Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Samankaltaiset tiedostot
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.

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Insinöörimatematiikka D

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

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

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

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

Insinöörimatematiikka D

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

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

Insinöörimatematiikka D

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Insinöörimatematiikka D

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 4

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

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

Insinöörimatematiikka D

Luento 11: Periodinen liike

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

4 Korkeamman kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Osoita, että eksponenttifunktio ja logaritmifunktio ovat differentiaaliyhtälön

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Dissipatiiviset voimat

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, kevät 2017 Harjoitus 3

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Insinöörimatematiikka D

Differentiaalilypsämöt II Harjoitus 1

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

y + 4y = 0 (1) λ = 0

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Luento 14: Periodinen liike, osa 2

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Luento 18: Kertausluento

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

Matemaattinen Analyysi

Dierentiaaliyhtälöistä

Matemaattiset apuneuvot II, harjoitus 3

Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

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

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

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

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Differentiaaliyhtälöt

Luento 11: Periodinen liike

Matemaattinen Analyysi

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

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

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

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

4. Differentiaaliyhtälöryhmät 4.1. Ryhmän palauttaminen yhteen yhtälöön

vakiokertoimisen toisen kertaluvun lineaarisen homogeeniyhtälön yleinen muoto on p 2 y +p 1 y +p 0 y = 0. (1)

10. Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

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

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

- suurempi voima aiheuttaa nopeampaa liikettä kuin pieni voima - samanlainen voima aiheuttaa samalle kappaleelle aina samanlaisen vaikutuksen

Kertausta: Vapausasteet

Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6

e ax, kun x > 0 f(x) = 0, kun x < 0, 0, kun x > 0 e ax, kun x < 0 e (a iω)x dx = a+iω = 1 a 2 +ω 2. e ax, x > 0 e ax, x < 0,

Laplace-muunnos: määritelmä

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

Luento 13: Periodinen liike

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

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

Luku Lineaarinen harmoninen oskillaattori

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

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

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 =

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

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

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

Dierentiaaliyhtälöistä

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

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

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 =

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

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Transkriptio:

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö x 2 y xy =1/x. 1 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 1/20 20

Esimerkki 2 Ratkaise differentiaaliyhtälö x(ln y)y y ln x =0. 2 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 2/20 20

Esimerkki 3 Ratkaise differentiaaliyhtälö d 2 r dt 6dr +9r =0. 2 dt 3 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 3/20 20

Esimerkki 4 Ratkaise differentiaaliyhtälö d 3 y y dx 3 +2d2 dx +2dy 2 dx =0. 4 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 4/20 20

Esimerkki 5 Ratkaise differentiaaliyhtälö ẍ 4ẋ = t 2. 5 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 5/20 20

Vakiokertoimiset n:n kertaluvun yhtälöt d n x a n dt n +...a dx 1 dt + a 0 = f(t). Etsitään homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu Yrite x(t) =e kt a n k n +...a 1 k + a 0 =0. 1-kertainen -juuri: ratkaisu e kt. m-kertainen juuri: m LI ratkaisua e kt,te kt,...,t m 1 e kt. -juuriparia ρ ± iω: ratkaisut e ρt sin(ωt) ja e ρt cos(ωt). Jos juuripari ρ ± iω on m-kertainen, vastaa sitä 2m ratkaisua e ρt cos(ωt),e ρt sin(ωt),te ρt cos(ωt),te ρt sin(ωt),......t m 1 e ρt cos(ωt),t m 1 e ρt sin(ωt). Epähomogeenisen yhtälön yksittäisratkaisu etsitään yritemenetelmällä kuten 2. kl:n yhtälön tapauksessa. 6 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 6/20 20

Harmoninen värähtelijä mẍ = kx ẋ = ω 2 x, Ratkaisu (HT:osoita, että...) (ω 2 = k/m) x(t) =A cos(ωt)+b sin(ωt) =M cos(ωt φ), missä M = A 2 + B 2, tan φ = B/A. Vaimennettu värähtelijä: mẍ + µẋ + kx =0 ẍ + λẋ + ω 2 x =0, Karakteristisen yhtälön ratkaisu k = λ 2 ± 1 2 λ2 4ω 2. λ 2 > 4ω 2 : ylivaimennettu, λ =4ω 2 : kriittinen vaimennus, λ<4ω 2 : alivaimennettu. HT: kirjoita ratkaisu x(t) em. kolmessa tapauksessa. (λ = µ/m) 7 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 7/20 20

Alivaimennettu ratkaisu Karakteristisen yhtälön juuret: k = λ/2 ± iσ, missä σ = 1 2 4ω2 λ 2. x(t) =e λt/2 (A cos(σt)+b sin(σt)). Värähtelee, mutta amplitudi pienenee eksponentiaalisesti. (ks. harj. 4/ tehtävä 4.) 8 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 8/20 20

Esimerkki Viikolla 3 ratkaistiin yhtälö Ratkaisuksi saatiin ẍ + x =8cost. x(t) =A cos t + B sin t +4t sin t. Tässä ratkaisussa oskillaatiot voimistuvat ajan kuluessa. Millaista fysiikkaa tämä kuvaa? 9 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 9/20 20

Pakotettu oskillaattori Lisätään harmoniseen oskillaattoriin ulkoinen pakote: HY:n ratkaisu oli ẍ + ω 2 x = a cos(αt). x(t) =A cos(ωt)+b sin(ωt), eli värähtelee ominaistaajuudella f = ω 2π. Ulkoiseen pakotteeseen liittyy taajuus α 2π. Mitä tapahtuu jos α ω? Esimerkki: lasin särkyminen (harj. 4 teht. 4 ja S1) 10 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 10/20 20

Esimerkki (Pesukone) Oletetaan, että liike vain x-suunnassa. MKP:n paikka X = mr cos θ Mx M + m. Oletetaan, että θ = α (vakio), jolloin X = mr cos(αt) Mx. M + m Newton II: (M + m) d2 X dt = kx. 2 Tämä yksinkertaistuu muotoon (HT) Mẍ + kx = mrα 2 cos(αt). 11 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 11/20 20

Esimerkki (Pesukone) Jos m =0, systeemi on harmoninen värähtelijä: ẍ + ω 2 x =0, ω 2 = k/m. Jos m 0ja r 0, ẍ + ω 2 x = a cos(αt), a = mrα 2 /M. Tarkastellaan ratkaisuja tapauksissa α ω, α = ω. 12 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 12/20 20

Esimerkki (Pesukone) Kun α ω: Etsitään epähomogeenisen yhtälön yksittäisratkaisu yritteellä x p = C cos(αt). Tämän avulla saadaan Yleinen ratkaisu on siten C = a ω 2 α 2. x(t) =M cos(ωt φ)+ a ω 2 α 2 cos(αt). 13 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 13/20 20

Esimerkki (Pesukone) Otetaan sitten α = ω. Nyt on käytettävä yritettä x p = Ctsin(ωt)+Dt cos(ωt). Tämän avulla saadaan Ja yleinen ratkaisu on x p (t) = a 2ω t sin(ωt). A sin(ωt)+b cos(ωt)+ a 2ω t sin(ωt). Tämä on ns. resonanssi: ulkoinen pakote ominaistaajuudella α = ω vahvistaa systeemin oskillatioita. 14 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 14/20 20

Pseudoresonanssi Palataan nyt vaimennettuun värähtelijään, ja lisätään siihen ulkoinen pakote. ẍ + λẋ + ω 2 x = a cos(αt). Tarkastellaan nyt tilannetta λ 2 < 4ω 2. HY:n ratkaisu on x h (t) =e λt/2 (A cos(σt)+b sin(σt)). Etsitään epähomogeenisen yhtälön yksittäisratkaisu: Sijoitetaan yrite x p (t) =C sin(αt)+d cos(αt), ja saadaan C = D = aαλ (ω 2 α 2 ) 2 +(λα), 2 a(ω 2 α 2 ) (ω 2 α 2 ) 2 +(λα). 2 15 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 15/20 20

Ratkaisu kuvaa värähtelyä, jonka amplitudi on (ks. s. 7) R(α) = a (ω 2 α 2 ) 2 +(λα) 2. Tällä on maksimi kun ts. α 2 = ω 2 (1/2)λ 2. Kun α = ω, on 4α(ω 2 α 2 )+2λ 2 α =0, R max (λ) = 2a λ 4ω 2 λ 2. 16 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 16/20 20

EXTRA: ei-vakiokertoimiset yhtälöt Harjoitusten 3 ja 4 S-tehtävissä olemme konstruoineet homogeeniselle yhtälölle d 2 x dt + p(t)dx + q(t)x =0 2 dt kaksi LI ratkaisua, x 1 (t) ja x 2 (t). Yhtälön yleinen ratkaisu on siten x h (t) =Ax 1 (t)+bx 2 (t). Seuraavaksi tarkastellaan miten löydetään epähomogeenisen yhtälön d 2 x dt + p(t)dx + q(t)x = g(t) 2 dt yksittäisratkaisu x p (t), ja näin yleinen ratkaisu x(t) =x h (t)+x p (t). 17 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 17/20 20

Lähdetään etsimään ratkaisua muodossa x p (t) =u 1 (t)x 1 (t)+u 2 (t)x 2 (t). Sijoittamalla yrite differentiaaliyhtälöön saadaan yksi yhtälö, joka funktioiden u 1 ja u 2 on toteutettava. Koska tuntemattomia funktioita on kaksi, tarvitaan myös toinen yhtälö. Tämän relaation voimme valita vapaasti, ja tehdään valinta, joka helpottaa laskuja: Tämän avulla saadaan u 1 x 1 + u 2 x 2 =0. ẋ p = u 1 ẋ 1 + u 2 ẋ 2. ẍ p = u 1 ẋ 1 + u 1 ẍ 1 + u 2 x 2 + u 2 ẍ 2. 18 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 18/20 20

Sijoitus differentiaaliyhtälöön antaa (kun muistetaan, että x 1 ja x 2 ovat HY:n ratkaisuja) Näin on siis saatu yhtälöryhmä u 1 ẋ 1 + u 2 ẋ 2 = g(t). u 1 x 1 + u 2 x 2 =0, u 1 ẋ 1 + u 2 ẋ 2 = g(t). Määritellään W (t) =x 1 ẋ 2 x 2 ẋ 1. Tämän avulla ja saadaan x p (t) = x 1 (t) u 1 = x 2(t)g(t), W (t) u 2 = x 1(t)g(t). W (t) x2 (t)g(t) dt + x 2 (t) W (t) x1 (t)g(t) dt. W (t) 19 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 19/20 20

EXTRA: esimerkkejä Käytetään edellä johdettua tulosta Esimerkki Etsi yhtälön yksittäisratkaisu. ẍ +ẋ 6x =5e 3t Esimerkki Etsi yhtälön yksittäisratkaisu. ẍ + x =tan(t) 20 / K. Tuominen kimmo.i.tuominen@helsinki.fi MApu II 20/20 20