Differentiaaliyhtälöryhmä

Samankaltaiset tiedostot
Differentiaaliyhtälöryhmän numeerinen ratkaiseminen

Ensimmäisen kertaluvun yhtälön numeerinen ratkaiseminen

Käyräparven kohtisuorat leikkaajat

Van der Polin yhtälö

Numeeriset menetelmät

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

Laskuvarjohyppy. painovoima, missä on maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys, sekä ilmanvastus, jota arvioidaan yhtälöllä

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Luento 2: Liikkeen kuvausta

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Harjoitus 7 -- Ratkaisut

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Insinöörimatematiikka D

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Matemaattinen Analyysi

Tykillä ampuminen 2. missä b on ilmanvastuskerroin, v skalaarinen nopeus, nopeus vektorina ja nopeuden suuntainen yksikkövektori.

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

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

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

plot(f(x), x=-5..5, y= )

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

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

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

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

Numeerinen integrointi ja derivointi

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

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 11. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 11 () Numeeriset menetelmät / 37

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

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

Insinöörimatematiikka D

Harjoitus 4: Differentiaaliyhtälöt (Matlab) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

12. Differentiaaliyhtälöt

Matemaattiset ohjelmistot MS-E Yleisiä differentiaaliyhtälökäsitteitä. 2 Analyyttinen ratkaiseminen, komento dsolve

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

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

Numeeriset menetelmät

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

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

Peto- ja saaliskanta

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Matemaattinen Analyysi

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

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

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

Kanta ja Kannan-vaihto

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

Luento 2: Viivan toteutus

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

ELEKTRONISET JÄRJESTELMÄT, LABORAATIO 1: Oskilloskoopin käyttö vaihtojännitteiden mittaamisessa ja Theveninin lähteen määritys yleismittarilla

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Numeerinen analyysi Harjoitus 1 / Kevät 2017

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Kevään 2011 pitkän matematiikan ylioppilastehtävien ratkaisut Mathematicalla Simo K. Kivelä /

Matematiikan tukikurssi

Peruskäsitteet 1. Mitkä ovat seuraavien funktiota y = y(x) koskevien differentiaaliyhtälöiden kertaluvut? Ovatko yhtälöt normaalimuotoisia?

Laskuharjoitus 2A ( ) Aihepiiri: Raja-arvot etc. Adams & Essex, 8th Edition, Chapter 12. z = f(x, 0) = x2 a z = f(0, y) = 02 a 2 + y2

f[x i ] = f i, f[x i,..., x j ] = f[x i+1,..., x j ] f[x i,..., x j 1 ] x j x i T n+1 (x) = 2xT n (x) T n 1 (x), T 0 (x) = 1, T 1 (x) = x.

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Yhtälön ratkaiseminen

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

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

Insinöörimatematiikka D

Transkriptio:

Differentiaaliyhtälöryhmä Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöryhmä vaikkapa korkeamman kertaluvun yhtälöä vastaava normaaliryhmä voidaan ratkaista numeerisesti täsmälleen samanlaisilla kaavoilla kuin ensimmäisen kertaluvun yhtälö y' = f(x, y). Edellytyksenä luonnollisesti on, että alkuehto on annettu. Seuraavat koodit ovat täsmälleen samat kuin ensimmäisen kertaluvun yhtälöä koskevassa esimerkissä. (Solut on ajettava, jotta määritelmät tulevat voimaan.) > restart; > eulernum:=proc(f, x0, y0, h, xend) local kend, x, y, i; kend:= round((xend-x0)/h); x[0]:= x0; y[0]:= y0; for i from 1 to kend do y[i]:= y[i-1]+h*f(x[i-1], y[i-1]); return [seq([x[k], y[k]], k=0..kend)]; end: > pareuler:= proc(f, x0, y0, h, xend) local kend, x, y, i; kend:= round((xend-x0)/h); x[0]:= x0; y[0]:= y0; for i from 1 to kend do y[i]:= y[i-1]+ h/2*(f(x[i-1],y[i-1])+ f(x[i],y[i-1]+h*f(x[i-1], y[i-1]))); return [seq([x[k], y[k]], k=0..kend)]; end: > rungekutta:= proc(f, x0, y0, h, xend) local kend, x, y, i, k1, k2, k3, k4; kend:= round((xend-x0)/h); x[0]:= x0; y[0]:= y0; for i from 1 to kend do k1:= h*f(x[i-1], y[i-1]); k2:= h*f(x[i-1]+h/2, y[i-1]+k1/2); k3:= h*f(x[i-1]+h/2, y[i-1]+k2/2); k4:= h*f(x[i-1]+h, y[i-1]+k3);

y[i]:= y[i-1]+1/6*(k1+2*k2+2*k3+k4); return [seq([x[k], y[k]], k=0..kend)]; end: > adamsbashforth:= proc(f, x0, y0, h, xend) local kend, x, y, i, k1, k2, k3, k4; kend:= round((xend-x0)/h); x[0]:= x0; y[0]:= y0; for i from 1 to 3 do k1:= h*f(x[i-1], y[i-1]); k2:= h*f(x[i-1]+h/2, y[i-1]+k1/2); k3:= h*f(x[i-1]+h/2, y[i-1]+k2/2); k4:= h*f(x[i-1]+h, y[i-1]+k3); y[i]:= y[i-1]+1/6*(k1+2*k2+2*k3+k4); for i from 4 to kend do y[i]:= y[i-1]+h/24*( 55*f(x[i-1], y[i-1])- 59*f(x[i-2], y[i-2])+ 37*f(x[i-3], y[i-3])- 9*f(x[i-4], y[i-4])) return [seq([x[k], y[k]], k=0..kend)]; end: Esimerkkinä olkoon differentiaaliyhtälö x'' + xy = 0 alkuehtona y(0) = 0, y'(0) = 1. Kyseessä on Airyn yhtälö, jossa x-akselin suunta on käännetty, ts. x:n merkki on vaihdettu. Yhtälöä vastaava normaaliryhmä muodostuu kahdesta yhtälöstä y' = z, z' = -xy alkuehtona y(0) = 0, z(0) = 1. Vektorimuodossa normaaliryhmä on Y' = F(x, Y); oikean puolen vektoriarvoinen funktio määritellään Maplelle seuraavasti: > f:= unapply([y[2], -x*y[1]], x, Y); f := ( x, Y ) [ Y 2, xy 1 ] Askelpituus ja arvo, jolla alkuehto annetaan: > h:= 0.1; > x0:= 0; h := 0.1 x0 := 0 Tuntemattomana funktiona on vektori Y = (y, z), joten alkuarvo on myös vektori:

> y0:= [0,1]; y0 := [ 01, ] Lasketaan välillä [0, 10]: > xend:= 10; xend := 10 Ratkaisufunktion approksimaatio jokaisessa pisteessä x k saadaan kaksikomponenttisena vektorina. Edellinen komponentti on itse funktion y arvo, jälkimmäinen sen derivaatan z = y' arvo: > eulerdata:= eulernum(f, x0, y0, h, xend): Muuttujaan eulerdata talletettu tulostus on huomattavan pitkä. Tästä voidaan poimia vain argumentin x ja funktion y arvot indeksoimalla, minkä jälkeen voidaan piirtää kuva: > poiminta:= [seq([eulerdata[k][1], eulerdata[k][2][1]], k=1..xend/h+1)]: > eulerkuva:= plot(poiminta, style=point): eulerkuva; Vastaavat laskut muita menetelmiä käyttäen:

> pareulerdata:= pareuler(f, x0, y0, h, xend): > poiminta:= [seq([pareulerdata[k][1], pareulerdata[k][2][1]], k=1..xend/h+1)]: > pareulerkuva:= plot(poiminta, style=point): pareulerkuva; > rungekuttadata:= rungekutta(f, x0, y0, h, xend): > poiminta:=[seq([rungekuttadata[k][1], rungekuttadata[k][2][1]], k=1..xend/h+1)]: > rungekuttakuva:= plot(poiminta, style=point): rungekuttakuva;

> adamsbashforthdata:= adamsbashforth(f, x0, y0, h, xend): > poiminta:= [seq([adamsbashforthdata[k][1], adamsbashforthdata[k][2][1]], k=1..xend/h+1)]: > adamsbashforthkuva:= plot(poiminta, style=point): adamsbashforthkuva;

Esimerkkinä oleva alkuarvoprobleema voidaan ratkaista myös tarkasti Airyn funktioiden avulla. > dyht:= diff(y(x), x, x)+x*y(x)=0 ; dyht := d 2 y( x) + x y( x ) = 0 dx 2 > tarkkaratkaisu:= dsolve({dyht, y(0)=0, D(y)(0)=1}, y(x)); 1 π 3 ( 5 / 6 ) AiryAi( x ) 1 π 3 ( 1 / 3 ) AiryBi( x ) tarkkaratkaisu := y( x ) = 3 Γ 2 3 3 Γ 2 3 > tarkkakuva:= plot(rhs(tarkkaratkaisu), x=0..xend): tarkkakuva;

Eri menetelmillä saadut approksimaatiot ja tarkka ratkaisu verrattuina: > with(plots): Warning, the name changecoords has been redefined > display(eulerkuva, pareulerkuva, rungekuttakuva, adamsbashforthkuva, tarkkakuva);

Tarkan ratkaisun tarkkuus riippuu luonnollisesti siitä, miten Maple laskee ratkaisussa esiintyvien Airyn funktioiden ja gammafunktion arvot. Vertailun vuoksi alkuarvoprobleema voidaan ratkaista myös Maplen käyttämällä numeerisen ratkaisemisen algoritmilla, joka edellä esitettyjä menetelmiä kehittyneempi: > numeerinenratkaisu:= dsolve({dyht, y(0)=0, D(y)(0)=1}, y(x)); 1 π 3 ( 5/ 6 ) AiryAi( x ) 1 π 3 ( 1 / 3 ) AiryBi( x ) numeerinenratkaisu := y( x ) = 3 Γ 2 3 3 Γ 2 3 Tulos on ratkaisua approksimoiva proseduuri, jonka arvo välin päätepisteessä voidaan laskea tavalliseen tapaan. Eri ratkaisujen antamat arvot loppupisteessä : > eulerdata[-1][2][1], pareulerdata[-1][2][1], rungekuttadata[-1][2][1], adamsbashforthdata[-1][2][1], evalf(subs(x=xend, rhs(tarkkaratkaisu))), subs(numeerinenratkaisu(xend), y(x)); > 7.325357344, 0.3173048438, 0.4290569759, 0.4331992818, 0.4287192530, y( x )

Linkit korkeamman kertaluvun yhtälön numeerinen ratkaiseminen Eulerin menetelmä parannettu Eulerin menetelmä Rungen Kuttan menetelmä Adamsin Bashforthin menetelmä normaaliryhmä SKK & MS 31.05.2001