Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1

Samankaltaiset tiedostot
Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

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

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Matemaattinen Analyysi

Dierentiaaliyhtälöistä

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

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

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 =

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

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

5 Differentiaalilaskentaa

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

Matematiikan tukikurssi

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

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

Matemaattinen Analyysi

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

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan tukikurssi

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Matematiikan tukikurssi

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

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

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

2 Funktion derivaatta

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

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

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

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

Täydellisyysaksiooman kertaus

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

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Poistumislause Kandidaatintutkielma

Differentiaaliyhtälöt

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

Matematiikan peruskurssi 2

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Dierentiaaliyhtälöistä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

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

2 Funktion derivaatta

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Seurauksia. Seuraus. Seuraus. Jos asteen n polynomilla P on n erisuurta nollakohtaa x 1, x 2,..., x n, niin P on muotoa

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

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

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Matematiikan tukikurssi

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

Transkriptio:

Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1 Heikki Korpela 22. maaliskuuta 217 Tehtävä 1. Ratkaise seuraava differentiaaliyhtälösysteemin alkuarvotehtävä { y 1 = λ 1 y 1, y 1 ) = y y 2 = λ 1 y 1 λ 2 y 2, y2) =, missä λ 1 > ja λ 2 > ovat vakioita. Etene seuraavasti a) Ratkaise y 1 ensimmäisestä differentiaaliyhtälöstä. b) Sijoita a)-kohdassa saatu y 1 toiseen yhtälöön ja ratkaise y 2. c) Anna esimerkki tilanteesta, jota differentiaaliyhtälösysteemillä voidaan mallintaa. Vastaus: 1. a) Todetaan ensin triviaaliratkaisu y 1 y =. Etsitään sitten saparoinnilla nöf!) muut ratkaisut: dy 1 dx = λ 1y 1 y 1x) y 1 x) dx = λ 1 log y 1 t) log y 1 ) = λ 1 t log y 1 t) y = λ 1t y 1 t) y = exp λ 1t) y 1 t) = zy exp λ 1 t) Ol. y 1 1 dx z = sgny 1t)/y ) Koska y 1 ) = y exp) = 1y, z = +1. Sallimalla y = saadaan mukaan triviaaliratkaisu. b) Sijoittamalla saadaan: y 2 + λ 2 y 2 = λ 1 y exp λ 1 x) Integroivaksi tekijäksi voidaan valita exp λ 2 dx = expλ 2 x). 1

Tästä expλ 2 x)y 2 + λ 2 y 2 ) = λ 1 y expλ 2 λ 1 )x) D x expλ 2 x)y 2 x)) = λ 1 y expλ 2 λ 1 )x) D x expλ 2 x)y 2 x)) dx = λ 1 y expλ 2 λ 1 )x) expλ 2 t)y 2 t) exp) y 2 ) = λ 1y }{{} λ 2 λ 1 = t/ expλ 2 λ 1 )x) y 2 t) = exp λ 2 t) λ 1y λ 2 λ 1 expλ 2 λ 1 )t) exp ) = λ 1y λ 2 λ 1 exp λ 1 t) expλ 2 t)) c) Tarkastellaan tilannetta alkuarvon y merkin mukaan. Jos y >, selvästi y 1 kuvaa eksponentiaalisesti jostain alkuarvosta lähtien vähenevää prosessia, missä vähenemä on logaritmisessa mielessä, suhteutettuna y 1 :n määrään kullakin hetkellä) vakiotahtista. Vastaavasti y 2 kuvaa prosessia, joka yhtäältä lisääntyy kullakin hetkellä saman verran kuin y 1 vähenee saa syötteenä y 1 :n vähenemän), mutta samalla myös itse vähenee vuotaa ) eksponentiaalisesti, jälleen logaritmisessa mielessä) vakiotahtia. Kyseessä voisi olla esimerkiksi erityistapaus saalis-peto-mallista, jossa a) saalispopulaatiolla ei välttämättä eliöitä, malli voi perustua analogiaan) on jokin alkutila y, ja normaalioloissa ilman saalistusta se uusiutuu kullakin populaation koolla tismalleen luonnollisen kuolleisuuden verran vaihtoehtoisesti voitaisiin esim. ajatella jotain niin lyhyttä ajanjaksoa, että luonnollinen kuolleisuus voidaan sivuuttaa, tai että se on muuten vakio ilman ulkoista painetta) b) petopopulaation kasvu riippuu yhtäältä tarjolla olevan saalispopulaation määrästä ja kuolleisuudesta, jota tapahtuu vakioisessa suhteessa petojen määrään esimerkiksi petojen lisääntyessä ne alkavat tappelemaan ruoasta riippumatta ruoan määrästä); hieman häiritsevä oletus siitä, että petopopulaation y 2 koko on alussa, voitaneen sivuuttaa ajattelemalla, että pedot hakeutuvat ruokaa etsien tarkastelun kohteena olevalle alueelle ja jäävät sinne, jos ruokaa on tarjolla Toinen esimerkki voisi olla liuossysteemi, jossa annetaan alkusyöte y astiaan y 1, josta ainetta siirtyy astiaan y 2 vakioisessa suhteessa aineen määrään astiassa y, ja astiasta y 2 sitä siirtyy ulos vakioisessa suhteessa. Jos taas y <, y 1 :n käyttäytyminen muuttuukin eksponentiaaliksi kasvuksi, joka lähestyy asymptoottisesti nollaa sen alapuolelta. Monisteen sovelluksista esimerkiksi voisi käydä SIS-tartuntatautimallin versio, jossa y 1 kuvaa sairaudelle alttiita henkilöitä, jotka sairastuvat vakioisessa suhteessa alttiiden henkilöiden määrään mutta kerran sairastuttuaan hankkivat immuniteetin tai kuolevat pois, eli alttiiden henkilöiden määrä ei lisäänny) ja y 2 kuvaa sairaita henkilöitä, jotka paranevat tai kuolevat jossain vakioisessa suhteessa sairaiden henkilöiden määrään. Tehtävä 2. Ovatko seuraavat funktiot Lipschitz-jatkuvia reaaliakselilla? a) hx) = x 2 b) hx) = x 1/3 c) hx) = x 2. Vastaus: 2

a) Ei. Vastaoletus: olkoon M Lipschtikka-vakio. Olkoon x = M + 1. Nyt hx) h) x = x2 x = x = x > M, mikä on ristiriita Lip-väitteen hx) h) M x kanssa. b) Ei. Vastaoletus: olkoon M Lipschtick-vakio. Nyt voidaan valita luku x väliltä, M 3/2 ), jolloin missä hx) h) x = x1/3 x = x 2/3 = x 2/3, < x < 1 M 3/2 M 3/2 < 1 x ) 2/3 1 x 2/3 = > M 3/2) 2/3 3 = M 2 2 3 = M, x mikä on ristiriita Lip-väitteen hx) h) M x kanssa. c) On. Olkoot x y lukuja. Nyt hx) hy) x y joten luku 1 käy Lipschervice-vakioksi. = x y x y x y x y = 1, Tässä hyödynnettiin erästä kolmioepäyhtälön muotoa x y x y x, y R. Tehtävä 3. Määrää kolme ensimmäistä Picardin iteraation termiä alkuarvo-ongelmalle y = y, y) = 2, ja vertaa tarkkaan ratkaisuun. Vastaus: Funktiona kaavassa on fx, yx)) = x yx). Tähtilaivan kapteeneista harva Picard iteroi kuin ite Harvard-Roi: 3. y x) = y = 2, y 1 x) = 2 + y 2 x) = 2 + y 3 x) = 2 + ft, y ) dt = 2 + ft, y 1 t)) dt = 2 + ft, y 2 t)) dt = 2 + 2 2 dt = 2 2x, 1)2 2t) dt = 2 + 2 t 1 dt = x 2 2x + 2 1 2 x2 + x 1 dt = 1 3 x3 + x 2 2x + 2 3

Tarkka ratkaisu separoimalla: dy dx = y dy = 1 dx y y x) yx) = t/ ln yx) = t 1 dx ln yt) ln y) = t }{{} =2 yt) = exp t) expln2)) yt) = z2 exp t), z = sgn yt) jossa tiedosta y) = z2 exp) = 2z = 2 saadaan z = +1. Picardin iteraatio vastaa y:n Taylorin kolmannen asteen polynomia pisteessä ja approksimoi lähellä origoa y:tä varsin hyvin. Lasketaan tämän vahvistamiseksi pari ensimmäistä derivaattaa toki voisi käyttää myös suoraan eksponenttifunktion sarjakehitelmää): y t) = yt), y t) = yt), y 3) t) = yt) y i) x ) yt) = x x ) i y i) ) = x) i i! i! i=1 = 2 exp) x +! i=1 2 1) exp) 1! = 2 2x + x 2 1 3 x3 +... x 1 + 2 exp) x 2 + 2! 2 1) exp) x 3 +... 3! 4 y = 2 exp x) y 1 = 2x + 2 y 2 = x 2 2x + 2 y 3 = 1 3 x2 + x 2 2x + 2 y 2 1.5.5 1 x 4

Tehtävä 4. Määrää kolme ensimmäistä Picardin iteraation termiä alkuarvo-ongelmalle y = cos x, y) =. Mitä huomaat? Kuinka selität havaintosi? Vastaus: Funktiona on tällä kertaa fx, yx)) = cos x + y. Iteraatio: 4. y x) = y =, y 1 x) = + y 2 x) = + y 3 x) = sin x ft, y ) dt = + ft, y 1 t)) dt = + Todetaan myös ilmeinen AAT:n eksakti ratkaisu: sin t dt = + sin x sin = sin x, cos t dt = sin x, y x) dx = yt) y) }{{} = cos x dx t/ sin x = sint) sin) = sint) Picardin iteraatio konvergoi välittömästi täsmälleen oikeaan ratkaisuun. Kun muotoa y = fx) f on y:n suhteen vakiofunktio) olevaan differentiaaliyhtälöön haetaan määrätyn integraalin avulla avulla alkuarvo-ongelman ratkaisua, kyseessä on itse asiassa vain analyysin peruslauseen soveltaminen. Iteraatioonhan sijoitetaan kussakin vaiheessa edellisestä vaiheesta saatu integraalifunktio f:n toisena argumenttina, ja f taas on tämän argumentin suhteen vakiofunktio. Siis kunhan analyysin peruslauseen oletukset ovat tilanteessa voimassa, Picardin funktiojono antaa oikean tuloksen jo ensimmäisellä iteraatiolla y 1 ; tilanne ei muutoin liity funktion fx) tai pisteiden x, y valintaan. Tietyssä mielessä iteraatiossa siis ammutaan kärpästä singolla; toisaalta on tietysti mukavaa tietää, että Picard-Lindelöfin teoreema soveltuu myös tähän tilanteeseen. Tehtävä 5. a) Toteuttaako funktio fx, y) = expx) log1 + y 2 ) lokaalin olemassaolo- ja yksikäsitteisyyslauseen Lause 4.4 luentomonisteessa) ehdot alueessa D = {x, y) R 2 : < x < 2, y R}? Eli onko f jatkuva ja toteuttaako se lokaalin Lipschitz-ehdon muuttujan y osalta? b) Onko f tasaisesti Lipschitz-jatkuva muuttujan y suhteen alueessa D? Vastaus: 5. a) f on jatkuvien kuvausten eksponenttifunktio, logaritmi määrittelyjoukossaan ja kaikkialla positiivinen polynomifunktio) yhdistettynä kuvauksena jatkuva. Koska, 2) ja R ovat kokonaisia avoimia välejä, niiden karteesisena tulona määrätyssä suorakulmiossa alueessa) voidaan aina valita kullakin x, y ) jokin siihen kokonaan sisältyvä rajoitettu suljettu suorakaide K. Täsmällisemmin: oletetaan x, y D, eli < x < 2, y R. Valitaan ɛ = 1 2 min{x, 2 x }), jolloin selvästi < x ɛ < x + ɛ < 2 ja < y ɛ < y + ɛ <, ja edelleen K = {x, y) R 2 : x x ɛ, y y ɛ} D 5

Tämän voi nähdä suoraan tai tarkistaa: ) x x ɛ x ɛ x x + ɛ, ja ɛ 1 2 x ɛ 1 2 x x ɛ x 1 2 x = 1 2 x >, ja ɛ 1 1 2 x x + ɛ x + 1 1 2 x = 1 + 1 2 x < 1 + 1 2 2 = 2 Tarkistetaan lokaali Lipschitz-ehto lemman 4.2 avulla tarkistamalla f:n osittaisderivaatta y:n suhteen 2y D y f = expx) 1 + y 2, joka on jatkuva, koska eksponenttifunktio on jatkuva ja rationaalifunktio t 2t 1+t on jatkuva 2 nimittäjä ei saavuta nollaa). Siis f toteuttaa lokaalin Lipschitz-ehdon muuttujan y osalta D:ssä. b) Tutkitaan, löytyisikö edellisen tehtävän osittaisderivaatalle jopa globaali maksimi. Selvästi voidaan arvioida ylhäältä asettamalla x = 2. Merkitään g : R R, gy) = f2, y). Tutkitaan sitten maksimointitehtävää max y R g y) = max exp2) 2y y R 1 + y 2, Tutkitaan tämän lausekkeen derivaattaa y:n suhteen: g y) = D yy f2, y) = exp2)2 1 + y2 ) 2y 2 1 + y 2 ) 2 = exp2)2 1 y2 1 + y 2 ) 2 1 y 2 y 2 1 1 y 1, eli toisen kertaluvun osittaisderivaatta on kasvava tasan silloin, kun 1 y 1, ja vähenevä muulloin. Tämän perusteella se saavuttaa jopa globaalin maksiminsa pisteessä 1, eli max y R max x,2) D y fx, y) = exp2)d y f2, 1) = exp2) 2 2 = exp2). Oletetaan, että x, 2), ja y 1, y 2 R, y 1 y 2. Voidaan olettaa, että y 1 > y 2. f on y:n suhteen jatkuva välillä [y 1, y 2 ] ja derivoituva välillä y 1, y 2 ). Lisäksi f on aidosti kasvava sekä x:n että y:n suhteen, eli fx, y) < f2, y) kaikilla x, 2) koska eksponenttifunktio on aidosti kasvava) ja fx, y 1 ) fx, y 2 ) > kaikilla y 1 > y 2 koska logaritmi on aidosti kasvava). Saadaan fx, y 1 ) fx, y 2 ) y 1 y 2 = fx, y 1) fx, y 2 ) y 1 y 2 < f2, y 1) f2, y 2 ) y 1 y 2 = gy 1) gy 2 ) y 1 y 2 = g ξ) max y R g y) = exp2) = M, joten f on tasaisesti Lip-jva muuttujan y suhteen D:ssä. 6

Tehtävä 6. Pakotettu vaimentamaton harmoninen värähtelijä. Differentiaaliyhtälöt I kevät 217) -kurssilla Harjoitusten 5 tehtävässä 6 tarkasteltiin harmonista värähtelijää, joka värähteli luonnollisella kulma)taajuudellaan ω. Lisätään yhtälöön harmonista värähtelijää liikuttamaan sinimuotoinen voima, jonka amplitudi on F > ja taajuus α ω, jolloin saadaan alkuarvotehtävä a) Ratkaise alkuarvotehtävä. b) i. Määritä lim α ω yx). y + ω 2 y = F sinαx), y) = y ) =. ii. Etsi jonot x + n ja x n siten, että x + n ja x n kasvavat rajatta ja lim lim n α ω yx+ n ) =, lim lim n α ω yx n ) =. Tilannetta kutsutaan puhtaaksi resonanssiksi, ja sovelluksesta riippuen siitä on joko haittaa tai hyötyä. [Vinkki b)-kohtaan 1: L Hôpital; 2. kohdan tilannetta voi tarkastella videosta: http://www. youtube.com/watch?v=be827gwnnk4 Vastaus: 6. a) Homogeeniyhtälön y + ω 2 y = karakteristinen yhtälö on r 2 + r + ω 2 = r 2 = ω 2 r = ±iω, eli sen perusjärjestelmä on y 1, y 2 ) = cos ωx, sin ωx). EHY:n yksittäisratkaisuksi kokeillaan yritettä y p = A sinbx): y p = AB cosbx) y p = AB 2 sinbx) y p + ω 2 y = AB 2 + ω 2 A) sinbx) = F sinαx) B = α ω 2 A Aα 2 = F A = F ω 2 α 2 Siis, kunhan käsillä ei ole tilanne, jossa jokin olio olisi yhtä aikaa α = ω, ensimmäinen ja viimeinen, alku ja loppu vrt. Ilm. 22:13, Ilm. 1:8, Ilm. 21:6) yx) = C 1 cosωx) + C 2 sinωx) + F ω 2 α 2 sinαx) y) = C 1 cos) + C 2 sin) + F ω 2 α 2 sinαx) = C 1 = y x) = C 2 ω cosωx) + F ω 2 α 2 cosαx) y ) = C 2 ω1 + F α ω 2 α 2 1 = F α C 2 = ωα 2 ω 2 ) F α yx) = ωα 2 ω 2 ) sinωx) + F ω 2 α 2 sinαx) F = ω 2 α 2 sinαx) α ) ω sinωx) 7

b) i. Todetaan, että raja-arvo on tyyppiä /, merkitään yx) = fα) gα), missä fα) = F sinαx) α ω sinωx) ), gα) = ω 2 α 2, fα) = ω 2 α 2 α ω, gα) = F sinαx) α ) ω sinωx) α ω F 1 1 1 ) sinωx)) =, ja sekä osoittaja- että nimittäjäfunktio ovat jopa äärettömän monta kertaa derivoituvia muuttujan α suhteen. Lasketaan nämä derivaatat: D α f = F x cosαx) 1 ) ω sinωx), D α g = 2α, missä g α) jossain ω:n punkteeratussa ympäristössä. Raja-arvo: D α fα) D α gα) = F x cosαx) 1 ω sinωx) 2α = F sinωx) ωx cosαx) 2ω α α ω F sinωx) ωx cosωx)) 2ω2 Koska oletuksesta ω seuraa, että tämä on hyvin määritelty raja-arvo, se on L Hospitalin säännön mukaan myös y:n raja-arvo, kun α ω. ii. Valitaan ensin vaikkapa x + n = 1 ω 2n+1). Tällöin pätee kuvauksen jatkuvuuden nojalla lim α ω yx+ n ) = F sinωx + 2ω 2 n ) ωx + n cosωx + n ) ) sin ω 1 ω ) 2n + 1) ω 1 ω ωn 2n + 1) cos 1 ω )) 2n + 1) = F 2ω 2 = F sin2n + 1)) 2n + 1) cos2n + 1))) 2ω2 = F 2ω 2 2n + 1) 1)) = F n 2n + 1), 2ω2 koska F oli positiivinen, ω ja sin2n + 1)) =, cos2n + 1)) = 1 kaikilla n Z. Vastaavasti, kun x n = 1 ω 2n), niin lim α ω yx n ) = F sinωx 2ω 2 n ) ωx n cosωx n ) ) sin ω 1 ω ) 2n) ω 1 ω ωn 2n) cos 1 ω )) 2n) = F 2ω 2 = F sin2n)) 2n) cos2n))) 2ω2 = F 2ω 2 2n) 1)) = F n 2n) 2ω2, 8