12. Differentiaaliyhtälöt

Samankaltaiset tiedostot
Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

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

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

Fx-CP400 -laskimella voit ratkaista yhtälöitä ja yhtälöryhmiä eri tavoin.

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

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

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

Dierentiaaliyhtälöistä

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Mat Matematiikan peruskurssi K2

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

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Matemaattinen Analyysi

Hannu Mäkiö. kertolasku * jakolasku / potenssiin korotus ^ Syöte Geogebran vastaus

ja sitten. Kosketuskynä on upotettuna laskimen päädyssä ja ponnahtaa esiin, kun sitä hieman painetaan sisäänpäin.

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Matemaattinen Analyysi

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Insinöörimatematiikka D

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Harjoitus 5 -- Ratkaisut

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

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

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

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Differentiaaliyhtälöt

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Matemaattinen Analyysi

Käy vastaamassa kyselyyn kurssin pedanet-sivulla (TÄRKEÄ ensi vuotta ajatellen) Kurssin suorittaminen ja arviointi: vähintään 50 tehtävää tehtynä

Numeeriset menetelmät

Lue tehtävänannot huolella. Tee pisteytysruudukko 1. konseptin yläreunaan. ILMAN LASKINTA -OSIO! LASKE KAIKKI SEURAAVAT TEHTÄVÄT:

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

y + 4y = 0 (1) λ = 0

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

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 =

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

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

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA

Insinöörimatematiikka D

Matematiikan tukikurssi

Värähtelevä jousisysteemi

Tässä riisinjyvien määrät jokaisessa ruudussa on laskettava yhteen. Tällöin tuloksena on

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Differentiaali- ja integraalilaskenta

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

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 =

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

1 Di erentiaaliyhtälöt

Matemaattinen Analyysi

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

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Funktion derivoituvuus pisteessä

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

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

Matematiikan tukikurssi

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

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

1 Oikean painoisen kuulan valinta

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ Merkitään f(x) =x 3 x. Laske a) f( 2), b) f (3) ja c) YLIOPPILASTUTKINTO- LAUTAKUNTA

Dierentiaaliyhtälöistä

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

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

Integraalilaskenta. Markus Hähkiöniemi Satu Juhala Petri Juutinen Sari Louhikallio-Fomin Erkki Luoma-aho Terhi Raittila Tommi Tikka

Transkriptio:

1. Differentiaaliyhtälöt 1.1 Johdanto Differentiaaliyhtälöitä voidaan käyttää monilla alueilla esimerkiksi tarkasteltaessa jonkin kohteen lämpötilan vaihtelua, eksponentiaalista kasvua, sähkölatauksen purkautumista, radioaktiivista säteilyä tai kiihtyvää liikettä. Differentiaaliyhtälö sisältää derivaattoja tai differentiaaleja. On olennaista pystyä erottamaan minkä tyyppisen differentiaaliyhtälön kanssa olemme tekemisissä ennen kuin yritämme ratkaista yhtälön CP400-laskimella. Differentiaaliyhtälö, jossa ei esiinny korkeampaa kuin ensimmäisen asteen derivaattaa, on ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö. Differentiaaliyhtälöä, jossa toinen derivaatta on derivaatan korkein kertaluku, kutsutaan toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöksi. Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö voi sisältää myös ensimmäisiä derivaattoja. Differentiaaliyhtälön asteen määrää yhtälön korkeimman derivaatan aste (eksponentti). 4 5 Differentiaaliyhtälön ( y ) 3( y) 4y 3 kertaluku on, koska yhtälön korkein derivaatan kertaluku on. Lisäksi differentiaaliyhtälön aste on 4, koska korkeimman derivaatan aste on 4. 1. Yleinen ja yksikäsitteinen ratkaisu Kun ratkaisemme epämääräisiä integraaleja, saamme ensin niin kutsutun yleisen ratkaisun, joka sisältää vakion C. Saamme ns. yksikäsitteisen ratkaisun, kun vakioille C annetaan jokin tietty arvo. Vakioiden arvot saadaan tunnetuista x:n ja y:n arvoista tietyillä ehdoilla. Nämä tietyt ehdot tunnetaan reunaehtoina tai alkuehtoina. Laske yleinen ratkaisu ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälölle y 5 käyttäen apuna CP400-laskinta. Laske yksikäsitteinen ratkaisu ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälölle y 5 jonka alkuehto on x 0 kun y (toisin sanoen y(0) = ). CP400-laskimen funktio dsolve laskee ensimmäisen, toisen ja kolmannen kertaluvun differentiaaliyhtälöitä sekä ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöryhmiä. Löytääksemme yleisen ratkaisun käytämme seuraavaa syntaksia [yhtälö, riippumattomat muuttujat, riippuvat muuttujat] tai Interactive valikosta kohtaa Advance -> dsolve. 183 Sivu

Yleinen ratkaisu Yksikäsitteinen ratkaisu Interactive valikon kautta Voidaksemme laske yksikäsitteisen ratkaisun meidän on käytettävä seuraavaa syntaksia [yhtälö, riippumattomat muuttujat, riippuvat muuttujat, alkuehdot] tai valittava Interactive x Ratkaise differentiaaliyhtälö y xy 4e, y (0) 7. Kirjoita yhtälö ja maalaa se Interactive, Advanced, dsolve Täytä alkuehdot ja paina OK. Kun käytät Interactive valikkoa, ClassPad täydentää kaikki komennot ja syntaksin puolestasi. Näin vältyt kirjoitusvirheiltä eikä sinun tarvitse tietää laskimen komentojen kirjoitusasua. 184 Sivu

Pitkissä laskuissa näytön voi kääntää vaakaan näytön alla olevasta kuvakkeesta Rotate. Vaihtoehtoinen tapa ratkaista tehtävä on käyttää komentoa dslv Math3 välilehdeltä, jolloin syntaksi on [yhtälö, riippumattomat muuttujat, riippuvat muuttujat, alkuehdot]. Meillä on kolmannen kertaluvun differentiaaliyhtälö y 0, jonka alkuehdot ovat y(0) 3, y(1) 4ja y () 6. Laske differentiaaliyhtälön yksikäsitteinen ratkaisu CP400- laskimella. Kolmen ehdon tapauksessa on käytettävä suoraa komentoa. Syntaksi on [yhtälö, riippumattomat muuttujat, riippuvat muuttujat, alkuehdot -1, alkuehdot -, alkuehdot -3]. 185 Sivu

Ratkaise differentiaaliyhtälö y y 8sin( t), y(0) y (0) 0 Kirjoita yhtälö ja maalaa se Interactive, Advanced, dsolve Täytä alkuehdot ja paina OK. Huomaa! Rad-tila. Ratkaise differentiaaliyhtälö y y tan( x), x. Tutki seuraavaa! Osoita CP400-laskinta käyttäen, että differentiaaliyhtälön y 3y y 0 yleinen ratkaisu x x voidaan ilmaista y Ae Be, jossa A ja B ovat vakioita. Valitse itse erilaisia alkuehtoja ja laske näiden avulla yksikäsitteisiä ratkaisuja. 186 Sivu

1.3 Nopeus ja kiihtyvyys m Gravitaatiokiihtyvyys on lähellä maan pintaa 9,8. Tämä tarkoittaa sitä, että vapaasti tyhjiössä s putoavan esineen nopeus kasvaa m 9,8 s jokaista sekuntia kohden. Tästä puolestaan seuraa, että (nopeuden muutos sekunnissa on) dv d m 9,8 t s. Päästämme esineen putoamaan alkunopeudella 0 m/s. Voimme ajatella esineen putoavan maata kohti ilman ilmanvastusta. Miten suuri nopeus on t sekuntia putoamaan päästämisen jälkeen? Ratkaisemme differentiaaliyhtälön d v 9,8 dt, jonka alkuehto on v 0 kun t 0. CP400-laskin antaa vapaasti putoavan esineen nopeuden m v( t) 9,8 t, t sekuntia irtipäästämisen jälkeen. s Huomaa, että t:n yksikkö on s. 1.4 Muuttujien separoiminen Erästä differentiaaliyhtälötyyppiä kutsutaan separoituvaksi differentiaaliyhtälöksi. Tämän tyyppiset differentiaaliyhtälöt voidaan ratkaista muuttujien erottamiseen pohjautuvalla menetelmällä. Tätä menetelmää voidaan käyttää vain silloin, kun differentiaaliyhtälö voidaan kirjoittaa muodossa A( x) B( y) dy 0, jossa Ax ( ) on ainoastaan x:n funktio ja jossa By ( ) on vain y:n funktio. Kun differentiaaliyhtälö on tarvittaessa saatu kirjoitettua yllä kuvattuun muotoon, voimme muuttujien erottamisen avulla kerätä y:n tekijät vasemmalle puolelle ja x:n tekijät oikealle puolelle. Tämän jälkeen nämä puolet voidaan integroida yleisen ratkaisun löytämiseksi. 187 Sivu

Ratkaistaan differentiaaliyhtälö 3 y dy x 0ensin ilman CP400-laskinta. Tämä yhtälö on onneksemme jo halutussa muodossa ja voimme menetellä yllä kuvatulla tavalla ja suorittaa integroinnin yhtälön molemmin puolin. Tällöin tuloksena on 3 y dy x yleinen ratkaisu. 1 3 4 4 3 y x 3x C1 y C, ja tämä on differentiaaliyhtälön 3 4 4 Ratkaise differentiaaliyhtälö 3 y dy x 0. Koska d y y, voimme kirjoittaa alkuperäisen differentiaaliyhtälön seuraavasti y y 3 x 0 jakamalla sen symbolisesti :llä. Voimme laskea yleisen ratkaisun CP400-laskimella seuraamalla syntaksia. Tee ensin yhtälö, maalaa se ja valitse Interactive, Advanced, dsolve. Alkuehtoja ei ole. Vastausta voi sieventää painamalla näytön yläreunassa näkyvää painiketta Simp laskun jälkeen. Tutki seuraavaa! Osoita, että differentiaaliyhtälö d y y lnx x 0 voidaan ratkaista separoimalla muuttujat. Ratkaise yhtälö ilman laskinta. Tarkista vastaus ratkaisemalla y lnx y x 0 käyttäen CP400- laskinta. Laske muuttujien erottamisen avulla yksikäsitteinen ratkaisu yhtälölle d y y 6 alkuehdot ovat y 1 kun x 0., jonka Separoiminen antaa dy 6 y dy 6 y joka tarkoittaa, että. Integroimme yhtäläisyysmerkin molemmat puolet ja saamme 1 ln 6 y x C. 188 Sivu

Alkuehdosta y 1 kun x 0 seuraa, että 1 ln 6 1 0 1 C ln4. 1 Kun sijoitamme ehdon C ln4 yleiseen ratkaisuun, saamme Tästä voidaan ratkaista y laskimella. C. Ratkaisemalla vakio C saadaan 1 1 ln 6 y x ln 4. Yksikäsitteinen ratkaisu. Yksikäsitteinen ratkaisu laskettuna CP400- laskimella differentiaaliyhtälönä. Differentiaaliyhtälön d y y 6 ratkaisu, alkuehdoilla y 1 kun x 0, on siis y x e 3 Ratkaise separoituva differentiaaliyhtälö Yksikäsitteinen ratkaisu. y xy, y (). 5 1 Huomaa! Koska nimittäjä kaikille x:ille. x 1 0 on y määriteltynä Tarkista tämä laskemalla ilman laskinta. Tutki seuraavaa! Kirchhoffin laki sähköisille piireille määrittää differentiaaliyhtälön esimerkiksi R 10, L H, U 60Vja I 0, kun t 0. di R I L U, jossa dt Ratkaise differentiaaliyhtälö sekä separoimalla että suoraan käyttämällä CP400-laskimella. 189 Sivu

1.5 Käyräparvi ja suuntakenttä Voimme havainnollistaa ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöjen ratkaisuja ratkaisematta yhtälöä. Niin sanottu suuntakenttä havainnollistaa differentiaaliyhtälöä ja auttaa hahmottamaan sitä miltä ratkaisufunktio näyttää. Differentiaalifunktion ratkaisut muodostavat käyräparven. Alkuehdot toteuttavien funktioiden kuvaajia kutsutaan ratkaisukäyriksi. Piirrä suuntakenttä differentiaaliyhtälölle y x. Piirrä ratkaisukäyrä, joka toteuttaa alkuehdon x 0, kun y 0. Valitse DiffEq-Graph Kirjoita yhtälö. Muokkaa Steps. Suuntakenttä. Kirjoita alkuehdot. 190 Sivu

Piirrä suuntakenttä differentiaaliyhtälölle d y sin( xy), ja piirrä ratkaisukäyrä alkuehdolle x 3 ja y 4. Syötä yhtälö. Kirjoita alkuehdot. Kokeile siirtää pisteitä. Voit muuttaa alkuehtoja siirtämällä kosketuskynällä pisteitä. 191 Sivu

19 Sivu