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

Samankaltaiset tiedostot
SCI-C0200 Fysiikan ja matematiikan menetelmien studio

Harjoitus 2: Ohjelmointi (Matlab)

Harjoitus 2: Ohjelmointi (Matlab)

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Harjoitus 1: Matlab. Harjoitus 1: Matlab. Mat Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1. Syksy 2006

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

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

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

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

1 Di erentiaaliyhtälöt

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

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

Differentiaaliyhtälöryhmä

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

Harjoitus 6: Symbolinen laskenta II (Mathematica)

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Numeeriset menetelmät

Harjoitus 5: Simulink

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

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

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

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

Luento 2: Liikkeen kuvausta

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 =

Matemaattinen Analyysi

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

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

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Numeeriset menetelmät

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

Matemaattinen Analyysi

Harjoitus 6: Simulink - Säätöteoria. Syksy Mat Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

Insinöörimatematiikka D

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

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

Differentiaaliyhtälöryhmän numeerinen ratkaiseminen

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Matemaattinen Analyysi

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

Kanta ja Kannan-vaihto

Insinöörimatematiikka D

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

mlvektori 1. Muista, että Jacobin matriisi koostuu vektori- tai skalaariarvoisen funktion F ensimmäisistä

12. Differentiaaliyhtälöt

(s 2 + 9)(s 2 + 2s + 5) ] + s + 1. s 2 + 2s + 5. Tästä saadaan tehtävälle ratkaisu käänteismuuntamalla takaisin aikatasoon:

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

mlnonlinequ, Epälineaariset yhtälöt

(d) f (x,y,z) = x2 y. (d)

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

Differentiaaliyhtälöt

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

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

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

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

Insinöörimatematiikka D

Harjoitus 7: Dynaamisten systeemien säätö (Simulink)

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

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

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

FUNKTION KUVAAJAN PIIRTÄMINEN

Matriisit ovat matlabin perustietotyyppejä. Yksinkertaisimmillaan voimme esitellä ja tallentaa 1x1 vektorin seuraavasti: >> a = 9.81 a = 9.

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

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

Numeerinen analyysi Harjoitus 1 / Kevät 2017

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

Matriisilaskenta (TFM) MS-A0001 Hakula/Vuojamo Ratkaisut, Viikko 47, 2017

Dierentiaaliyhtälöistä

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

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Yleistä. Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Insinöörimatematiikka D

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

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

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

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

Värähtelevä jousisysteemi

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

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Transkriptio:

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

Harjoituksen aiheita Matlab:n solver komento differentiaaliyhtöiden ratkaisemiseen Differentiaaliyhtälömallien käyttö ilmiöiden mallintamisessa - Infektion leviäminen - Radioaktiivinen hajoaminen - Ajettu värähtelijä Matlabin contour ja surface -komennot 3D visualisointiin Oppimistavoitteet Osaat ratkaista differentiaaliyhtälön numeerisesti Matlabilla MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 2

Diff.yhtälöiden numeerinen ratkaiseminen d DY:n yleinen muoto: dtx(t) = F (t, x(t)) - x( ) mahdollisesti vektoriarvoinen - Derivaattaa d dtx(t) merkitään usein myös ẋ(t) Lineaarisia DY:tä voidaan ratkaista symbolisesti (Mathematica) Tuloksena x(t):n kaava Sovelluksissa DY:t usein epälineaarisia, jolloin ne joudutaan ratkaisemaan numeerisesti (esim. Matlabilla) Tuloksena arvot x(t 0 ), x(t 1 ),..., x(t n ) Matlab:ssa useita DY-ratkaisimia (ode45, ode113, ode23s) Suhteellisen yksinkertaisissa käytännön ongelmissa ei juurikaan ole väliä mitä ratkaisinta käyttää MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 3

DY:n ratkaiseminen Matlabilla: Vaiheet 1. Muuta DY muotoon ẋ(t) = F (t, x(t)) - Yhtäsuuruusmerkin vasemmalla puolella vain derivaatta 2. Toteuta F (t, x(t)) Matlab-funktiona: function dx = minunf(t,x,param)... 3. Kutsu jotakin Matlab:n valmista DY-ratkaisinta parametrina F (minunf), ratkaisuväli t:lle (tspan), sekä x:n alkuarvot (x0): [tout,xout]=ode45(@minunf,tspan,x0,options,param) (Merkintä @ kertoo Matlabille, että parametrina funktio) 4. Validoi tulos esim. piirtämällä ratkaisu: plot(tout,xout, r.- ) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 4

Esim: Eksponentiaalinen vaimeneminen Ratkaistaan DY ẏ(t) + y(t)/t 0 = 0 välillä t [0, 100], missä y(0) = 1 ja parametri T 0 > 0. Vaihe 1: ẏ(t) }{{} ẋ(t) = y(t) T 0 }{{} F (t,x(t)) Vaihe 2: Luodaan tiedosto ExpDecay.m sisältäen koodin function dy = ExpDecay(t, y, T0) dy = - y/t0; - Vaikka esimerkissämme ei esiinny explisiittistä aikariippuvuutta (eli F ei riipu t:stä), täytyy t kuitenkin olla listattu ExpDecay-funktion parametriksi MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 5

Esim: Eksponentiaalinen vaimeneminen Vaihe 3: Alustetaan muut ratkaisimen parametrit... - Luodaan esim. 200 pisteen aikavektori aikavälille t [0, 100]: tspan=linspace(0,100,200); - Asetetaan alkuarvo ja parametri T 0 : y0=1; T0=10; - options - muuttuja (oikeammin structure) mahdollistaa mm. ratkaisulta vaaditun tarkkuuden kontrolloinnin: options=[]; options=odeset(options, RelTol,1e-7, AbsTol,1e-7); suurin sallittu suhteelinen ja absoluuttinen virhe on 10 7... ja ratkaistaan DY: [tout,yout]=ode45(@expdecay,tspan,y0,options,t0) (Huom! Parametrin T0 arvo välittyy ExpDecay funktiolle) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 6

Esim: Eksponentiaalinen vaimeneminen Vaihe 4: Ihmetellään ratkaisua: plot(tout,yout); xlabel( aika ); ylabel( y ); grid on 1 0.8 0.6 y 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 aika MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 7

Korkeamman kertaluvun DY:t Jos DY:ssä esiintyy esim. toisia tai kolmansia derivaattoja, täytyy se muuttaa ensimmäisen kertaluvun (vektoriarvoiseksi) DY:ksi Esim. Värähtelijän DY-malli ÿ(t) + ω 2 0y(t) = 0, (ÿ(t) = d2 dt 2 y(t)) Merkitään x 1 (t) = ẏ(t), x 2 (t) = y(t) ja saadaan DY ẋ1(t) = ω2 0x 2 (t), ẋ 2 (t) x 1 (t) }{{}}{{} ẋ(t) F (t,x(t)) F Matlab-funktioksi: function dx = Oscillator(t,x,omega0) dx = [-omega0^2*x(2); x(1)]; Ratkaistaan: [tout,xout]=ode45(@oscillator,tspan,x0...), missä x0 on 2-rivinen vektori ja xout on 2-sarakkeinen matriisi MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 8

Tehtävä A: Infektiomalli Tarkastellaan infektion leviämistä kuvaavaa SIR-mallia. Populaatio on kolmeen ryhmään ajanhetkellä t: alttiit s(t) (susceptible), infektoituneet i(t) (infected) ja toipuneet r(t) (recovered). Ryhmien kokojen muutoksia voidaan kuvata seuraavilla differentiaaliyhtälöillä (vrt. differenssiyhtälöt harjoituksessa 2B): missä t [1, 100]. ṡ(t) = α i(t) s(t) i(t) = α i(t) s(t) β i(t) ṙ(t) = β i(t) 1. Totauta Matlab koodi joka ratkaisee nämä differentiaaliyhtälöt. VINKKI: Luo Infektio.m ja kirjoittamalla sen ensimmäiselle riville function dsir=infektio(t,sir,alpha,beta). MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 9

Tehtävä A: Infektiomalli 2. Ratkaise DYt käyttäen samoja parametrien α ja β arvoja kuin harjoituksessa 2B. v Liitä vastauksiisi kuva eri ryhmien kehittymisestä ajan funktiona. Anna kuvan otsikoksi oma nimesi. Lisää kuvaan myös legend ja anna akseleille nimet. Vertaa tuloksia Harjoituksen 2B differenssiyhtälöiden ratkaisuun, jossa ei ole kuolleiden ryhmää (eli γ = 0). Ovatko ratkaisut yhteneviä? 3. Ratkaise nyt sekä DY-malli että differenssiyhtälömalli käyttäen parametriarvoja α = 0.003 ja β = 0.03 (ja γ = 0) Pohdi miksi ratkaisut eivät ole samanlaisia, vaikka mallit ovat periaatteessa samat. MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 10

Tehtävä B: Radioaktiivinen hajoaminen Tarkastellaan isotoopin y hajoamista aikavakiolla T 0. Lisäksi oletetaan että ajanhetkellä t z systeemiin tuodaan Z 0 kappaletta toista isotooppia z, joka hajoaa isotoopiksi y aikavakiolla T 1. Näinollen isotoopin z hajoaminen lisää y:n määrää, mutta samalla myös y hajoaa. Ilmiötä voidaan mallintaa DY:llä ẏ(t) = y(t)/t 0 + z(t)/t 1, missä z(t) = 0 t [0, t z ) Z 0 e (t t z)/t 1 t [t z, ) 1. Toteuta DY:n ratkaisemiseen tarvittava Matlab-funktio function dy = ExpDecayTwo(t, y, T0, T1, Z0, tz). Vinkki: if-else-rakenne MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 11

Tehtävä B: Radioaktiivinen hajoaminen 2. Ratkaistaan DY aikavälillä t [0, 50] käyttäen vähintää 150 aikapistettä sekä arvoja T 0 = 10, Z 0 = 1, y(0) = 1 ja t z = 15. Tutkiaksesi ratkaisun käyttäytymistä eri T 1 arvoilla, toteuta esim. seuraava Matlab-koodi, joka tallentaa kutakin T 1 :n arvoa vastaavan ratkaisun matriisin yt1 riviksi: T1 = linspace(1, 200, 150); for T1index = 1:length(T1) [t, y] = ode45(@expdecaytwo,... yt1(t1index, :) = y; end - Piirrä ratkaisu T 1 = 100 ja tarkista että se näyttää järkevältä. Millä T 1 :n arvolla isotooppia y on eniten jäljellä loppuajanhetkellä t = 50? (VINKKI: max-komento) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 12

Tehtävä B: Radioaktiivinen hajoaminen 3. Visualisoidaan ratkaisut sekä ajan t että aikavakion T 1 funktiona. v Liitä vastaukseesi kuva, jossa vaakaakselilla on aika, pystyakselilla T 1 ja y(t):n arvo on kuvattu väriasteikolla. Anna kuvan otsikoksi oma nimesi, lisää kuvaan colorbar ja nimeä akselit. Vinkki: surf(xscale, yscale, zmatrix) v Liitä vastaukseesi kuva, jossa vaakaakselilla on aika, pystyakselilla T 1 ja y(t):n arvot on kuvattu tasa-arvokäyrin. Anna kuvan otsikoksi oma nimesi ja nimeä akselit. Vinkki: [c,h]=contour(xscale, yscale, zmatrix,ncontour) Vinkki: clabel(c, h); - Tarkista että kuvat tukevat 2.-kohdan vastaustasi MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 13

Kotitehtävä: Ajettu värähtelijä Tarkastellaan harmonista värähtelijää, jonka värähtelyitä y ajaa sinimuotoinen voima (F cos(ωt)). Lisäksi liikettä vaimentaa esim. väliaineen kitka vaimennusvakiolla T 0. Tilannetta kuvaa yhtälöä ÿ(t) + ẏ(t)/t 0 + ω 2 0y(t) = F M cos(ωt), (1) missä parametri ω 0 on värähtelija resonanssitaajuus, M värähtelijän massa, F ajavan voiman amplitudi ja ω sen taajuus. 1. Muuta tämä 2. kertaluvun DY 1. kertaluvun differentiaaliyhtälöksi ẋ(t) = F (t, x(t)), missä x(t) = [x 1 (t), x 2 (t)]. Toteuta F Matlab-funktiona siten, että voi myöhemmin asettaa parametreille T 0, ω 0, M, F ja ω. Vinkki: function dx=drivenosc(t,x,t0,omega,m,f,omega0) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 14

Kotitehtävä: Ajettu värähtelijä 2. Kirjoita Matlab-koodi, joka ratkaisee yhtälön (??) mielivaltaisilla parametreilla ja alkuarvoilla aika välillä t [0, ). Ääretöntä aikaa ei numeriikassa voida saavuttaa, mutta lopppuajanhetkellä t 10 T 0 päästänee tarpeeksi lähelle ääretöntä. - Ratkaise yhtälö parametriarvoilla T 0 = 10, ω 0 = 1, M = 1, F = 1 ja ω = 1 kun värähtelijä on alkuhetkellä t = 0 levossa, eli y(0) = ẏ(0) = 0. (Vinkki: ode45). - Visualisoi ratkaisu ja varmista että mallisi tulokset näyttävät järkeviltä: Kun voima alkaa vaikuttaa, värähtelijä lähtee liikkeelle pikku hiljaa, ja lähestyy asymptoottisesti steady-state tilannetta, jossa värähtely on sinimuotoista. MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 15

Kotitehtävä: Ajettu värähtelijä 3. Tutkitaan, miltä asymptoottinen ratkaisu näyttää, jos ajotaajuus ω on alle, yli, tai yhtäsuuri kuin resonanssitaajuus ω 0. Ratkaise yhtalö (??) kolmella arvolla ω {0.1, 1.0, 1.1}. Pidä muut parametriarvot ennallaan (ks. kohta 2) v Liitä vastaukseesi kuva, jossa nämä kolme ratkaisua sekä ajava voima (vaakaakselilla aika, pystyakselilla y(t):n arvo) Anna kuvan otsikoksi oma nimesi, lisää kuvaan legend ja nimeä akselit. Miten värähtelyn amplitudi ja sen vaihe (suhteessa ajavan voiman vaiheeseen) käyttäytyvät kvalitatiivisesti eri tapauksissa? MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 16

Kotitehtävä: Ajettu värähtelijä 4. Muuta vaimennusvakion T 0 arvoja, ja yritä päätellä, mikä yksinkertainen yhtälö sitoo toisiinsa vaimennusvakion ja asymptoottisen värähtelyn amplitudin. Käytä muuten samoja parametriarvoja kuin edellä (ω 0 = 1, M = 1, F = 1 ja ω = 1). Kerro minkä yhtälön löysit? v Liitä koko kotitehtävän lähdekoodi vastauksiisi MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 17