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

Samankaltaiset tiedostot
4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

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

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Insinöörimatematiikka D

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

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Dierentiaaliyhtälöistä

Dierentiaaliyhtälöistä

Matemaattinen Analyysi

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.

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

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D

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

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-A Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Harjoitus 6 loppuviikko

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

4 KORKEAMMAN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. Kertaluvun n lineaarinen differentiaaliyhtälö ns. standardimuodossa on

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Differentiaaliyhtälöt

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

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

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

y + 4y = 0 (1) λ = 0

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Matemaattinen Analyysi

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Dierentiaaliyhtälöistä

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

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

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

Matemaattinen Analyysi

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

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

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 =

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

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

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

BM20A5830 Differentiaaliyhtälöiden peruskurssi

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

Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

Numeeriset menetelmät

2 Funktion derivaatta

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

Funktion määrittely (1/2)

Jouni Sampo. 15. huhtikuuta 2013

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

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

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

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

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Differentiaaliyhtälöt

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 =

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Transkriptio:

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö Pekka Alestalo, Jarmo Malinen Aalto-yliopisto, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 12.10.2016 Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 1 Lineaa / 8

Prologi: Eulerin kaava Imaginaariyksikkö i on hypoteettinen olio, joka toteuttaa i 2 = 1. Liittämällä imaginääriyksikkö reaalilukualueeseen ja muistamalla yksi uusi laskusääntö saadaan kompleksiluvut C (ks. erillinen moniste). Kompleksiluvut muotoa z = x + iy, jossa x, y R. Kun eksponenttifunktion sarjakehitelmään sijoitetaan muuttujan paikalle ix ja ryhmitellään reaaliset termit erikseen, niin saadaan Eulerin kaava e ±ix = cos x ± i sin x. Taululla! Tästä voidaan johtaa esitykset cos x = 1 2 ( e ix + e ix), sin x = 1 2i ( e ix e ix), x R. Besonderes Gesamtkunstwerk e iπ + 1 = 0, joka sitoo toisiinsa tärkeimmät luvut 0, 1, i, e ja π sekä kolme laskutoimitusta. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 2 Lineaa / 8

Lineaarinen differentiaaliyhtälö Korkeamman kertaluvun DY on harvoin ratkaistavissa ekplisiittisesti kaavan avulla, paitsi jos yhtälö on lineaarinen. Kertalukua n oleva lineaarinen differentiaaliyhtälö on muotoa a n (x)y (n) + a n 1 (x)y (n 1) + + a 1 (x)y + a 0 (x)y = r(x), jossa jatkuvat funktiot a k (x) ja r(x) on annettu. Lineaarisuus viittaa siihen, että ratkaisu y derivaattoineen ei esiinny yhtälössä epälineaaristen funktioiden kautta. Yhtälö on homogeeninen, jos kuormafunktio toteuttaa r(x) 0. Muussa tapauksessa yhtälö on epähomogeeninen. Se on vakiokertoiminen, jos jokainen kerroin a k (x) = vakio. Huom: Kerroin a n (x) voidaan jakaa pois ilman seuraamuksia, jos sillä ei ole nollakohtia. Oletetaan jatkossa, että a n (x) 0 välillä x I. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 3 Lineaa / 8

Homogeeninen lineaarinen differentiaaliyhtälö I Lineaarisen homogeenisen DY:n ratkaiseminen välillä I perustuu tähän: (i) Jos y 1 ja y 2 ovat yhtälön ratkaisuja, niin myös lineaarikombinaatio y = C 1 y 1 + C 2 y 2 on ratkaisu mielivaltaisilla C 1, C 2 C. Taululla! (ii) Yhtälöllä on välillä I määritellyt perusratkaisut y 1 (x),..., y n (x), joiden avulla saadaa yleisen ratkaisun lauseke y(x) = C 1 y 1 (x) + + C n y n (x) missä C 1,..., C n C ovat vakioita. Sanotaan, että y 1,..., y n muodostavat ratkaisuavaruuden kannan. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 4 Lineaa / 8

Homogeeninen lineaarinen differentiaaliyhtälö II (iii) Yksityisratkaisu saadaan yleisen ratkaisun lausekkeesta, jos vaaditaan alkuehdot y(x 0 ) = α 0, y (x 0 ) = α 1,..., y (n 1) (x 0 ) = α n 1 jossakin pisteessä x 0 I. (iv) Yleisen ratkaisun lauseke antaa kaikki mahdolliset ratkaisut. Mitään ylimääräisiä erikoisratkaisuja ei ole olemassa (vrt. yleinen separoituva yhtälö). Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 5 Lineaa / 8

Homogeeninen lineaarinen differentiaaliyhtälö III Tehtäväksi jää siis keksiä jollain tavalla perusratkaisut y 1 (x),..., y n (x), joita tarvitaan vieläpä olennaisesti erilaisia n kappaletta n. kertaluvun differentiaaliyhtälölle. Määritelmä Välillä I R määritellyt funktiot y 1,..., y n ovat lineaarisesti riippumattomia (LRT), jos pätee: c 1 y 1 (x) + +c n y n (x) = 0 kaikilla x I c 1 =c 2 = = c n = 0. Lineaarisen riippumattomuuden määritelmä on sama kuin matriisilaskun yhteydessä esitetty. Kahden funktion y 1, y 2 tapauksessa LRT tarkoittaa sitä, ettei suhde y 2 (x)/y 1 (x) ole vakiofunktio. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 6 Lineaa / 8

Vakiokertoiminen tapaus I Vakiokertoimisen lineaarisen ja homogeenisen DY:n tapauksessa perusratkaisujen löytämiselle on olemassa resepti. 2. kertaluvun DY:lle y + py + qy = 0 yleinen ratkaisu voidaan selvittää täydellisesti kaikilla vakioiden p, q R arvoilla tällä reseptillä: Sijoitetaan yhtälöön yrite y(x) = e λx. Tulos johtaa ns. karakteristiseen yhtälöön λ 2 + pλ + q = 0, jossa on täsmälleen samat kertoimet kuin DY:ssä. Tämä taululla! Ratkaistaan karakteristisen yhtälön juuret λ 1, λ 2 C. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 7 Lineaa / 8

Vakiokertoiminen tapaus II Kaksiulotteisen (n = 2) ratkaisuavaruuden kanta saadaan käsittelemällä erikseen kolme tapausta: (i) Jos juuret ovat erisuuret ja reaaliset, niin suoraan y 1 (x) = e λ1x ja y 2 (x) = e λ2x. (ii) Jos kyseessä on (reaalinen) kaksoisjuuri λ = λ 1 = λ 2, niin y 1 (x) = e λx ja y 2 (x) = xe λx. Perustelu: Taululla. (iii) Jos juuret ovat muotoa λ = a ± bi, b 0, niin y 1 (x) = e ax cos(bx) ja y 2 (x) = e ax sin(bx). Perustelu: Taululla Eulerin kaavalla e (a±bi)x = e ax e ±ibx = e ax( cos(bx) ± i sin(bx) ). Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 8 Lineaa / 8

Esimerkki Ratkaise DY y + y 6y = 0 alkuehdoilla y(0) = 0, y (0) = 5. Ratkaisu: Karakteristinen yhtälö on λ 2 + λ 6 = 0, jonka juuret ovat λ 1 = 3 ja λ 2 = 2. Yleinen ratkaisu on muotoa y(x) = C 1 e 3x + C 2 e 2x, jolloin y (x) = 3C 1 e 3x + 2C 2 e 2x. Alkuehdoista saadaan yhtälöpari { 0 = y(0) = C 1 + C 2 5 = y (0) = 3C 1 + 2C 2, josta C 1 = C 2 = 1. Alkuehdot toteuttava ratkaisu on siis y(x) = e 2x e 3x. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 8 Lineaa / 8

Esimerkki Ratkaise vaimennetun värähtelijän differentiaaliyhtälö mx (t) + µx (t) + kx(t) = 0, t 0, jossa fysikaaliset vakiot toteuttavat m, µ, k 0. Ratkaisu: Karakteristisen polynomien nollakohtien perusteella tulee erottaa kolme tapausta k m µ2 4m 2 < 0, k m µ2 4m 2 = 0, k m µ2 4m 2 > 0, joita kutsutaan alivaimennetuksi, kriittisesti vaimennetuksi ja ylivaimennetuksi. Taululla. Pekka Alestalo, Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto, MS-A010{3,4,5} Matematiikan ja (ELEC*, systeemianalyysin ENG*) Differentiaali- laitos) ja integraalilaskenta 12.10.20161 Luento 11: 8 Lineaa / 8