DesignMat Lineære differentialligninger I

Relaterede dokumenter
DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

DiploMat 1 Inhomogene lineære differentialligninger

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

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

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

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Førsteordens lineære differentialligninger

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

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

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Lektion ordens lineære differentialligninger

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

Hans J. Munkholm: En besvarelse af

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

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

Differentialligninger af første orden

INFINITESIMALREGNING del 3 Differentialligninger Funktioner af flere variable Differentialligningssystemer x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Komplekse Tal. 20. november UNF Odense. Steen Thorbjørnsen Institut for Matematiske Fag Århus Universitet

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Efterår - 8. Januar 2016

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

Lotka-Volterra modellen

Noter om polynomier, Kirsten Rosenkilde, Marts Polynomier

Eulers equidimensionale differentialligning

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

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

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

Projekt 4.9 Bernouillis differentialligning

MM501 forelæsningsslides

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Polynomium Et polynomium. Nulpolynomiet Nulpolynomiet er funktionen der er konstant nul, dvs. P(x) = 0, og dets grad sættes per definition til.

Lektion 8 Differentialligninger

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Gamle eksamensopgaver (DOK)

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

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

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

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

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

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

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Matematik A. Højere teknisk eksamen. Forberedelsesmateriale. htx112-mat/a

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

DesignMat Uge 8 Integration og elementære funktioner

Reeksamen i Calculus

MODUL 8. Differensligninger. Forfattere: Michael ELMEGÅRD & Øistein WIND-WILLASSEN. Modulet er baseret på noter af Peter BEELEN.

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

DesignMat Uge 11 Vektorrum

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2019 ( ) ( )

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Nøgleord og begreber Komplekse tal Test komplekse tal Polære koordinater Kompleks polarform De Moivres sætning

Eksamen i Matematik F2 d. 19. juni Opgave 2. Svar. Korte svar (ikke fuldstændige)

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Reeksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet. 17.

Fejlkorligerende køder Fejlkorrigerende koder

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

Prøveeksamen i Calculus

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

DesignMat Uge 11. Vektorrum

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

1RWHWLOGLIIHUHQWLDOOLJQLQJHU

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

UGESEDDEL 9 LØSNINGER. Sydsæter Theorem 1. Sætning om implicitte funktioner for ligningen f(x, y) = 0.

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

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

Transkript:

DesignMat Lineære differentialligninger I Preben Alsholm Uge 9 Forår 2010 1 Lineære differentialligninger af første orden 1.1 Normeret lineær differentialligning Normeret lineær differentialligning En differentialligning, der kan skrives på formen a (t) x + b (t) x = c (t) (1) hvor t I, kaldes lineær. Når (1) har den specielle form x + p (t) x = q (t) (2) siges den at være normeret. Eksempel 1. Differentialligningen tx + 2x = te t (3) hvor t R +, er lineær, men ikke normeret. Ved normering fås x + 2 t x = e t 1.2 Panserformlen Panserformlen Lad p, q C (I) hvor I er et interval. Så er den fuldstændige løsning til x + p (t) x = q (t) givet ved x (t) = e P(t) e P(t) q (t) dt + Ce P(t) (4) hvor P er en vilkårligt valgt stamfunktion til p, og hvor C R er en arbitrær konstant. 1

Bevis: Da e P(t) løsninger som > 0 for alle t I, har x + p (t) x = q (t) de samme Men dette kan skrives d dt x (t) e P(t) + p (t) e P(t) x (t) = e P(t) q (t) ( ) e P(t) x (t) = e P(t) q (t), hvilket er ensbetydende med, at e P(t) x (t) er en stamfunktion til e P(t) q (t), dvs. ensbetydende med eksistensen af en konstant C R, så e P(t) x (t) = e P(t) q (t) dt + C 1.3 Eksempel 1 Eksempel 1 Eksempel 1. Vi betragter for t > 0 den normerede differentialligning x + 2 t x = e t Vi har p (t) = 2 t, q (t) = e t. Panserformlens P er givet ved P (t) = 2t dt = 2 ln t. Så e P(t) = e 2 ln t = t 2 og e P(t) = t 2. Hermed er den fuldstændige løsning hvor C R. x (t) = t 2 1.4 Eksempel 1 (fortsat) Eksempel 1 (fortsat) t 2 e t dt + Ct 2 ( = t 2 t 2 e t 2te t 2e t) + Ct 2 = (1 + 2t + 2t ) 2 e t + C t 2 Løsningerne kan skrives x (t) = 1 t 2 ( e t ( t 2 + 2t + 2 ) + C ) med t > 0 og med C R. Vi undersøger løsningerne for t 0 (dvs. t 0 + ). Da e t ( t 2 + 2t + 2 ) + C 2 + C for t 0, ser vi, at x (t), når C > 2 og x (t), når C < 2. Hvis C = 2, vil tælleren i x (t) gå mod nul, men det samme gør nævneren. 2

Taylors grænseformel på tælleren e t ( t 2 + 2t + 2 ) + 2 giver ( ) e t t 2 + 2t + 2 + 2 = 1 3 t3 + O (t 4) Heraf følger for t 0. x (t) = 1 3 t3 + O ( t 4) t 2 = 1 ( 3 t + O t 2) 0 1.5 Eksistens- og entydighed Eksistens- og entydighed Lad p, q C (I), hvor I er et interval. Lad t 0 I og x 0 R. Begyndelsesværdiproblemet x + p (t) x = q (t) med x (t 0 ) = x 0 har netop én løsning og den er defineret på hele intervallet I. Den omtalte løsning kan, når P vælges som P (t) = t t 0 p (s) ds skrives x (t) = e P(t) t t 0 e P(s) q (s) ds + x 0 e P(t) Beviset består blot i at bruge bestemt integration i beviset for panserformlen ovenfor. 2 Lineære Differentialligninger af anden orden 2.1 Eksistens- og entydighed Eksistens- og entydighed Vi betragter lineære differentialligninger med konstante koefficienter: ax + bx + cx = q (t) (5) med q C (I), hvor I er et interval. a, b, c er reelle konstanter og a = 0. Sætning. Lad t 0 I og x 0, v 0 R. Begyndelsesværdiproblemet for (5) med x (t 0 ) = x 0 og x (t 0 ) = v 0 har netop én løsning og den er defineret på hele intervallet I. Beviset springer vi over. Eksempel. Den løsning til differentialligningen x + 3x + 2x = 20te 3t, der opfylder x (0) = 0, x (0) = 4 5 er ( x (t) = t 9 ) e 3t + 9 20 20 e t Hvordan? 3

2.2 Den homogene ligning I Den homogene ligning I Vi betragter nu specialtilfældet hvor højresiden q (t) = 0. lineær differentialligning kaldes homogen: En sådan Stadig er a, b, c reelle konstanter og a = 0. ax + bx + cx = 0 (6) Vi begynder med at finde løsninger af formen x (t) = e Rt, hvor R er en (muligvis kompleks) konstant. Vi har x = R e Rt, x = R 2 e Rt. Ved indsættelse i (6) fås ( ) ar 2 + br + c e Rt = 0 Dette betyder, at x (t) = e Rt er løsning til (6) hvis og kun hvis (7) kaldes karakterligningen for (6). 2.3 Den homogene ligning II Den homogene ligning II ar 2 + br + c = 0 (7) Sætning. Hvis f 1 og f 2 er løsninger til ax + bx + cx = 0, så er også f (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) løsning, når blot c 1, c 2 er konstanter. Sætning. Lad f 1 og f 2 være løsninger til ax + bx + cx = 0. Så er den fuldstændige løsning givet ved x (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) (8) hvis og kun hvis der findes et t 0 R så Wronskideterminanten W (t 0 ) = f 1 (t 0 ) f 2 (t 0 ) f 1 (t 0) f 2 (t 0) = 0 Bevis. Som vist er enhver linearkombination af formen (8) løsning. Vi skal vise, at der ikke er andre. Lad da x = f (t) være en løsning til ax + bx + cx = 0. Vi skal vise, at der findes konstanter c 1, c 2, så f (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t). 4

2.4 Den homogene ligning III Den homogene ligning III Men sådanne konstanter må opfylde det lineære ligningssystem c 1 f 1 (t 0 ) + c 2 f 2 (t 0 ) = f (t 0 ) c 1 f 1 (t 0) + c 2 f 2 (t 0 ) = f (t 0 ) Dette system har løsning for enhver højreside netop når dets determinant W (t 0 ) = 0. Men funktionen g (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) og f (t) opfylder samme begyndelsesbetingelser i t 0. I følge entydighedssætningen har vi derfor f = g. Sætning. Der findes to løsninger f 1 og f 2 til ax + bx + cx = 0 for hvilke W (t) = 0. Bevis: Her bruger vi eksistensdelen af eksistens- og entydighedssætningen. Vælg f 1 og f 2 som løsninger, der opfylder f 1 (0) = 1, f 1 (0) = 0 og f 2 (0) = 0, f 2 (0) = 1. Så gælder W (0) = 1 = 0. 2.5 Den homogene ligning: Eksempel 1 Den homogene ligning: Eksempel 1 Eksempel. x + 3x + 2x = 0 har karakterligningen R 2 + 3R + 2 = 0 med rødderne 2 og 1. Altså er φ 1 (t) = e 2t og φ 2 (t) = e t løsninger til x + 3x + 2x = 0. Deres Wronskideterminant er W (t) = e 2t e t = e 3t = 0 2e 2t e t Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 R. Generelt for to forskellige reelle rødder r 1 og r 2. Fuldstændige løsning x (t) = c 1 e r 1t + c 2 e r 2t, hvor c 1, c 2 R. 2.6 Den homogene ligning: Eksempel 2 Den homogene ligning: Eksempel 2 Eksempel. x 6x + 9x = 0 har karakterligningen R 2 6R + 9 = 0 med dobbeltroden 3. Altså er φ 1 (t) = e 3t løsning til x + 3x + 2x = 0. Men vi mangler en anden. En anden er φ 2 (t) = te 3t, hvilket ses ved simpel indsættelse. Wronskideterminanten er W (t) = e 3t 3e 3t te 3t e 3t + 3te 3t = e6t = 0 5

Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e 3t + c 2 te 3t, hvor c 1, c 2 R. Generelt for dobbeltrod r. Fuldstændig løsning x (t) = c 1 e rt + c 2 te rt, hvor c 1, c 2 R. 2.7 Den homogene ligning: Eksempel 3 Den homogene ligning: Eksempel 3 Eksempel. x + 2x + 5x = 0 har karakterligningen R 2 + 2R + 5 = 0 med de imaginære rødder 1 ± 2i. Altså er e ( 1+2i)t og e ( 1 2i)t løsninger. Men de er jo imaginære! Realdelen φ 1 (t) = Re e ( 1+2i)t = e t cos (2t) og imaginærdelen φ 2 (t) = Im e ( 1+2i)t = e t sin (2t), er også løsninger! Wronskideterminanten for disse er e t cos (2t) e t sin (2t) e t (cos (2t) + 2 sin (2t)) e t (sin (2t) 2 cos (2t)) 2e 2t = 0. Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e t cos (2t) + c 2 e t sin (2t), hvor c 1, c 2 R. Generelt for imaginære rødder α ± iβ. Fuldstændig løsning x (t) = c 1 e αt cos (βt) + c 2 e αt sin (βt), hvor c 1, c 2 R. = 2.8 Den inhomogene ligning I Den inhomogene ligning I Vi betragter nu den inhomogene ligning ax + bx + cx = q (t) (Inhomogen) og den tilsvarende homogene ligning ax + bx + cx = 0 (Homogen) Sætning. Lad ψ 1 og ψ 2 være løsninger til Inhomogen. Så er φ = ψ 1 ψ 2 en løsning til Homogen. Sætning. Lad ψ 1 være en løsning til Inhomogen og φ en løsning til Homogen. Så er ψ 2 = ψ 1 + φ en løsning til Inhomogen. Opskrift på fuldstændige løsning til Inhomogen. 1. Find den fuldstændige løsning til Homogen. Denne løsning vil indeholde to arbitrære konstanter. 2. Find bare én løsning til Inhomogen. En sådan løsning kaldes en partikulær løsning til Inhomogen. 3. Den fuldstændige løsning til Inhomogen er summen af den fundne partikulære løsning til Inhomogen og den fuldstændige løsning til Homogen. 6

2.9 Den inhomogene ligning II Den inhomogene ligning II Betragt den inhomogene ligning ax + bx + cx = q 1 (t) + q 2 (t) (Inhomogen) Antag, at ψ 1 er løsning til ax + bx + cx = q 1 (t) og ψ 2 løsning til ax + bx + cx = q 2 (t). Superpositionsprincippet. Så er ψ = ψ 1 + ψ 2 løsning til Inhomogen. Bevis: 2.10 Eksempel 1 Eksempel 1 aψ + bψ + cψ = a (ψ 1 + ψ 2 ) + b (ψ 1 + ψ 2 ) + c (ψ 1 + ψ 2 ) = ( aψ 1 + bψ 1 + cψ ) ( 1 + aψ 2 + bψ 2 + cψ ) 2 = q 1 (t) + q 2 (t) Vi fandt, at den løsning til x + 3x + 2x = 20te 3t, der opfylder x (0) = 0, x (0) = 5 4 er ( x (t) = t 9 ) e 3t + 9 20 20 e t Den fuldstændige løsning til den tilsvarende homogene ligning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 R. Altså ( er ) den fuldstændige løsning til den inhomogene ligning x (t) = t 9 20 e 3t + 20 9 e t + c 1 e 2t + c 2 e t hvor c 1, c 2 R. Dette kan skrives mere kompakt som x (t) = ( t 20 9 ) e 3t + c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 R. Bemærk, at x (t) = ( t 20 9 ) e 3t er en særlig simpel løsning til den inhomogene ligning. 2.11 Eksempel 2 Eksempel 2 Betragt differentialligningen x + 3x + 2x = 4t 2. Den fuldstændige løsning til den tilsvarende homogene ligning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 R. En partikulær løsning er x (t) = 2t 2 6t + 7. En partikulær løsning til x + 3x + 2x = 20te 3t er x (t) = ( t 9 20 ) e 3t. En partikulær løsning til x + 3x + 2x = 4t 2 + 20te 3t er derfor x (t) = 2t 2 6t + 7 + ( t 9 20 ) e 3t. 7

Altså er den fuldstændige løsning til x + 3x + 2x = 4t 2 + 20te 3t hvor c 1, c 2 R. ( x (t) = 2t 2 6t + 7 + t 9 ) e 3t + c 20 1 e 2t + c 2 e t 8