitut apuvälineet: kirjoitusvälineet, laskin sekä käsinkirjoitettu, A4-kokoinen lunttilappu ja MAOL taulukkokirjaa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

Insinöörimatematiikka D

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

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

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

ja λ 2 = 2x 1r 0 x 2 + 2x 1r 0 x 2

Yleisiä integroimissääntöjä

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

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Matematiikan tukikurssi

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

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

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

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

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

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

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

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

Matematiikan peruskurssi 2

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

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

Transkriptio:

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Differentiaaliyhtälöt, kesä 00 Tehtävät 3-8 / Ratkaisuehdotuksia (RT).6.00 3. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: y = + y + y = + y + ( y ) (y ) g, 0. Nähdään, että DY on tasa-asteinen (ks. määritelmä [J], s.). Merkitään z() = y(). Nyt z toteuttaa separoituvan yhtälön z = (g(z) z) = ( + z + z z) z = ( + z ), josta separoimalla z dt + t = dt + C, C R vakio arctan z = ln + C. t Näin ollen tehtävän DY:lle saadaan (implisiittinen) ratkaisu takaisinsijoituksella z() = y(), jolloin saadaan implisiittinen ratkaisu arctan ( y() ) = ln + C, 0, C R vakio ja tästä edelleen eksplisiittisessä muodossa y() = tan(ln + C), 0, C R vakio.. Ratkaisu. Ratkaistaan tehtävä (harjoituksen vuoksi) ensin palauttamalla se separoituvaksi ja vasta sen jälkeen (helpommin?) eksaktina yhtälönä. I tapa: Kirjoitetaan tehtävän DY muodossa y = y, + y. Tällöin DY on muotoa +y y = f ( a + by + α), c + dy + β missä a = b =, c = d =, α = β =. Nyt ad bc = ( ) = + = 0 ja b = 0, joten yhtälön ratkaisemiseksi voidaan käyttää seuraavaa menetelmää (ks. [M-S] Lause.8., s.8 tai [J] esim..3.., s.): Vakiolle γ = d b = = pätee γ(a + by) = ( y) = + y = c + dy. Valitaan uusi tuntematon funktio z() = a+by() = y() y() = z() ( y () = z () ), jolloin ratkaistava yhtälö saadaan muotoon z () = z() z() = z() + z() z ()+ = z() z() + z () = z() z() +. Tämä yhtälö on separoituva, ratkaistaan se: Nyt z = z = z+ g()h(z), kun g() =, R, ja h(z) =, z. Separoimalla z+ z (t + ) dt = ds + C / z t + t = / s + C z+ =

z + z = + C z + z = + C. Sijoitetaan takaisin z = y, saadaan ( y) + ( y) = + C ( + y) + ( y) = C, jossa C R on vakio. Tämä on ratkaistavan yhtälön implisiittinen ratkaisu. Sijoitetaan alkuehto y(0) = 0, saadaan C = 0, joten AAT:n ratkaisu on ( + y) + ( y) = 0. II tapa: Merkitään P (, y) = +y+ ja Q(, y) = +y ( 0 eli y ), jolloin tehtävän DY on muotoa P (, y) + Q(, y)y = 0 (P ja Q selvästi jatkuvasti derivoituvia funktioita koko tasossa R ). Koska kaikilla (, y) R P (, y) = = (, y), niin tehtävän DY on eksakti ([J] Lause.5.8., s.9). Koska lisäksi funktiolle pätee u(, y) = + + y + y y (, y) = P (, y) ja (, y) = Q(, y) kaikilla (, y) R, niin DY:n kaikki ratkaisut saadaan ([J], s.7-8) ratkaisemalla y yhtälöstä u(, y) = C. Tässä siis DY:n ratkaisevat kaikki funktiot y, joille pätee + + y + y y = C, missä C R on jokin vakio. (Huomaa, että eksplisiittinen ratkaisu ei ole vielä tässä välttämätön.) Sijoittamalla alkuarvo y(0) = 0 implisiittiseen ratkaisuun saadaan C = 0 ja siten AAT:n ratkaisuksi funktiot y, joille + + y + y y = 0 y + ( )y + + = 0. Lasketaan vielä eksplisiittinen ratkaisu:. asteen yhtälön ratkaisukaavalla y = ( ) ± ( ) ( + ) = ( ) ±, = ( ) ± 8 + 8) josta y = + TAI y = (alueessa 0 eli ). Alkuarvo y(0) = 0 määrää ratkaisufunktioksi näistä jälkimmäisen ja muistamalla ehto y saadaan ratkaisufunktioksi y() =, >.

5. Ratkaisu. a. Koska kaikilla (, y) R P (, y) = 0 = (, y), kun P (, y) = + 3 ja Q(, y) = y, niin tehtävän DY on eksakti koko tasossa R. Edelleen huomataan (siis päätellään/lasketaan ), että kaikilla (, y) R funktiolle u(, y) = + 3 + y y pätee (, y) = P (, y) ja (, y) = Q(, y). Siispä ratkaisufunktiot y saadaan yhtälöstä (joka on samalla DY:n implisiittinen ratkaisu) + 3 + y y = C, jossa C R on jokin vakio. b. Koska P (, y) = = (, y) kaikilla (, y) R, kun P (, y) = + y ja Q(, y) = y, niin tehtävän DY ei ole eksakti. c. Tässä P (, y) = e cos y + 3 ja (, y) = 3 + sin y e. Yhtäsuuruus e cos y + 3 = 3 + sin y e toteutuu kuitenkin vain käyrällä e (sin y cos y) = 6 (piirrä kuvaaja laskimella/tietokoneella!), ei siis missään tason R alueessa, joten yhtälö ei ole eksakti. d. Tehtävän DY on hyvin määritelty, kun > 0 ja ln 0 eli e. Lisäksi se on eksakti alueissa D = {(, y) : 0 < < e } ja D = {(, y) : > e } sillä tällöin P (, y) = = (, y), kun P (, y) = y + 6 ja Q(, y) = ln. Lisäksi P (, y) = (, y) ja Q(, y) = (, y), kun u(, y) = y ln + 3 y, joten ratkaisufunktiot y toteuttavat yhtälön y ln +3 y = C, jossa C on vakio. Eksplisiittiseksi ratkaisuksi sekä alueessa D, että alueessa D, saadaan y() = C 3 ln. 6. Ratkaisu. Merkitään P (, y) = y ja Q(, y) = y. Koska kaikilla (, y) R pätee P (, y) = = (, y), niin tehtävän DY on eksakti koko tasossa R. DY:n ratkaisufunktiot y saadaan selville yhtälöstä 3 3 + 3 y3 + y = C (C R vakio), sillä kaikilla (, y) R pätee ( 3 3 + 3 y3 + y) = P (, y) ja ( 3 3 + 3 y3 + y) = Q(, y). Implisiittisessä muodossa DY:n ratkaisu on siis 3 3 + 3 y()3 + y() = C, jossa C R on vakio. Funktio u löydetään suoraan integroimalla (ks. [J], s.9-0) tai yhtäpitävästi ehdoista (, y) = Q(, y) ja (, y) = P (, y) päättelemällä. Funktio u löydetään myös integroimalla: Alueessa D (val. ˆ = ) saadaan u(, y) = P (t, y) dt + y Q(, s) ds ja vastaavasti alueessa D (val. ˆ = e 3 ) u(, y) = P (t, y) dt + e 3 y Q(e 3, s) ds. Molemmissa tapauksissa laskut antavat u(, y) = y ln + 3 y+vakio.

Implisiittifunktiolauseen (ks. [J], s.8 tai [M-S] Lause 5., s.50) nojalla vastaavalle AAT:lle alkuehdolla y( 0 ) = y 0 löytyy ratkaisu ainakin niissä pisteissä ( 0, y 0 ), joissa ( 0, y 0 ) 0. Siten tässä tehtävässä ratkaisu löytyy mikäli ( 0, y 0 ) = Q( 0, y 0 ) = y0 0 0 y0 0 eli kun y 0 0 tai y 0 0. Jos Q( 0, y 0 ) = 0, niin ratkaisu löytyy, jos tällöin myös P ( 0, y 0 ) = 0. Olkoon siis 0, y 0 R siten, että y 0 = 0. Nyt P ( 0, y 0 ) = 0 y 0 ol. = y 0 y 0 = 0 toteutuu, jos ja vain jos y 0 = 0 ( 0 = 0) tai y 0 = ( 0 = ). Siis myös pisteissä (0, 0) ja (, ) AAT:llä on ratkaisu. 7. Ratkaisu. Tehtävän DY on eksakti alueessa R, sillä ( + y ) = = ( + y ). Koska lisäksi ( + y + y y) = + y ja ( + y + y y) = + y, niin ratkaisufunktiot löytyvät ratkaisemalla y yhtälöstä + y +y y = C, kun C on joki reaalinen vakio. Kun eo. yhtälöön sijoitetaan = 0 ja y = 0, niin saadaan C = 0. Siispä DY:ä vastaavan AAT:n, kun y(0) = 0, ratkaisut löytyvät ratkaisemalla y yhtälöstä + y + y y = 0 ( y + y y + = 0).. asteen yhtälön ratkaisukaavalla ekspiliittiseksi ratkaisuksi saadaan y = ( ) ± ( ) ( ) = ( ) ± + = ± +. = ( ) ± 8 + + 6) Funktiot y = + + ja y = + ovat hyvin määriteltyjä, kun + 0 eli kun. Alkuehto määrittää ratkaisufunktioksi funktion y() = +,. (Tehtävän voi ratkaista myös separoituvaksi palautuvana yhtälönä.) 8. Ratkaisu. Tehtävänannon nojalla kysytty funktio f toteuttaa kaikilla > 0 ehdon 3 (Piirrä kuva!) 0 f(t) dt = 3 f(). Derivoimalla yhtälö puolittain saadaan DY (merkitään f() = y) y = 3 y + 3 y y y = 0. 3 TAI 0 f(t) dt = 3 f(). Ratkaisu etenee täsmälleen samaan tapaan ja sen ratkaisuksi tulee f() = C, josta voi valita C =.

Kirjoitetaan saatu DY ( > 0) separoituvassa muodossa: y = y (tarkalleen ottaen tämä on eri DY kuin alkuperäinen, mutta tässä tapauksessa ratkaisufunktiot välillä ]0, [ ovat samat). Separoimalla (, y > 0) y t dt = s ds + C ln y = ln + C y = C. Valitaan C = (mikä tahansa muu valinta olisi ollut yhtä hyvä!), joten esimerkiksi funktio f() = toteuttaa tehtävän ehdot. (Ratkaiseminen onnistuu useilla muillakin tavoilla, esimerkiksi ratkaisemalla integraalifunktio F, jolle saadaan separoituva DY F () = 3 F (), ja siitä edelleen haluttu funktio f() = F ().)