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 =

Samankaltaiset tiedostot
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

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

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

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

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

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

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

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 )).

Matemaattinen Analyysi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

. 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.

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Dierentiaaliyhtälöistä

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Insinöörimatematiikka D

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

Dierentiaaliyhtälöistä

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

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Insinöörimatematiikka D

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

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon. + p(x)y = r(x) (28)

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

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

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

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

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

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

Insinöörimatematiikka D

Matemaattinen Analyysi

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Matematiikan tukikurssi

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Insinöörimatematiikka D

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

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

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 2

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

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 =

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

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

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Tampere University of Technology

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

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

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Insinöörimatematiikka D

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Insinöörimatematiikka D

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

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Talousmatematiikan perusteet: Luento 17. Osittaisintegrointi Sijoitusmenettely

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

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

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

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

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

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.

Funktion määrittely (1/2)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

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

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Differentiaalilaskennan tehtäviä

12. Differentiaaliyhtälöt

Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1

Dierentiaaliyhtälöistä

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Integrointi ja sovellukset

Transkriptio:

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi Harjoitus 2, Kevät 207 Päivityksiä: Tehtävän 4b tehtävänanto korjattu ja vastauksia lisätty.. Ratkaise y, kun 2y x = y 2 e x2. Jos y () = 0 niin mikä on ratkaisu tällöin? Muistetaan että y = dy dx, eli 2 dy dx x = y2 e x2 2 y 2 dy = e x2 xdx 2 y = ex2 2 +C 2 ex2 +C y = y () = 0 eli 2 0 = y() 2 e 2 eli y() = 0 eli 2 e2 +C = 0 ja tästähän ei C ratkea. Kuitenkin on olemassa erikoisratkaisu y(t) = 0, joka toteuttaa alkuperäisen DY:n ja jolle y () = 0. Tätä emme hoksanneet aikaisemmin koska tuli jaettua y:llä ja "unohdimme" tarkastella hävisikö jokin ratkaisu tässä kohtaa. 2. (y 3 + sin(y))y = e x. (a) Osoita että y(x) 0 kaikilla x:n arvoilla. (Vinkki: Differentaiaaliyhtälöä ei tarvitse tätä varten ratkaista) (b) Ratkaise DY kun y(0) = π/2. Millä x:n arvolla/arvoilla (jos millään) y(x) = 2? Huom! tässä DY:n ratkaisuksi riittää yhtälö jossa esiintyy enää vain y:tä ja x:ää, eli y :sta on päästy eroon. (a) Jos olisi y(x) = 0 niin (0 3 + sin(0))y (x) = e x eli 0 = e x mikä ei voi olla totta millään x:n arvolla. (b) (y 3 + sin(y)) dy dx = ex (y 3 + sin(y))dy = e x dx 4 y4 cos(y) = e x +C Nyt koska y(0) = π/2, saadaan 4 (π/2)4 cos(pi/2) = e 0 +C eli C = + 4 (π/2)4. Kun y(x) = 2 niin x = ln( C + 4 24 cos(2)). 3. Ratkaise y:n lauseke, kun (a) y = 2y + 3. Ratkaise loppuun asti. (b) y 2y = x. Ratkaise loppuun asti. (integraaleista selviää esim. osittaisintegroinnilla tai kaavakirjalla) (c) x 2 y + y = ln(x). Integraalit saa jäädä laskematta.

ja y:n muodon tahdotaan olevan y(x) = e x. (a) Lauseke on selvästi ensimmäisen kertaluvun lineaarinen differentiaaliyhtälö. Tällöin sen ratkaisu on muotoa y(x) = e h ( e h r dx +C) missä siis r(x) = 3 h(x) = = p(x)dx dx Tällöin saamme y = e (x) ( e x 3dx +C) = x y = e 2x ( 3 2 ex +C) = 3 2 +Ce2x (b) Lauseke on ensimmäisen kertaluvun lineaarinen differentiaaliyhtälö, eli kuten edellisessä tehtävässä, mutta nyt r(x) = x. Sijoittamalla tämä saamme y(x) = e (x) ( e x ( x) dx +C) = e 2x ( 4 ex (2x + ) +C) = Ce 2x + (2x + ) 4 (c) x 2 y + y = ln(x) : x 2 y + y x 2 = ln(x) x 2 Yhtälö on ensimmäisen asteen lineaarinen DY. Lasketaan mitä on h(x) ja sijoitetaan tiedot kaavaan. h(x) = p(x)dx = x 2 dx = x y(x) = e ( x ) ( e x ln(x) x 2 dx +C) 4. Tiedetään että y (t) = ky(t), missä k ei tällä kertaa olekkaan välttämättä vakio, vaan voi riippua myös t:stä. (a) Jos tahdomme että y(t) = +2t niin mitä täytyy olla k:n? (b) Olkoon nyt k on kuten edellisessä kohdassa, mutta tahtoisimmekin että y(t) = +4t. Tällöin ei voi olla enää y (t) = ky(t), vaan täytyy esiintyä esim. "ulkopuolinen" y:n arvon vähenemistä vastustava termi g(t), eli malli olisikin y (t) = ky(t) + g(t). Määritä g(t) siten että y saa tahdotun muodon. 5. (a) Määritä q(x) kun tahdotaan että y(x) toteuttaa DY:n y + y + q(x)y = 0

(a) Ajanhetkellä t = 0 tankissa on nestettä 0m 3 ja sen kiintoainepitoisuus on 40g/m 3. Oletetaan nyt että virtausnopeudet ulos ja sisään ovat samoja, 2 kuutiometriä minuutissa, eli tankissa olevan nesteen tilavuus ei muutu. Määritä lauseke tankissa ajanhetkellä t olevan kiintoaineen määrälle y(t), kun c = 0. (b) Mitä olisi q(x):n oltava jos tahdotaan että DY:n ratkaisuksi kelpaisi y(x) = x = x 2? (a) Sijoitetaan Siis oltava q(x) =0. y (x) = e x y (x) = e x e x e x + g(x) e x = 0 q(x) }{{} e x = 0 0 Tarkistetaampa ratkaisemalla DY yleisesti (tätä ei toki harjoituksissa tarvitse tehdä) y + y = 0 λ 2 + λ = 0 λ(λ + ) = 0 { λ = 0 λ 2 = y(x) = C e 0 x +C 2 e x = C +C 2 e x Tahdottu ratkaisu on siis se yksittäisratkaisu jossa C = 0 ja C 2 =. (b) y (x) = 2 x 2 Sijoitetaan nämä differentiaali yhtälöön y (x) = 4 x 3 2 4 x 3 2 + 2 x 2 + q(x) x 2 = 0 4 x + 2 x + q(x) = 0 q(x) = 4 x 2 x 6. Ajatellaan alla olevan kuvan kaltaista tankkisysteemiä johon tulee nestettä ja josta lähtee nestettä. Tankkiin tulevan nesteen kiintoainepitoisuus on c, yksikkönä grammaa per kuutiometri. Tankissa olevaa nestettä sekoitetaan sen verran tehokkaasti että sen pitoisuuden voidaan ajatella olevan sama kaikkialla tankissa.

(b) Kuinka kauan kestää että tankissa olevan nesteen kiintoainepitoisuus on 20g/m 3? v 2 (t) v (t) V (t) 7. Määritä y(t) kun tilanne on muuten sama kuin tehtävässä 6, mutta (a) tankkiin tulevan nesteen pitoisuus on c = 30g/m 3? (b) tankkiin tulevan nesteen pitoisuus on c = e 0.0t 8. Jos nyt tilanne olisi muutoin kuten tehtävässä 6, mutta nestettä virtaisi sisään vain vauhdilla kuutiometri minuutissa niin mikä olisi nyt kiintoaineen määrän y(t) lauseke?

Vastauksia: Teht.#: Osittainen ratkaisu y =. 2 ex2 +C Teht.#2: Osittainen ratkaisu 4 y4 cos(y) = e x +C Teht.#3: (a) y = 3 2 +Ce2x (b) Osittainen ratkaisu y(x) = e (2x) ( e x ( x) dx +C) (c) y(x) = e (x ) ( e x ln(x) dx +C) x 2 Teht.#4: (a) +2t 4 (b) + 2 (+4t) 2 +2t +4t Teht.#5: (a) q(x) = 0 (b) q(x) = 4 x 2 x Teht.#6: (a) y(t) = 400e 5 t (b) t = 5ln(0.5) Teht.#7: (a) y(t) = 5(60 + exp( 5 t 5ln(20))) (b) exp( 0.2t)( 0.9 2 2 exp(0.9t) + 400 0.9 ) Teht.#8: y(t) = 4( t + 0) 2, t [0,0]