Den homogene ligning. Vi betragter den n te ordens, homogene, lineære differentialligning. d n y dt n. an 1 + any = 0 (1.2) dt. + a1 d n 1 y dt n 1

Relaterede dokumenter
Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

MM502+4 forelæsningsslides

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Indhold. Litteratur 11

DesignMat Lineære differentialligninger I

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [DL] 1, 2

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

DesignMat Lineære differentialligninger I

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

Førsteordens lineære differentialligninger

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

af koblede differentialligninger (se Apostol Bind II, s 229ff) 3. En n te ordens differentialligning

(c) Opskriv den reelle Fourierrække for funktionen y(t) fra (b), og afgør dernæst om y(t) er en lige eller ulige funktion eller ingen af delene.

Gamle eksamensopgaver (DOK)

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

MATEMATIK 3 EN,MP 30. august 2013 Oversigt nr. 1

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Mat H 2 Øvelsesopgaver

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Her skal du lære om 1. Talfølge og talrække 2. Afsnitssum 3. Konvergens 4. Konvergente rækker har små led 5. Regneregler

Taylorudvikling I. 1 Taylorpolynomier. Preben Alsholm 3. november Definition af Taylorpolynomium

DOK-facitliste DOK. DOK-facitliste 1

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

2. Fourierrækker i en variabel

12.1 Cayley-Hamilton-Sætningen

n=1 er veldefineret for alle følger for hvilke højresiden er endelig. F.eks. tilhører følgen

Eksamen i Calculus. Onsdag den 1. juni Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet

Egenværdier og egenvektorer

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

z + w z + w z w = z 2 w z w = z w z 2 = z z = a 2 + b 2 z w

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 6

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

ANALYSE 1. Uge 7, 4. juni juni, 2007

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

Eksamen i Mat F, april 2006

MATEMATIK 3 ET,MP, FYS, NANO 29. august 2012 Oversigt nr. 1

Fordybelsesprojekt Analyse 2, forår 2012 Potensrækker

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Forelæsningsnote 8. (NB: Noten er ikke en del af pensum)

Lotka-Volterra modellen

Lektion 12. højere ordens lineære differentiallininger. homogene. inhomogene. eksempler

Taylor-polynomier. John V Petersen

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

MATEMATIK 3 EN,MP 28. august 2014 Oversigt nr. 1

Fundamentale begreber fra Analysen. Introduktion. De reelle tal. Carsten Lunde Petersen

Introduktion til Laplace transformen (Noter skrevet af Nikolaj Hess-Nielsen sidst revideret marts 2013)

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Modulpakke 3: Uendelige Rækker

Oversigt [S] 7.2, 7.5, 7.6; [LA] 18, 19

MATEMATIK 3 EN,MP 17. september 2014 Oversigt nr. 1

Oversigt [S] 4.5, 5.10

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Eksamen i Calculus Tirsdag den 3. juni 2014

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

(Prøve)Eksamen i Calculus

Eksamen i Mat F, april 2006

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Mini-formelsamling. Matematik 1

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. Hele rummet uden z aksen

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Reaktionskinetik - 1 Baggrund. lineære og ikke-lineære differentialligninger. Køreplan

MATEMATIK 3 EN3,MP3 28. august 2015 Oversigt nr. 1

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Supplerende opgaver. S1.3.1 Lad A, B og C være delmængder af X. Vis at

DesignMat. Preben Alsholm. September Egenværdier og Egenvektorer. Preben Alsholm. Egenværdier og Egenvektorer

Eksamen i Calculus Mandag den 4. juni 2012

Taylorpolynomier og -rækker samt lokale ekstrema for funktioner af flere variable

Matematik F2 Opgavesæt 2

Reeksamen i Calculus

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Eksamen Analyse 1, Juni 2015, Besvarelse 1. Opgave 1. ( ln x) q x p dx =

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

Transkript:

1/7 Den homogene ligning Vi betragter den n te ordens, homogene, lineære differentialligning a 0 d n y dt n + a1 d n 1 y dt n 1 hvor a 0,..., a n R og a 0 0. Vi skriver ligningen på kort form som + + dy an 1 + any = 0 (1.2) dt D n(y) = 0 (1.6)

2/7 Karakterligningen og løsninger Karakterligningen hørende til ligningen D n(y) = 0 er P (λ) = a 0λ n + a 1λ n 1 + + a n 1λ + a n = 0. Man er ofte interesseret i den fuldstændige reelle løsning. I den forbindelse er der to problemstillinger: Sætning 1.6 giver kun en basis for løsningsrummet, hvis karakterligningen har n forskellige rødder. Karakterligningen kan have komplekse rødder, der leder til komplekse løsninger.

Multiple rødder 3/7

Reelle løsninger 4/7

Den fuldstændige reelle løsning 5/7

6/7 Den inhomogene ligning Vi betragter nu den inhomogene ligning D n(y) = u (1.14) En partikulær løsning findes ved hjælp af gættemetoden. Betragt en ligning på formen D n(y) = c 1u 1 + c 2u 2

7/7 Overføringsfunktioner Til en differentialligning på formen a 0y (n) + a 1y (n 1) + + a ny = b 0u (m) + b 1u (m 1) + + b mu (1.16) knyttes overføringsfunktionen H(s) = b0sm + b 1s m 1 + + b m 1s + b m a 0s n + a 1s n 1 + + a n 1s + a n, (1.20) defineret på mængden {s C P (s) 0}.

1/9 Det homogene system Vi betragter det homogene system ẋ = Ax. (2.10) Vi definerer det karakteristiske polynomium som P (λ) = det (A λi)

Reelle løsninger 2/9

Geometrisk multiplicitet og løsninger 3/9

4/9 Geometrisk multiplicitet og løsninger Se Eksempel 2.12 i bogen.

Fuldstændig løsning 5/9

6/9 Det inhomogene system Vi betragter det inhomogene system ẋ = Ax + u. (2.21) Sætning (Analog til Sætning 1.20) Lad y 0 betegne en løsning til ligningen (2.21) og lad y HOM betegne samtlige løsninger til den tilsvarende homogene ligning. Da er samtlige løsninger til (2.21). y = y 0 + y HOM En partikulær løsning kan ofte findes via gættemetoden. Superpositionsprincippet gælder for lineære systemer af differentialligninger.

7/9 Fundamentalmatricen Vi giver her samme definition med et lidt andet ordvalg: Definition (Fundamentalmatrix) Antag at x 1(t), x 2(t),..., x n(t) er n lineært uafhængige løsninger til det homogene system ẋ = Ax. Vi definerer fundamentalmatricen Φ ved Φ(t) = (x 1(t), x 2(t),..., x n(t)), t I. (2.17) Dvs. Φ(t) er matricen med funktionerne x 1(t),..., x n(t) som søjler. Det bemærkes at fundamentalmatricen ikke er entydigt bestemt. F.eks. kan søjlerne ombyttes frit.

Fundamentalmatricens egenskaber 8/9

9/9 Den generelle løsningsformel Den generelle løsningsformel er meget regnetung og bør derfor kun anvendes, hvis gættemetoden ikke virker.

1/7 Overføringsfunktioner for systemer Vi betragter et system på den specielle form { ẋ = Ax + bu, y = d x (2.32) Vi definerer overføringsfunktionen hørende til systemet (2.32) ved for de s C for hvilke det(a si) 0. H(s) = d (A si)b (2.36)

2/7 Begrænsede funktioner Definition (Begrænset funktion) Lad I R. En funktion f : I C siges at være begrænset, hvis der findes en konstant K > 0 således at f(t) K for alle t I. En vektorfunktion x: I C n, x(t) = x 1(t). x n(t) er begrænset, hvis alle dens koordinatfunktioner x 1,..., x n hver især er begrænsede. Dette er ensbetydende med at der findes en konstant K > 0 så x(t) := x 1(t) 2 + + x n(t) 2 K for alle t I.

3/7 Stabilitet Vi betragter de homogene system ẋ(t) = Ax(t), t [t 0, [. (2.41)

4/7 Resultater vedrørende stabilitet Vi betragter de homogene system ẋ(t) = Ax(t), t [t 0, [. (2.41)

Routh-Hurwitz kriterium Det er muligt at afgøre om et system er asymptotisk stabilt uden at udregne egenværdierne. 5/7

Korollarer Routh-Hurwitz kriterium 6/7

7/7 Stabilitet for inhomogene systemer Vi betragter det inhomogene system ẋ(t) = Ax(t) + u(t), t [t 0, [. (2.51)

1/4 Uegentlige integraler Nyttigt resultat: Lad p R. Det uegentlige integral 1 1 x p dx er konvergent for p > 1 og divergent for p 1.

2/4 Talfølger For en uendelige talfølge anvendes notationen {x n} n=1 = {x 1, x 2,...}.

3/4 Taylorpolynomier Definition (Taylorpolynomiet) Lad I R være et interval og lad f : I R være en (uendeligt ofte) differentiabel funktion. Lad x 0 I og N N. Det N te Taylorpolynomium for f i punktet x 0 defineres som P N (x) = f(x 0) + f (x 0) 1! N = n=0 f (n) (x 0) (x x 0) n. n! (x x 0) + f (x 0) 2! (x x 0) 2 + + f (N) (x 0) (x x 0) N N!

Taylors sætning 4/4

1/5 Uendelige rækker En uendelig række er et udtryk på formen hvor a n R (eller C) for alle n N. a n n=1 For en given uendelige række defineres den N te afsnitssum som tallet N S N = a 1 + + a N = a n (4.20) n=1 Den N te afsnitssum er altså summen af rækkens N første led.

2/5 Uendelige rækker Bemærk: n te-ledskriteriet kan aldrig bruges til at slutte at en række er konvergent.

Konvergenskriterier 3/5

4/5 Absolut konvergens Bemærk at (4.27) er en generalisering af trekantsuligheden.

5/5 Kvotientkriteriet Bemærk at hvis C = 1 giver kvotientkriteriet ingen konklusion. Man må i så fald finde en anden metode til at afgøre om rækken er konvergent eller divergent.

1/5 Integralkriteriet Betragt en uendelig række n=1 a n. I visse tilfælde kan det være en fordel at betragte rækkens led som funktionsværdier. Man skal altså finde en funktion f : [1, [ C, så a n = f(n) for alle n N (eller i hvert fald fra et vist n og opefter).

Integralkriteriet 2/5

3/5 Vurdering af summen af en uendelig række Lad os antage at vi ønsker at bestemme summen f(n) med en fejl der ikke overstiger et givet tal ε > 0. Metode (i): Vælg N N således at Så vil den endelige sum uendelige sum. N+1 N n=1 n=1 f(x)dx + f(n + 1) ε. f(n) højst afvige med ε fra den ønskede Metode (ii): Vælg N N således at f(n + 1) ε. Da vil tallet N n=1 f(n) + f(x)dx N+1 højst afvige med ε fra den ønskede uendelige sum.

4/5 Alternerende rækker Rækker med skiftevis positive og negative led kaldes alternerende rækker.

Alternerende rækker 5/5

Kvotientrækker 1/5

Taylorrækker / potensrækker 2/5

3/5 Potensrækker Tallet ρ kaldes for rækkens konvergensradius. I tilfældene (i) og (ii) sættes ρ til henholdsvis 0 og. Bemærk at tilfældet (iii) ikke udtaler sig om konvergens hvis x = ρ.

Potensrækker 4/5

Differentiation og integration af potensrækker 5/5

Uniform konvergens 1/3

Majorantrække og uniform konvergens 2/3

Ledvis integration og differentiation 3/3

1/4 Fourierrækker En funktion f : R C kaldes 2π-periodisk hvis f(x + 2π) = f(x) for alle x R. Se også Appendix C i lærebogen om funktioner med andre perioder.

Lige og ulige funktioner 2/4

Fourierrækker for lige og ulige funktioner 3/4

Fouriers sætning 4/4

Vurdering af sum for Fourierrækker 1/5

Fourierrækker på kompleks form 2/5

Reel form kompleks form 3/5

4/5 Reel form og kompleks form Det bemærkes at den reelle form og den komplekse form af en Fourierrække blot er to forskellige notationer for præcis den samme række. Der gælder altså 1 2 a0 + (a n cos(nx) + b n sin(nx)) = c ne inx n=1 n= Fouriers sætning (Sætning 6.12) kan derfor også skrives med den komplekse notation:

5/5 Parsevals sætning For visse uendelige rækker kan summen findes ved brug af Parsevals sætning - nemlig hvis rækken kan skrives som en sum af Fourierkoefficienter for en funktion f.

Fourierrækkemetoden 1/2

2/2 Fourierrækkemetoden Procedure for brug af Sætning 7.8: 1. Tjek at differentialligningssystemet (2.32) er asymptotisk stabilt. 2. Beregn overføringsfunktionen H(s) (husk at angive definitionsmængden). 3. Opstil Fourierrækken for påvirkningen u, u n= c ne int. 4. Tjek at u er 2π-periodisk, stykkevis differentiabel og kontinuert, så u(t) = n= c ne int. 5. Opstil løsningen y(t) = n= cnh(in)eint. 6. (Ofte:) Find N N så y(t) N n= N c nh(in)e int ɛ for alle t R.

1/4 Ligninger med variable koefficienter Vi betragter den inhomogene 2. ordensligning d 2 y dt 2 dy + a1(t) + a2(t)y = u(t), t I, (1.36) dt hvor a 1, a 2 og u er givne funktioner, og y = y(t) er den søgte løsning. Den tilsvarende homogene ligning er d 2 y dt 2 dy + a1(t) + a2(t)y = 0, t I. (1.37) dt Sætning 1.31 (se næste slide) fortæller at hvis vi kan finde en løsning y 1 til den homogene ligning (1.37), som opfylder at y 1(t) 0 for alle t I, så kan vi også finde den fuldstændige løsning både til den homogene ligning (1.37) og til den inhomogene ligning (1.36).

Ligninger med variable koefficienter 2/4

3/4 Potensrækkemetoden Vi betragter en differentialligning på formen a 0(t) dn y dt n + a1(t) dn 1 y dt n 1 dy + + an 1(t) + an(t)y = 0, t I (7.1) dt Oftest vil vi have n = 2 og a 0(t) = 1, så ligningen får formen d 2 y dt 2 dy + a1(t) + a2(t)y = 0, t I. (1.37) dt Potensrækkemetoden: 1. Gæt på en potensrækkeløsning y(t) = n=0 cntn. 2. Indsæt i den homogene ligning (7.1) eller (1.37) og bestem koefficienterne c n, så vi får en løsning. 2.1 Start med (om nødvendigt) at ændre summationsindex, så alle summer får t (eller x) i samme potens, 2.2 Træk dernæst (om nødvendigt) led ud af nogle summer, så der summes over de samme n i alle summer. 3. Find konvergensradius for den fundne potensrække. 4. Evt. find N så y(t) N n=0 cnxn ɛ for t i et passende interval.

4/4 Potensrækkemetoden Er der nogen garanti for at potensrækkemetoden virker? Ja, hvis a 1 og a 2 er analytiske funktioner (se sætning nedenfor).

1/4 Ulineære systemer Vi betragter et system på formen ẋ 1(t) = f 1 (x 1(t),..., x n(t)),. ẋ n(t) = f n (x 1(t),..., x n(t)), (3.1) hvor f 1,..., f n er funktioner R n R. På vektorform kan systemet skrives som ẋ(t) = f (x(t)). (3.2) Systemet kaldes et ulineært autonomt differentialligningssystem.

Stationære punkter og stabilitet 2/4

3/4 Stationære punkter og stabilitet For en vektorfunktion f : R n R n defineres funktionalmatricen Df i et punkt x R n ved f 1 f x 1 (x) 1 x n (x) Df(x) =....... f n f x 1 (x) n x n (x)

4/4 Faseportræt i Maple Eksempel: Vi vil tegne et faseportræt for systemet { ẋ1 = x 2, x 2 = x 1 + x 1x 2. Nedenfor defineres systemet som ligningerne eqn1 og eqn2. Dernæst beder vi Maple om et faseportræt på området x 1 [ 2, 2], x 2 [ 2, 2] og vi lader t [ 1, 1]. Se mere i lærebogens appendix D.3.2.

1/7 Vurdering af sum for uendelige rækker 01037 Matematik 2 August 2016

Rækker med positive led Lad f : [1, [ [0, [ være en kontinuert og aftagende funktion. Vi ønsker at bestemme summen a n = f(n) med en fejl der ikke overstiger et givet tal ε > 0. n=1 n=1 Metode (i): Vælg N N således at N+1 N f(x)dx + f(n + 1) ε. Så vil den endelige sum f(n) højst afvige med ε fra den ønskede n=1 uendelige sum, dvs. f(n) N f(n) ɛ. n=1 n=1 Metode (ii): Vælg N N således at f(n + 1) ε. Da vil tallet N f(n) + f(x)dx N+1 n=1 højst afvige ( med ε fra den ønskede uendelige sum, dvs. N f(n) f(n) + ) f(x)dx ɛ. N+1 n=1 n=1 2/7

3/7 Rækker med positive led Bemærk: Både metode (i) og metode (ii) giver en tilnærmet værdi for rækken f(n), men det er forskelligt, hvordan det tilnærmende udtryk n=1 ser ud. I metode (i) er det afsnitssummen n=1 f(n) + f(x)dx. N+1 N n=1 f(n), i metode (ii) er det Dette betyder at hvis opgaven lyder på at bestemme N så afsnitssummen kommer tæt på den uendelige række, dvs. så N a n a n ɛ n=1 er man nødt til at benytte metode (i). n=1

Alternerende rækker Rækker med skiftevis positive og negative led kaldes alternerende rækker, se Definition 4.37 i lærebogen. Til at vurdere summen for en alternerende række benyttes Leibniz kriterium (hvis forudsætningerne for dette er opfyldt). 4/7

5/7 Generelle rækker For en absolut konvergent række a n bemærkes at (ifølge sætning 4.27) n=0 n=0 N a n a n = n=0 n=n+1 a n n=n+1 a n. Rækken til højre har positive led, så hvis vi kan finde en kontinuert, aftagende funktion f : [1, [ [0, [, således at har vi ifølge korollar 4.35 at n=n+1 f(n) = a n for alle n N a n N+1 f(x)dx + f(n + 1). Vi skal nu blot finde et N, så f(x)dx + f(n + 1) ɛ, og dette vil så N+1 sikre at N a n a n ɛ. n=0 n=0

6/7 Forierrækker Hvis f er en kontinuert, stykkevis differentiabel og 2π-periodisk funktion (og derfor ifølge Korollar 6.13 lig med sin egen Fourierrække) kan vi bruge korollar 6.16 til at finde N. Dette kan dog kun bruges hvis vi kender funktionen f, så vi kan finde dens afledede f. Hvis vi kun kender f udtrykt som en række, kan vi ikke bruge korollar 6.16. I stedet kan vi bruge sætning 6.17 (se næste slide).

7/7 Forierrækker Hvis vi har en funktion f som er givet ved (altså lig med) sin Fourierrække, dvs. f(x) = 1 2 a0 + (a n cos(nx) + b n sin(nx)) n=0 kan vi benytte sætning 6.17, som giver f(x) S N (x) n=n+1 ( a n + b n ), for all x R. Rækken til højre har positive led, så hvis vi kan finde en kontinuert, aftagende funktion g : [1, [ [0, [, således at har vi ifølge korollar 4.35 at n=n+1 g(n) = a n + b n for alle n N ( a n + b n ) N+1 g(x)dx + g(n + 1). Vi skal nu blot finde et N, så g(x)dx + g(n + 1) ɛ, og dette vil så N+1 sikre at f(x) S N (x) ɛ.