4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Samankaltaiset tiedostot
MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

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

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

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

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

. Mitä olisivat y 1 ja y 2, jos tahdottaisiin y 1 (0) = 2 ja y 2 (0) = 0? x (1) = 0,x (2) = 1,x (3) = 0. Ratkaise DY-ryhmä y = Ay.

2. Tavallisen differentiaaliyhtälön yleisiä ratkaisumenetelmiä. y = 2xy, Piirrä muutama yleisen ratkaisun kuvaaja. Minkä nimisistä käyristä on kyse?

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

3. Laske osittaisintegroinnin avulla seuraavat integraalit

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

12. Differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

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

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 )).

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

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).

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Insinöörimatematiikka D

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

dt 2. Nämä voimat siis kumoavat toisensa, jolloin saadaan differentiaaliyhtälö

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

Insinöörimatematiikka D

1 Di erentiaaliyhtälöt

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 =

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Seuraavaksi tarkastellaan ensimmäisen kertaluvun lineaarista, vakiokertoimista differentiaaliyhtälösysteemiä

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

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.

9. Epäoleelliset integraalit; integraalin derivointi parametrin suhteen. (x + y)e x y dxdy. e (ax+by)2 da. xy 2 r 4 da; r = x 2 + y 2. b) A.

Kompleksiluvut Kompleksitaso

Insinöörimatematiikka D

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Tutki, onko seuraavilla kahden reaalimuuttujan reaaliarvoisilla funktioilla raja-arvoa origossa: x 2 + y 2, d) y 2. x + y, c) x 3

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

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

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

Matemaattinen Analyysi

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

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

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

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

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

Fysiikan matematiikka P

1. a) b) Nollakohdat: 20 = c) a b a b = + ( a b)( a + b) Derivaatan kuvaajan numero. 1 f x x x g x x x x. 3. a)

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

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

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

Numeeriset menetelmät

13. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Seuraavaksi tarkastellaan ensimmäisen kertaluvun lineaarista, vakiokertoimista differentiaaliyhtälösysteemiä

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

Värähtelevä jousisysteemi

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

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

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

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

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

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

Matemaattinen Analyysi

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Transkriptio:

4 Differentiaaliyhtälöryhmät 41 Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön 176 Ratkaise differentiaaliyhtälöryhmät a) dt = y +t, b) = y z + sinx x 2 dt = x +t, c) + z = x2 = y + z + cosx + 2y = x a)x = C 1 e t +C 2 e t t 1, y = C 1 e t C 2 e t t 1; b) y = e x (C 1 sinx +C 2 cosx) 1 5 sinx 2 5 cosx, z = ex ( C 1 cosx +C 2 sinx)+ 2 5 sinx 1 5 cosx; c) y = C 1 x +C 2 /x 2 + 1 3 xln x, z =(2 3 C 1)x 2 + 2C 2 /x 1 3 x2 ln x 177 Etsi yleinen ratkaisu differentiaaliyhtälöryhmälle { x = x + y, y = x y + e t x = C 1 e 2t +C 2 e 2t e t, y = C 1 ( 2 1)e 2t C 2 ( 2 + 1)e 2t 178 Ratkaise alkuarvoprobleemat { y = 7y z a) z = y + 7z, y(0)=1, z(0)=2, { 3y 5y + z + 5z = 0 b) y, y(0)=1, z(0)=0 y + 2z = 0 a)y = 1 2 e2x + 3 2 e6x, z = 1 2 e2x + 3 2 e6x ; b) y = e x cos2x, z = e x sin2x 179 Olkoot x ja y muuttujan t funktioita Ratkaise alkuarvoprobleema { x = y +t 2 y = x t 3, x(0)=y(0)=0 x = 2e t + 2e t +t 3 + 4t, y = 2e t 2e t + 2t 2 + 4 180 Ratkaise differentiaaliyhtälösysteemi { x = y +t, y = x +t, m-treeni versio 201, 15052001; TKK, matematiikan laitos

kun alkuehtona on x(1)=y(1)=2(e 1) Piirrä ratkaisukäyrät x = y = 2e t t 1 181 Ratkaise kaikilla arvoilla a R yhtälöryhmät a) dt = ay + 1, b) dt = 2y + ax dt + a2 y = cosat dt + a2 x = sinat a) Jos a 0, niin x = C 1 e (1+ 1+a 2 )t +C 2 e 1+a (1 2 )t + 2/a 2, y = C 1 (1 + 1 + a 2 )/ae (1+ 1+a 2 )t +C 2 (1 1+a 1 + a 2 )/ae (1 2 )t 1/a; jos a = 0, niin x = t +C 1, y = C 2 e 2t ; b) jos a 0, niin x = C 1 e a2t + C 2 e a2t +(a + 1)/(a(a 2 + 1)) sinat, y = C 1 e a2t + C 2 e a2t +(a 1)/(a(a 2 + 1)) cosat; jos a = 0, niin x = t +C 1, y = C 2 182 Etsi differentiaaliyhtälöryhmän x +y = y +z = z +x = 0 yleinen ratkaisu sekä alkuehdon x(0)=y(0)=z(0)=1 toteuttava yksityisratkaisu 183 Olkoot x(t), y(t), z(t) ja u(t) tuntemattomia funktioita Etsi differentiaaliyhtälöryhmän x = y y = z z = u u = x yleinen ratkaisu x = C 1 e t +C 2 e t +C 3 sint +C 4 cost, y = C 1 e t C 2 e t +C 3 cost C 4 sint, z = C 1 e t +C 2 e t C 3 sint C 4 cost, u = C 1 e t C 2 e t C 3 cost +C 4 sint 184 Olkoot x(t), y(t) ja z(t) tuntemattomat funktiot Ratkaise differentiaaliyhtälöryhmä x = y z y = z 2x z = 2x y alkuehdolla x(0)=1, y(0)=2, z(0)=3 185 Ratkaise: x = x = u = du z y = x +C 1, z = C 2 sinln x +C 3 cosln x, u = C 2 cosln x C 3 sinln x m-treeni versio 201, 15052001; TKK, matematiikan laitos

186 Olkoot x(t) ja y(t) tuntemattomat funktiot Etsi yleinen ratkaisu differentiaaliyhtälöryhmälle { x 3x 4y + 3 = 0 y + x + y + 5 = 0 x = e t (C 1 +C 2 t)+e t (C 3 +C 4 t) 23, y = 1 2 et (C 2 C 1 C 2 t) 1 2 e t (C 3 +C 4 +C 4 t)+18 187 Olkoot x(t) ja y(t) tuntemattomat funktiot, m R Etsi yleinen ratkaisu differentiaaliyhtälöryhmälle { x + 2m 2 y = 0 y 2m 2 x = 0 Jos m 0, niin x = e mt (C 1 sinmt +C 2 cosmt)+e mt (C 3 sinmt +C 4 cosmt), y = e mt ( C 1 cosmt +C 2 sinmt)+e mt (C 3 cosmt C 4 sinmt); jos m = 0, niin x = C 1 +C 2 t, y = C 3 +C 4 t 188 Palauta Jacobi n differentiaaliyhtälö d Alembertin systeemiksi = (a 2x + b 2 y + c 2 ) y(a 3 x + b 3 y + c 3 ) (a 1 x + b 1 y + c 1 ) x(a 3 x + b 3 y + c 3 ) asettamalla k dt = a k x 1 + b k x 2 + c k x 3, k = 1, 2, 3, x(t)= x 1(t) x 3 (t), y(t)= x 2(t) x 3 (t) Lausu x, y ja muuttujan t avulla ja totea, että d Alembertin systeemin ratkaisut toteuttavat tämän 42 Autonomiset ryhmät 189 Ratkaise autonomiset normaaliryhmät a) + 3y + z = 0, b) = 3z y y + z = 0 = z + y Ovatko ratkaisujen kuvaajat faasitasossa rajoitettuja? a)y = e 2x (C 1 +C 2 x), z = e 2x ( C 1 C 2 C 2 x); b) y = C 1 e 2x + 3C 2 e 2x, z = C 1 e 2x C 2 e 2x m-treeni versio 201, 15052001; TKK, matematiikan laitos

190 Ratkaise differentiaaliyhtälöryhmä du = v + w + 1 dv = w + u + 2 dw = u + v + 3 u = C 1 e 2x +C 2 e x 2, v = C 1 e 2x +C 3 e x 1, w = C 1 e 2x (C 2 +C 3 )e x 191 Olkoot x ja y muuttujan t funktioita, joille pätee { x = y y = 2x Millaisia ovat ratkaisukäyrät faasitasossa? Johda näiden yhtälöt 192 Johda välttämätön ja riittävä ehto sille, että differentiaaliyhtälöryhmän { x = ax + by, y = cx + ratkaisussa esiintyy trigonometrisia funktioita Totea, että ehto bc < 0 on kylläkin välttämätön, mutta ei riittävä (a d) 2 + 4bc < 0; jos a = 2, b = 1, c = 1, d = 0, nähdään, että ehto bc < 0 ei ole riittävä 193 Heiluri, joka muodostuu painottoman varren (pituus L) päässä olevasta massasta m, saatetaan heilahtelemaan pystysuorassa tasossa Heilahduskulma olkoon ϑ Muodosta Newtonin lakien mukainen liikeyhtälö, johda vastaava normaaliryhmä ja totea se autonomiseksi Muodosta normaaliryhmästä faasitasokäyrien differentiaaliyhtälö ja ratkaise se Piirrä ratkaisukäyrien kuvaajia ϑ +(g/l)sinϑ = 0; y 1 = y 2, y 2 = (g/l)siny 1; 1 = Ly 2 ; y 2 2 2 gsiny = 2(g/L)cosy 1 + 2C 1 43 Lineaarisen vakiokertoimisen ryhmän matriisimuoto 194 Kirjoita differentiaaliyhtälöryhmä (muuttujana t) x = y z, y = z 2x, z = 2x y matriisimuotoon ja ratkaise se diagonalisoimalla matriisi m-treeni versio 201, 15052001; TKK, matematiikan laitos

x = C 1 +C 2 ( 1 + i 5)e i 5t C 3 (1 + i 5)e i 5t, y = 2C 1 C 2 (2 + i 5)e i 5t +C 3 ( 2 + i 5)e i 5t, z = 2C 1 + 3C 2 e i 5t + 3C 3 e i 5t 195 Ratkaise ominaisarvoteoriaa käyttäen differentiaaliyhtälöryhmä = 3z y = z + y 196 Ratkaise ominaisarvoteoriaa käyttäen x = y y = z z = u u = x x = C 1 e t +C 2 e t +C 3 sint +C 4 cost, y = C 1 e t C 2 e t +C 3 cost C 4 sint, z = C 1 e t +C 2 e t C 3 sint C 4 cost, u = C 1 e t C 2 e t C 3 cost +C 4 sint 197 Etsi differentiaaliyhtälöryhmän x x y + 2z = 0 y 2x + 2z = 0 z + 2x 2y z = 0 yleinen ratkaisu sekä alkuehdon x(0)=y(0)=z(0)=1toteuttava yksityisratkaisu ominaisarvoteoriaa käyttäen x = C 1 e t + 2C 2 e t +C 3 e 2t, y = 2C 2 e t +C 3 e 2t, z = C 1 e t +C 2 e t ; x = 2e t e 2t, y = 2e t e 2t, z = e t m-treeni versio 201, 15052001; TKK, matematiikan laitos