Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Samankaltaiset tiedostot
Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

y + 4y = 0 (1) λ = 0

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Insinöörimatematiikka D

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

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

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

. 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.

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

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

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Insinöörimatematiikka D

Dierentiaaliyhtälöistä

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

(a) Järjestellään yhtälöitä siten, että vasemmalle puolelle jää vain y i ja oikealle puolelle muut

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

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 )).

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 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

12. Differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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 =

Dierentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Matemaattinen Analyysi

Matemaattinen Analyysi

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

Differentiaaliyhtälöt

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-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Kanta ja Kannan-vaihto

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

1 Di erentiaaliyhtälöt

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

Insinöörimatematiikka D

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

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

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

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 2

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Esimerkki 4.4. Esimerkki jatkoa. Määrää matriisin ominaisarvot ja -vektorit. Ratk. Nyt

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

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.

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

Matemaattinen Analyysi

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

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Luento 2: Liikkeen kuvausta

7. DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

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

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

Differentiaaliyhtälöt

Matematiikka B2 - TUDI

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Luoki?elua: tavallinen vs osi?ais. Osa 11. Differen0aaliyhtälöt. Luoki?elua: kertaluku. Luoki?elua: lineaarisuus 4/13/13

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

Transkriptio:

Insinöörimatematiikka D, 406 6 laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut Ratkaistaan differentiaaliyhtälö y = y () Tässä = d dy eli kyseessä on lineaarinen kertaluvun differentiaaliyhtälö: Yhtälön () homogenisoidulle versiolle saadaan yksittäisratkaisu y H (y) = e y dy = e lny = y akion varioinnilla ratkaistaessa sijoitetaan(y) = H (y)c(y) yhtälöön (), jolloin saadaan C (y) H (y) = y ja edelleen Integroimalla saadaan C(y) = y C (y) = y H (y) = y y = y +B, joten ratkaisuksi saadaan (y) = H (y)c(y) = y( y +B) = (y3 +By) Ratkaistaan seuraavista differentiaaliyhtälöistä ne, jotka ovat eksakteja (a) Merkitään f(,y) = +e y +e y ja g(,y) = e + Tällöin differentiaaliyhtälö voidaan kirjoittaa muotoon jolle Siis f(,y) y f(,y) y +e y +e y +(e +)y = 0 () f(,y)+g(,y)y = 0, = e +e ja g(, y) = e +e = g(,y), joten (jos f ja g ovat riitävän säännöllisiä) yhtälö () on eksakti differentiaaliyhtälö Haetaan seuraavaksi yhtälölle f(,y)d+c 0 (y) = g(,y)d+c () (3) ratkaisut c 0 (y) ja c () Koska d(e ) d edelleen yhtälö (3) saadaan muotoon = e + e saadaan e d = e e ja +e y +c 0 (y) = y +e y +c (), josta voidaan valita c 0 (y) = y ja c () = (ilman integrointivakiota) alitaan F(,y) = +y +e y,

jolloin yhtälö () saadaan muotoon ja ratkaisuksi saadaan F(,y) Sieventämällä saadaan lopulta ratkaisuksi + F(,y) y = 0 d(f(,y)) = 0 y d F(,y) = +y +e y = C y = C e + (b) Merkitään f(,y) = y ja g(,y) = y 3y Tällöin differentiaaliyhtälö voidaan kirjoittaa muotoon jolle Siis f(,y) y 3 (a) Differentiaaliyhtälö saadaan muotoon f(,y) y y +( y 3y)y = 0 (4) f(,y)+g(,y)y = 0, = y ja g(, y) = y g(,y), joten yhtälö (4) ei ole eksakti differentiaaliyhtälö y = y +y + (5) y = y + ( y ) +, jonka sijoitus z = y (y = z +z) saattaa muotoon z +z = z +z + ja edelleen separoituvaksi differentiaaliyhtälöksi Ratkaistaan tämä: z z + = z = z + (6) z + dz = d arctan z = ln+c Siis saadaan yhtälön (6) ratkaisuksi ja edelleen yhtälön (5) ratkaisuksi z = tan( ln+c ) y = z = tan( ln+c ) Huomautus: Yleensä kiinnostuksen kohteena ovat ratkaisut, jotka pätevät arvoille 0 (vertaa alkuehdot; ratkaisut kuitenkin yleensä pätevät paljon laajemminkin)

Edeltävä ratkaisu on pätevä vain arvoille > 0 (johtuen logaritmista) ja tällöinkin jää vielä äärettömän monta epäjatkuvuuskohtaa Jos halutaan ratkaista funktio myös arvoille < 0, pitäisi käyttää integraalia d = ln Arvo = 0 olisi kuitenkin edelleen poissuljettu Tällöin saataisiin yhtälön (6) ratkaisuksi ja edelleen yhtälön (5) ratkaisuksi z = tan( ln +C ) y = z = tan( ln +C ) Ylimääräistä: Sijoittamalla aluksi y = y (y = y ) saadaan yhtälöstä (5) yhtälö y = y + [ (y joka sijoituksella z = y (y = z +z) saadaan muotoon ) + ], (7) Ratkaistaan tämä: z z + = z = z + (8) z + dz = d arctanz = ln +C Siis saadaan yhtälön (8) ratkaisuksi ja edelleen yhtälön (7) ratkaisuksi arctanz = ln +C arctan y = ln +C, joka polaarimuodossa (huomaa: avaruudessa (,y )) voidaan esittää muodossa tai (b) Differentiaaliyhtälö r cosθ = e θ C = e θ C eθ C r = θ C cosθ = e cosθ y = +y (9) saadaan sijoituksella z = + y (y = z ) saattaa muotoon z = z ja edelleen separoituvaksi differentiaaliyhtälöksi z = z (0) 3

Ratkaistaan tämä: z z = dz = z d z = +C Siis saadaan yhtälön (0) ratkaisuksi ja edelleen yhtälön (9) ratkaisuksi z = (+C) y = z = (+C) = +(C )+C 4 Ratkaistaan differentiaaliyhtälö y + y = ( +)y () Tämä on muodoltaan Bernoullin differentiaaliyhtälö, johon sovelletaan sijoitustaz = y = y (y = z z johtaen yhtälöön z z + z = + z ja edelleen saadaan kertaluvun lineaarinen differentiaaliyhtälö z z = + () Yhtälön () homogenisoidulle versiolle saadaan yksittäisratkaisu z z z H () = e d = e ln = akion varioinnilla ratkaistaessa sijoitetaan z() = z H ()C() yhtälöön (), jolloin saadaan C ()z H () = + ja edelleen C () = + = + Integroimalla saadaan C() = +B, joten ratkaisuksi yhtälölle () saadaan z() = z H ()C() = ( +B) = 3 +B ja edelleen yhtälölle () saadaan ratkaisuksi y() = z() = 3 +B 4

5 Ratkaistaan differentiaaliyhtälö y +3y 8y = 0 (3) Tämä on muodoltaan Eulerin differentiaaliyhtälö, johon sovelletaan sijoitusta t = ln ( = e t ) aihtoehto: Määritellään funktio y (t), jolle y (t) = y(e t ) Tämän avulla saadaan y = dy d = dy dt dt d = y = y ja käyttäen edellistä ja tulon derivointikaavaa y = dy d = d ( ) y d = dy ( ) dt d dt d +y d = y y = y y, joiden avulla yhtälöstä (3) saadaan yhtälö y +y 8y = 0 (4) Yhtälön (4) karakteristinen yhtälö on λ +λ 8 = 0 eli (λ+) = 9, jonka juuret ovat λ = +3 = ja λ = 3 = 4 Täten yhtälön (4) yleinen ratkaisu on ja edelleen yhtälön (3) yleinen ratkaisu on 6 Olkoon t aika (min) altaan koko (vakio=0 5 l), y (t) = C e t +C e 4t, y() = C +C 4 v io veden virtausnopeus (vakio=0 l/min), c i altaaseen tulevan veden epäpuhtauden konsentraatio (vakio = 8 g/l), c o (t) altaasta poistuvan veden epäpuhtauden konsentraatio (g/l), y(t) epäpuhtauden määrä altaassa (g) Tällöin y(0) = 0 ja c o (t) = y(t) Lisäksi saadaan differentiaaliyhtälö y (t) = c i v io c o (t)v io = c i y(t) v io (5) Neljä eri variaatioita yksittäisratkaisun löytämiseksi: 5

aihtoehto: Ratkaistaan separoituva differentiaaliyhtälö (5): y c i y(t) = v io c i y(t) dy = vio d ln(c i y(t)) = v iot +C c i y(t) = C e v io t Sovitetaan vielä alkuehto y(0) = 0: C = c i Siis saadaan yhtälön (5) yksittäisratkaisuksi ) y(t) = c i ( e v io t ja sijoitetaan lopuksi annetut vakiot: y(t) = 8 0 5( e t 0 4 ) Kun t, termi e t 0 4 0 eli y(t) 8 0 5 Eli altaassa olevan epäpuhtauden määrä lähestyy arvoa 8 0 5 grammaa, kun aika t aihtoehto: Ratkaistaan kertaluvun lineaarinen homogeeninen differentiaaliyhtälö (5) jonka yksittäisratkaisu on y (t)+ v io y(t) = c iv io y H () = e v io = e v io t akion variointi: sijoitetaany() = y H ()C() yhtälöön (5), jolloin saadaan yhtälöc ()y H () = c i v io ja edelleen C () = = = ci v io y H () d ci v io d e v io t c i v io e v io t d = c i e v io t +B Saadaan yleinen ratkaisu y() = y H ()C() = Be v io t +c i Sovitetaan vielä alkuehto y(0) = 0: B = c i Siis saadaan yhtälön (5) yksittäisratkaisuksi annetulla alkuehdolla ) y(t) = c i ( e v io t ja sijoitetaan lopuksi annetut vakiot: y(t) = 8 0 5( e t 0 4 ) Kun t, termi e t 0 4 0 eli y(t) 8 0 5 Eli altaassa olevan epäpuhtauden määrä lähestyy arvoa 8 0 5 grammaa, kun aika t aihtoehto3: Sijoitetaan z(t) = c i y(t) (y (t) = z (t), z(0) = c i ), jolloin saadaan separoituva differentiaaliyhtälö z (t) = v io z(t) (6) 6

Ratkaistaan tämä: z z = v io z dz = vio d lnz = v iot +C z(t) = C e v io t Sovitetaan vielä alkuehto z(0) = c i : c i = z(0) = C Siis saadaan yhtälön (7) yksittäisratkaisuksi annetulla alkuehdolla ja edelleen yhtälön (5) yksittäisratkaisuksi ja sijoitetaan lopuksi annetut vakiot: z(t) = c i e v io t y(t) = c i ) ( e v io t y(t) = 8 0 5( e t 0 4 ) Kun t, termi e t 0 4 0 eli y(t) 8 0 5 Eli altaassa olevan epäpuhtauden määrä lähestyy arvoa 8 0 5 grammaa, kun aika t aihtoehto4: Sijoitetaan z(t) = c i y(t) (y (t) = z (t), z(0) = c i ), jolloin saadaan kertaluvun lineaarinen homogeeninen differentiaaliyhtälö jonka yksittäisratkaisu on z (t)+ v io z(t) = 0, (7) z H () = e v io = e v io t akion variointi: sijoitetaanz() = z H ()C() yhtälöön (7), jolloin saadaan yhtälöc ()z H () = 0 ja edelleen C () = B ja lopuksi yleinen ratkaisu z() = z H ()C() = Be v io t Sovitetaan vielä alkuehto z(0) = c i : c i = z(0) = B Siis saadaan yhtälön (7) yksittäisratkaisuksi annetulla alkuehdolla ja edelleen yhtälön (5) yksittäisratkaisuksi ja sijoitetaan lopuksi annetut vakiot: z(t) = c i e v io t y(t) = c i ) ( e v io t y(t) = 8 0 5( e t 0 4 ) Kun t, termi e t 0 4 0 eli y(t) 8 0 5 Eli altaassa olevan epäpuhtauden määrä lähestyy arvoa 8 0 5 grammaa, kun aika t 7

7 Ratkaistaan differentiaaliyhtälöiden pari { = 5 6y y = 3 4y, (8) kun ja y ovat muuttujan t funktioita aihtoehto: Differentiaaliyhtälöpari (8) voidaan nyt esittää muodossa ( ) ( )( ) 5 6 y = 3 4 y }{{} =A Ratkaistaan ensin matriisin A ominaisarvot: deta λi = 5 λ 6 3 4 λ = (λ 5)(λ+4)+8 Ominaisarvot ovat siis λ = ja λ = = λ λ = (λ )(λ+) = 0 Ratkaistaan ominaisarvon λ = ominaisvektorit: ( ) ( ) 3 6 (A λ I) = 3 6 0 ( 0 ) Ratkaisut: = y y Ratkaistaan ominaisarvon λ = ominaisvektorit: ( ) ( ) 6 6 (A λ I) = 3 3 0 ( 0 ) Ratkaisut: = y y Täten saadaan differentiaaliyhtälöparille (8) ratkaisu ( ) ( ) ( ) = C y e t +C e t ( ) ( ) aihtoehto: Differentiaaliyhtälöpari (8) voidaan nyt esittää muodossa { { (D 5)+ 6y = 0 (D 5)(D +4)+6(D +4)y = 0 3+(D +4)y = 0 8 6(D +4)y = 0 Yhteenlaskemalla rivit saadaan (D D ) = 0, joka vastaa differentiaaliyhtälöä = 0, jonka karakteristisen yhtälön = ( ) 9 4 = 0 yleinen ratkaisu on (t) = C e t +C e t Yhtälöstä (D 5) + 6y = 0 saamme funktiolle y(t) yleiseksi ratkaisuksi y(t) = (t)+5(t) 6 = C e t +C e t = ( +5)C e t +(+5)C e t 6 8

Yhdistämällä nämä ratkaisut saamme differentiaaliyhtälöparille (8) ratkaisun ( ) ( ) ( ) = C y e t +C e t ( ) ( ) = C e t +C e t 8 Ratkaistaan differentiaaliyhtälö dy d = + y y käyttäen sijoitusta z = y (y = z + z) saadaan yhtälö (9) muotoon z + z = +z z ja edelleen separoituvaksi differentiaaliyhtälöksi Ratkaistaan tämä: z ( z) +z = Siis saadaan yhtälön (0) ratkaisuksi ja edelleen yhtälön (5) ratkaisuksi (9) z = +z z (0) +z dz z +z dz = d arctanz ln(+z ) = ln+c arctanz = ln+ ln(+z )+C arctanz = ln (+z ) +C arctanz = ln (+z ) +C arctan y = ln +y +C Ylimääräistä: Edellinen käy kyllä ratkaisuksi, mutta esitellään vielä pientä lisäystä Siirrytään napakoordinaatistoon (r,θ) (r = ( +y ), tanθ = y/), jolloin yhtälön (5) ratkaisu voidaan esittää muodossa r = e θ C = C e θ 9