DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

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

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

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

DesignMat Lineære differentialligninger I

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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

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

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

DesignMat Lineære differentialligninger I

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

DesignMat Egenværdier og Egenvektorer

Eksempel på 2-timersprøve 2 Løsninger

Symmetriske matricer

Egenværdier og egenvektorer

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Eksempel på 2-timersprøve 1 Løsninger

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Lineær algebra: Egenværdier, egenvektorer, diagonalisering

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

Ekstremum for funktion af flere variable

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

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

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Anvendt Lineær Algebra

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

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

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

Mat 1. 2-timersprøve den 5. december 2016.

Lineær Algebra eksamen, noter

Egenværdier og egenvektorer

Reeksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Nøgleord og begreber. Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Oversigt [LA] 3, 4, 5

12.1 Cayley-Hamilton-Sætningen

DesignMat Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Lineær Algebra F08, MØ

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Sylvesters kriterium. Nej, ikke mit kriterium. Sætning 9. Rasmus Sylvester Bryder

Lineær algebra Kursusgang 6

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

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

Calculus Uge

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

DesignMat Uge 11 Vektorrum

LiA 5 Side 0. Lineær algebra Kursusgang 5

Ligningssystemer - nogle konklusioner efter miniprojektet

Løsninger til udvalgte Eksamensopgaver i Lineær Algebra Juni 2000 og Juni 2001.

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

Eksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Eksamen i Lineær Algebra

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Reeksamen i Lineær Algebra

Ølopgaver i lineær algebra

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Eksamen i Lineær Algebra

Opgave 1 Lad R betegne kvartcirkelskiven x 2 + y 2 4, x 0, y 0. (Tegn.) Udregn R x2 y da. Løsning y. Opgave 1 - figur. Calculus Uge 50.

DesignMat Komplekse tal

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

Matematik og FormLineære ligningssystemer

Om første og anden fundamentalform

Biologisk model: Epidemi

Reeksamen i Lineær Algebra

Ekstremumsbestemmelse

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Oversigt [LA] 10, 11; [S] 9.3

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

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

Matematik: Stuktur og Form Lineære ligningssystemer

Eksamen i Lineær Algebra

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Uge 11 Lille Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Det ortogonale komplement

Lineær algebra 1. kursusgang

Lineær Algebra Dispositioner

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

Prøveeksamen A i Lineær Algebra

Eksamen i Lineær Algebra

er en n n-matrix af funktioner

Matricer og lineære ligningssystemer

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

Transkript:

DesignMat Uge Systemer af lineære differentialligninger I Preben Alsholm Efterår 008 1 Lineære differentialligningssystemer 11 Lineært differentialligningssystem af første orden I Lineært differentialligningssystem af første orden I Et lineært og homogent system af n differentialligninger med n ubekendte funktioner x 1, x,, x n af første orden og med konstante koefficienter kan skrives på formen x 1 (t) = a 11 x 1 (t) + a 1 x (t) + + a 1n x n (t) x (t) = a 1 x 1 (t) + a x (t) + + a n x n (t) x n (t) = a n1 x 1 (t) + a n x (t) + + a nn x n (t) Vi skal antage, at alle koefficienterne a ij er reelle Lad A være matricen af koefficienter a 11 a 1 a 1n a 1 a a n A = 6 a n1 a n a nn 1 Lineært differentialligningssystem af første orden II Lineært differentialligningssystem af første orden II x 1 (t) x (t) Lad x (t) = 6 x n (t) Systemet kan nu skrives x (t) = Ax (t) 1

Tit lader man den uafhængige variable t være underforstået og skriver blot x = Ax Vi kan naturligvis let løse systemet, når n = 1 Systemet består blot af en enkelt differentialligning med én ubekendt funktion x 1 (t) = a 11 x 1 (t) eller enklere: x (t) = ax (t) Løsning: x (t) = Ce at, hvor C er en arbitrær reel konstant Så let går det ikke, når n > 1, bortset fra det specielle tilfælde, hvor A er en diagonalmatrix 1 Afkobling I Afkobling I Antag nu, at A er diagonaliserbar med Λ = V 1 AV diagonal, Λ = diag ( 1, λ,, λ n ) og V = [v 1 v v n ] Så fås A = VΛV 1 og systemet x (t) = Ax (t) kan skrives x (t) = VΛV 1 x (t) Definér en ny vektorfunktion y ved y (t) = V 1 x (t) Så fås y (t) = Λy (t) Dette system er afkoblet: y 1 (t) = λ 1 y 1 (t) y (t) = λ y (t) y n (t) = λ n y n (t) 1 Afkobling II Afkobling II Det afkoblede system har den fuldstændige løsning y (t) = 6 y 1 (t) y (t) y n (t) = 6 hvor c 1, c,, c n er arbitrære konstanter c 1 e λ 1t c e λ 1t c n e λ nt Husk, at egenværdierne eventuelt kunne være komplekse!

Heraf fås x (t) = Vy (t) = [v 1 v v n ] 6 c 1 e λ 1t c e λ 1t c n e λ nt 1 Eksempel 1 Eksempel 1 Betragt differentialligningssystemet = c 1 e λ 1t v 1 + c e λ t v + + c n e λ nt v n x 1 (t) = x 1 (t) x (t) + x (t) x (t) = x 1 (t) x (t) + x (t) x (t) = 9x 1 (t) 9x (t) + x (t) Dette kan skrives x = Ax, hvor A = Vi fandt sidst egenværdierne for A til 1 9 9 (algebraisk multiplicitet ) og Basis for egenrummet hørende til er (v 1, v ), hvor v 1 = [ 1 1 0] T og v = [1 0 1] T En basis for egenrummet hørende til egenværdien 1 er (v ), hvor v = 1 1 T Vi konstaterer, at A er diagonaliserbar 16 Eksempel 1 (fortsat) Eksempel 1 (fortsat) Den fuldstændige løsning til systemet x = Ax er derfor x (t) = c 1 e λ 1t v 1 + c e λ t v + c e λ t v = c 1 e t v 1 + c e t v + c e t v hvor c 1, c, c er arbitrære konstanter og hvor vektorerne v 1, v, v er fundet ovenfor Antag nu, at begyndelsesværdier var givet til x 1 (0) =, x (0) = 9, x (0) = 1 Så har vi med c = [c 1 c c ] T x 0 = 9 = x 1 (0) x (0) = x (0) = c 1 v 1 + c v + c v = Vc 1 x (0)

Så c er løsning til Vc = x 0 Kan løses ved Gausselimination eller ved c = V 1 x 0 Man finder c = [1 ] T, så 1 Eksempel Eksempel Betragt differentialligningssystemet x (t) = 1e t v 1 + e t v e t v x 1 (t) = 1x 1 (t) x (t) + x (t) x (t) = 0x 1 (t) 1x (t) + 10x (t) x (t) = 0x 1 (t) + 1x (t) x (t) Dette kan skrives x = Ax, hvor A = 0 1 10 1 0 1 Egenværdierne for A findes til og 1 i Matricen er diagonaliserbar (indenfor C!) Basis for egenrummet hørende til udgøres af v 1 = [ 8 ] T Basis for egenrummet hørende til 1 + i udgøres af v = + i 10 + i T Basis for egenrummet hørende til 1 i udgøres af v = v = i 10 i T 18 Eksempel (fortsat I) Eksempel (fortsat I) Den fuldstændige komplekse løsning til systemet x = Ax er derfor x (t) = c 1 e λ 1t v 1 + c e λ t v + c e λ t v = c 1 e t v 1 + c e ( 1+i)t v + c e ( 1 i)t v hvor c 1, c, c er arbitrære komplekse(!) konstanter Da matricen A har reelle elementer vil systemet x = Ax også have reelle løsninger Hvis x (t) er en kompleks løsning, vil x (t) også være en løsning Men så er Re x (t) = 1 x (t) + x (t) og Im x (t) = i 1 x (t) begge reelle løsninger Da e ( løsninger 1+i)t v er løsning er altså også Re x (t) e ( 1+i)t v og Im e ( 1+i)t v

19 Eksempel (fortsat II) Eksempel (fortsat II) Vi finder e ( 1+i)t v = e t ( + i) e it (10 + i) e it e it = e t Altså er to reelle løsninger w (t) og w (t) givet ved w (t) = e t e t sin t + cos t 10 sin t + cos t sin t 110 Eksempel (fortsat III) Eksempel (fortsat III) Da enhver kompleks løsning kan skrives som den komplekse linearkombination: c 1 e t v 1 + c w (t) + c w (t) og da e t v 1, w (t), w (t) er reelle, vil den fuldstændige reelle løsning være den reelle linearkombination x (t) = c 1 e t v 1 + c w (t) + c w (t) = + c e t + c e t c 1 e t 8 cos t sin t 10 cos t sin t cos t cos t sin t + i ( sin t + cos t) 10 cos t sin t + i (10 sin t + cos t) cos t i sin t sin t + cos t 10 sin t + cos t sin t cos t sin t 10 cos t sin t cos t Vi har nemlig, at x (0) = c 1 v 1 + c w (0) + c w (0) = c 1 v 1 + c Re v + c Im v, som ikke kan være reel uden at c 1, c, c er reelle, idet v 1, Re v, Im v er lineært uafhængige, w (t) =