Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

Samankaltaiset tiedostot
MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Ominaisarvo ja ominaisvektori

1 Di erentiaaliyhtälöt

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

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.

Lineaarinen yhtälöryhmä

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

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

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Funktio 1. a) Mikä on funktion f (x) = x lähtöjoukko eli määrittelyjoukko, kun 0 x 5?

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Differentiaaliyhtälösysteemit sekä niiden tasapainopisteiden stabiilisuus

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

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

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

Kanta ja Kannan-vaihto

Insinöörimatematiikka D

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

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

Vakiokertoiminen lineaarinen normaaliryhmä

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Tekijä Pitkä matematiikka

y + 4y = 0 (1) λ = 0

2 Pistejoukko koordinaatistossa

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

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Matematiikka B2 - TUDI

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

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

Vektoreiden virittämä aliavaruus

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matemaattinen Analyysi

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Näihin harjoitustehtäviin liittyvä teoria löytyy Adamsista: Ad6, Ad5, 4: 12.8, ; Ad3: 13.8,

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Paraabeli suuntaisia suoria.

Matemaattinen Analyysi

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

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

Vektorilaskenta, tentti

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

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

Ympyrän yhtälö

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Käänteismatriisi 1 / 14

Vapaus. Määritelmä. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee:

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

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Transkriptio:

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 27 Harjoitus 5 Heikki Korpela 26. huhtikuuta 27 Tehtävä 2. Määrää seuraavan autonomisen systeemin kriittiset pisteet, ratakäyrät ja luonnostele systeemin aikakehitys: (t) = ((t) + )(y(t) 2) y (t) = (t) 2 (t) 2 Vastaus: Kriittiset pisteet eli derivaatan nollakohdat: ( + )(y 2) = 2 2 = ( + )(y 2) = ( 2)( + ) = = tai y = 2 = 2 tai = 2. eli suoran = pisteet sekä piste (, y) = (2, 2). Ympäristöissä, joissa (t), on olemassa käänteisfunktio t(), jolle pätee käänteisfunktion derivointisääntö t () = (t). Lisäksi D y(t()) = y (t)t () = y (t). Siten saadaan DY D y(t()) = y (t) (t) = 2 2 ( 2)( + ) = ( + )(y 2) ( + )(y 2) y ( 2) = (y 2) y (y 2) = ( 2) y 2 dy = 2 d ol. 2 y2 2y = 2 2 2 + C y 2 4y = 2 4 + 2C y 2 4y + 4 = 2 4 + 4 + 2C ( 2) 2 (y 2) 2 = 2C josta tunnistetaan ratakäyrät hyperbeleiksi. Ratkaistaan ne vielä normaalimuotoisiksi 2 a 2 ±. Oletetaan ensin C < : y2 b 2 = 2C = ( 2) 2 (y 2) 2 = ( 2)2 (y 2)2 ( 2)2 (y 2)2 ( 2)2 (y 2)2 = = 2C 2C 2C 2C 2 2 2C 2C Ja sitten C > : 2C = ( 2) 2 (y 2) 2 = ( 2)2 (y 2)2 ( 2)2 (y 2)2 ( 2)2 (y 2)2 = = 2C 2C 2C 2C 2 2 2C 2C Lisäksi erityistapauksena saadaan alkuperäisestä yhtälöstä ensinnäkin vakiofunktio 2 (t) = = ( + )(y 2) = (3)(y 2) y 2. Tämä ratkaisu toteuttaa alkuperäisen yhtälön

(ja jää paikoilleen). Toisekseen saadaan suorat y =, y = 4. Niiden kriittinen piste (2, 2) on mahdollista havaita epästabiiliksi Poincaren lauseen avulla. Ensin Jacobin matriisi: [ ] [ ] D ((t) + )(y(t) 2) D J y (, y) = y ((t) + )(y(t) 2) y 2 + D 2 2 D y 2 =, 2 2 joka on kääntyvä pisteessä (2, 2) mutta ei suoralla =. Pisteessä (2, 2) matriisi on [ ] 3 J y (, y) = 3 det J y (, y) λi = λ 3 3 λ = λ2 9 = λ = ±3, joten (koska ominaisarvot ovat reaaliset ja erimerkkiset), piste on epästabiili (satulapiste). Tutkitaan hyperbeliratkaisujen käyttäytymistä. Jaetaan tarkastelu lohkoihin. Pitäen mielessä alkuperäinen yhtälöpari (t) = ( + )(y 2) y (t) = ( 2)( + ) todetaan, että y > 2, < : (t) = ( + ) (y 2) < }}}} < > y > 2, > : (t) = ( + ) (y 2) > }}}} > > y < 2, > : (t) = ( + ) (y 2) < }}}} > < y < 2, < : (t) = ( + ) (y 2) > }}}} < < Mallinnamme kuvaajia erityistapauksilla C = 5, C =, C =, C =. Vasen ylälohko, jossa yllä olevan perusteella kuvaajia pitkin kuljetaan vasemmalle, kun t kasvaa: y 2 4 6 8 2 4 Ratakäyrä, C= C= C= 5 C= = y=2 8 6 4 2 Kuva : Vasen ylälohko, D t < 2

Kaikki kuvaajat kulkevat poispäin kriittisestä suorasta. Oikea ylälohko, jossa kuvaajia pitkin kuljetaan oikealle, kun t kasvaa: y 2 4 6 8 2 4 Ratakäyrä, C= C= C= 5 C= = y=2 5 Kuva 2: Oikea ylälohko, D t > Kuvaajat kulkevat kohti kriittistä suoraa vain jos y 2 kriittisen suoran leikkauspisteessä. (Vasemmalle aukeavat hyperbelit, jotka leikkaavat suoraa kahdessa pisteessä, eli 4 2 < C <.) Oikea alalohko, jossa kuvaajia pitkin kuljetaan vasemmalle, kun t kasvaa: y 6 4 2 2 Ratakäyrä, C= C= C= 5 C= = y=2 5 Kuva 3: Oikea alalohko, D t < Kuvaajat kulkevat kohti kriittistä suoraa vain jos y 2 kriittisen suoran leikkauspisteessä. (Vasemmalle aukeavat hyperbelit, jotka leikkaavat suoraa kahdessa pisteessä, sekä alaspäin aukevaat hyperbelit, kulkevat kohti kriittistä suoraa.) Vasen alalohko, jossa kuvaajia pitkin kuljetaan oikealle, kun t kasvaa: 3

y 6 4 2 2 Ratakäyrä, C= C= C= 5 C= = y=2 8 6 4 2 Kuva 4: Vasen ylälohko, D t > Kuvaajat kulkevat kohti kriittistä suoraa, jos ne leikkaavat sitä. (Vasemmalle aukeavat hyperbelit, jotka leikkaavat suoraa kahdessa pisteessä, sekä alaspäin aukevaat hyperbelit.) Siis kriittisellä suoralla pisteet ovat stabiileja ja asymptoottisesti stabiileja. Myös alkuarvon perusteella on mahdollista rajata, mitkä ratakäyrät hakeutuvat kohti kriittistä pistettä ja pysyvät jostain t alkaen sen lähellä. Tällaisia alkuarvopisteitä ovat suorien = ja y = 4 rajaama alue sekä lisäksi suoran = ja arvolla C = 4 2 piirtyvän hyperbelin rajaama alue. Tehtävä 3. Määrää seuraavan autonomisen systeemin kriittiset pisteet, ratakäyrät ja luonnostele systeemin aikakehitys: (t) y (t) = 8y(t) = 8(t) 3. Vastaus: Ainoa kriittinen piste on (, y) = (, ). Ratkaistaan y (kun y ): D y(t()) = y (t)t () = y (t) (t) = 9(t) 4y(t) 4y dy = 9 d 4y 2 = 9 2 + 2C 4y 2 + 9 2 = C 2 (C 2 ), eli origokeskinen ellipsi. Jos C 2 =, niin saadaan ratkaisuihin mukaan vakiofunktio t (, ). Muissa tapauksissa ratakäyrällä ei ole muita kriittisiä pisteitä, joten raja-arvoa, kun t, ei ole muissa tapauksissa olemassa. Helposti nähdään, että ratakäyrällä liikutaan ellipsiä pitkin vastapäivään (kun y >, <, ja kun y <, > ). Origossa olevan kriittisen pisteen laatu on lauseen 6.2 nojalla stabiili keskus (ominaisarvot puhtaasti imaginaarisiä). 4

y..5..5. Ratakäyrä, C= Ratakäyrä, C=2..5..5. Kuva 5: Ellipsit tapauksissa C 2 =, C 2 = 2 Tehtävä 4. Määrää seuraavan autonomisen systeemin kriittiset pisteet, ratakäyrät ja luonnostele systeemin aikakehitys: (t) = ((t) 4)( y(t)) y (t) = ((t) + )((t) 4) Vastaus: Kriittiset pisteet: 4. ( 4)( y) = ( + )( 4) = = 4 tai y = = tai = 4, eli kriittiset pisteet ovat suora = 4 sekä piste (, y) = (, ). 5

Systeemin määräämä DY (kun y ): D y(t()) = y (t)t () = y (t) ((t) + )((t) 4) = (t) ((t) 4)( y(t)) D y = + y y dy = + d 2y y 2 = 2 + 2 + 2C y 2 2y + + 2 + 2 + = 2C + 2 (y ) 2 + ( + ) 2 = C 2 (C 2 ), ol. 4 eli (, )-keskisen ympyräkiekon kehä. Tarkastellaan aikakehitystä vakion C 2 mukaan. Jos C 2 =, kyseessä vakioratkaisu y,, joka toteuttaa differentiaaliyhtälön ja on stabiili (ratakäyrän ainoa piste on kriittinen piste). Oletetaan sitten, että < C 2 < (4 + ) 2 = 25. Tällöin selvästi ratakäyrällä ei ole kriittisiä pisteitä, joten raja-arvoa kun t ei ole olemassa. Ratakäyrä kiertää keskusta myötäpäivään ikuisesti. Jos C 2 5, ratakäyrällä on yksi (tapaus C 2 = 5) tai kaksi (tapaukset C 2 > 5) kriittistä pistettä. Verrattaessa jälleen alkuperäiseen yhtälöpariin (t) = ( 4)( y) y (t) = ( + )( 4) havaitaan, että < 4, y > : (t) = ( 4) ( y) >, eli kiertosuunta ympyrää pitkin oikealle (myötäpäivään), kohti kriittistä suoraa (sen ylempää }}}} < < leikkauspistettä) < 4, y < : (t) = ( 4) ( y) <, eli kiertosuunta ympyrää pitkin vasemmalle }}}} < > (myötäpäivään), poispäin kriittisestä suorasta (alemmasta leikkauspisteestä) > 4: y (t) = ( + ) ( 4) >, eli kiertosuunta ympyrää pitkin ylös (poispäin alemmasta }}}} > > ja kohti ylempää leikkauspistettä) Havaitaan, että jos ympyrä leikkaa suoraa, ratakäyrä hakeutuu kohti alempaa leikkauspistettä. Toisin ilmaisten, kriittisen suoran pisteistä ne, joilla y <, ovat asymptoottisesti stabiileja. Muut ovat epästabiileja. Nämä huomiot on mahdollista todeta myös Poincaren lauseen avulla. 6

y 6 4 2 2 4 6 Ratakäyrä, C2= Ratakäyrä, C2=36 =4 y= 6 4 2 2 4 6 Kuva 6: Ratakäyrät tapauksissa C 2 =, C 2 = 6 2 Tehtävä 5. Ratkaise alkuarvotehtävä (t) = [ ] (t) + [ ] [ t e 2t, () = ] Vastaus: Kirjoitetaan alkuperäinen yhtälö muodossa [ ] [ ] [ ] (t) = (t) + t + ep(2t) }}}}}} merk. merk. merk. = A = v = v 2 Merkitään A = [ ]. HY:n ratkaisua varten määritetään A:n ominaisarvot: 5. det(a λi) = λ 2 = λ = ±, 7

ja ominaisavaruudet: [ ] [ ] u (A λ I)u = = u 2 [ u = r, r R, ] [ ] [ ] u2 (A λ 2 I)u 2 = = u 22 [ ] u 2 = s, s R HY:n perusjärjestelmäksi voidaan siis valita ( (t), 2 (t)) = (ep(λ t)u, ep(λ 2 t)u 2 ) = ( [ ] [ ]) ep(t), ep( t) Valitaan yksittäisratkaisun yritteeksi p (t) = a + bt + c ep(2t), missä a, b, c ovat R 2 :n vakiovektoreita. Yrite on ratkaisu, jos se toteuttaa yhtälön kaikilla t: p(t) = A(t) + v t + v 2 ep(2t) b + 2c ep(2t) = Aa + (Ab + v )t + (Ac + v 2 ) ep(2t) Aa = b a = A b Ab + v = b = A ( )v 2c = Ac + v 2 c = (2I A) v 2 Vakiokertoimet saadaan käänteismatriisien avulla: A = A, [ ] (2I A) 2 = = [ ] 2 2 3 2 [ ] b = A ( )v =, a = A b = [ ], c = (2I A) v 2 = 3 [ ] [ 2 = 2 ] 3 [ ], 2 eli löytyi ratkaisu p (t) = a + bt + c ep(2t), jolle p () = a + c 8

Alkuarvotehtävän ratkaisu saadaan yhtälön yleisestä ratkaisusta: (t) = c (t) + c 2 2 (t) + p (t) ((c, c 2 ) R 2 ) [ () = c u + c 2 u 2 + a + c = ] [ ] c u + c 2 u 2 = a c [ ] [ ] [ [ ] c +c 2 = ] [ ] 3 2 }}}}}}}} =u ] =u 2 ] [ [ 3c + 3c 2 [ ] 3c + 3c 2 = 3c + 3c 2 [ = 3 ] =a = c [ [ + 3 + ] 2] ] [ 3 + = 4 3 2 = 6c 2 = 5 c 2 = 5 6 3c + 5 6 = 4 3c = 24 5 6 = 9 6 = 3 2 c = 2, mistä saadaan alkuarvotehtävän ratkaisu. Auki kirjoitettuna sille saa esimerkiksi esityksen: (t) = 6 (3 (t) + 5 2 (t) + 6 p (t)) ([ 3 ep(t) + 3] = 6 [ 5 5] ep( t) + [ ] [ 6 + t + 6] [ ] ) 2 ep(2t) 4 Tehtävä 6. Määrää seuraavan autonomisen systeemin kriittiset pisteet ja ratakäyrät: (t) = (t) 2 y (t) = (t) 2 + y(t) 2 + (t)y(t) Vastaus: Kriittiset pisteet: 2 = 2 + y 2 + y = = y =, 6. missä alempi ratkaisu saatiin sijoittamalla ylemmän yhtälön ainoa ratkaisu alempaan yhtälöön. Poincaren lausetta ei voida soveltaa, koska Jacobin matriisin determinantti origossa on nolla. Ratakäyrät, kun : D y(t()) = y (t)t () = y (t) (t) = 2 + y 2 + y 2 = + y2 2 + y Tehdään sijoitus u = y/ y = u D y = u + u : u + u = + u 2 + u du d + u 2 = arctan u = log + C u = tan(log + C) y = tan(log + C) + u2 >, 9

y 2 2 C= 5 5 Kuva 7: Ratakäyrä, C =

y 5 5 C= 5 5 Kuva 8: Ratakäyrä, C =

y 3 2 2 3 C= 2 5 5 Kuva 9: Ratakäyrä, C = 2 2

C= y 2 2 5 5 Kuva : Ratakäyrä, C = 3

C= y 2 2 5 5 Kuva : Ratakäyrä, C = 4

y 4 2 2 4 C= 5 5 Kuva 2: Ratakäyrä, C = Tehtävä 7. a) Etsi systeemin perusjärjestelmä. (t) = (t) b) Määrää neljä ensimmäistä Picardin iteraation termiä alkuarvo-ongelmalle (t) = (t), () = Vastaus: [Picardin iteraation termit määrätään systeemeille samalla tavalla kuin yhtälöiden tapauksessa nyt iteraation termit ovat vain vektoriarvoisia funktioita.] 7. 5

a) Merkitään kerroinmatriisia A:lla. Matriisin ainoa ominaisarvo (yläkolmiomatriisin ominaisarvot voidaan lukea lävistäjältä) on λ =. A λi:n ominaisavaruus: (A λi)u = u = r r = e r, r R Koska ominaisavaruuden dimensio on yksi, etsitään lisää muotoa ep(at)u olevia ratkaisuja, joissa (A λi) k u = jollakin (mielellään pienellä) k ja u ovat lineaarisesti riippumattomia. Huomataan, että (A λi) = (A λi) 2 =, (A λi) 3 = Toisen matriisipotenssin ominaisavaruudesta voidaan valita e 2. Ei kuitenkaan ole mahdollista valita tästä ominaisavaruudesta vektoreita, jotka muodostaisivat e :n kanssa R 3 :n kannan, joten tarvittiin vielä kolmas potenssi. Kolmannen matriisipotenssin ominaisavaruudesta valitaan vektori e 3. Lasketaan matriisipotenssien ja valittujen vektorien tulot: Saadaan perusjärjestelmän funktioiksi: (t) = ep(at)e = ep(λit + (A λi)t)e = ep(t) ep((a λi)t)e (A λi)e 2 = e, (A λi)e 3 = e 2, (A λi) 2 e 3 = e = ep(t)(i + (A λi)t + )e = ep(t)(e + (A λi)e t + ) }} = = ep(t)e, 2 (t) = ep(at)e 2 = ep(t)(e 2 + (A λi)e 2 t + (A λi) 2 e 2 2 t2 + ) }} = = ep(t)(e 2 + e t), 3 (t) = ep(at)e 3 = ep(t)(e 3 + (A λi)e 3 t + (A λi) 2 e 3 2 t2 + (A λi) 3 e 3 ( ) = ep(t) e 3 + e 2 t + e 2 t2 3! t3 + ) }} = Helposti voidaan tarkistaa, että nämä ratkaisut todella toteuttavat alkuperäisen yhtälön, ja niiden Wronski nollassa on det [ e e 2 e 3 ] =, joten kyseessä on perusjärjestelmä. 6

Alkuarvotehtävällä () = e + e 2 + e 3 kertoimiksi saataisiin selvästi c = c 2 = c 3 =, eli ( ) (t) = ep(t)e + ep(t)(e 2 + e t) + ep(t) e 3 + e 2 t + e 2 t2 ( ) = ep(t) e + e 2 + e t + e 3 + e 2 t + e 2 t2 = ep(t) (e ( + t + 2 ) t2 ) + e 2 ( + t) + e 3 b) Merkitään annettua alkuarvoa = ja f(t, (t)) = A(t). (t) =, (t) = + = + 2 (t) = + t t t f(s, (s)) ds = + 2 2 ds = + A (s) ds = + 2 2 t, t t A (s) ds = + A + A 2 2 t s ds = + ds 2 2 t + 2 4 = + 2 t + 3 2 t2, t t 2 4 3 (t) = + A 2 (s) ds = + A + A 2 s + A 3 2 s2 ds 2 4 = + 2 t + 3 t 7 2 t2 + 4 2 t2 ds 2 4 = + 2 t + 3 7 2 t2 + 4 6 t3 t 4 3 s ds Vertaamalla iteraatiota 3 tarkkaan a)-kohdan ratkaisuun havaitaan, että iteraatio on kohtuullinen approksimaatti esimerkiksi pisteessä t =. Kuvaajat komponenteittain: 7

y 2 3 4 5 6 7 (t) (t) 2(t) 3(t) 2 3 4 5 6 7 Kuva 3: Ensimmäinen komponenttifunktio 8

y 2 3 4 5 6 7 (t) (t) 2(t) 3(t) 2 3 4 5 6 7 Kuva 4: Toinen komponenttifunktio 9

y 2 3 4 5 6 7 (t) (t) 2(t) 3(t) 2 3 4 5 6 7 Kuva 5: Kolmas komponenttifunktio 2