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

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

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

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

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Calculus Uge

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

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

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Egenværdier og egenvektorer

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

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.

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

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

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

Lineær algebra: Egenværdier, egenvektorer, diagonalisering

er en n n-matrix af funktioner

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

DesignMat Lineære differentialligninger I

Figur. To ligninger i to ubekendte. Definition Ved m lineære ligninger med n ubekendte forstås. Definition 6.4 Givet ligningssystemet

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. 3) Angiv en enhedsvektor u så at den retningsafledede D u f(5, 2) er 0.

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

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.

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

DesignMat Lineære differentialligninger I

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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.

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

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

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

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

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

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Eksempel på 2-timersprøve 1 Løsninger

Oversigt [LA] 11, 12, 13

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

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Sætning (Kædereglen) For f(u), u = g(x) differentiable er den sammensatte funktion F = f g differentiabel med

Symmetriske matricer

Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet. [LA] 13 Ortogonal projektion

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

Eksempel på 2-timersprøve 2 Løsninger

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Lineær Algebra F08, MØ

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

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

Oversigt [LA] 6, 7, 8

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

DiploMat 1 Inhomogene lineære differentialligninger

Ekstremum for funktion af flere variable

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Egenværdier og egenvektorer

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Nøgleord og begreber

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

Lineær Algebra eksamen, noter

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Noter til Lineær Algebra

Opgave nr. 1. Find det fjerde Taylorpolynomium. (nul). Opgave nr Lad der være givet et sædvanligt retvinklet koordinatsystem

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

Lotka-Volterra modellen

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

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Fri vækstmodel t tid og P (t) kvantitet. dp dt = kp Løsninger P (t) = Ce kt C fastlægges ved en begyndelsesværdi. Oversigt [S] 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Sandt/falsk-opgave: Diskuter opgave 23 side 12 i gruppen, men husk at begrunde jeres svar, som teksten før opgave 23 kræver!

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

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

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

To ligninger i to ubekendte

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

Biologisk model: Epidemi

Lektion ordens lineære differentialligninger

Oversigt [LA] 11, 12, 13

Ølopgaver i lineær algebra

Matematisk modellering og numeriske metoder

12.1 Cayley-Hamilton-Sætningen

Transkript:

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17 Nøgleord og begreber 1. ordens lineær ligning Løsningsmetode August 2002, opgave 7 1. ordens lineært system Løsning ved egenvektor Lille opgave Stor opgave Ingen egenværdier 1 egenværdi Calculus 2-2006 Uge 48.2-1 1. ordens lineær ligning [LA] 15 Lineær differentialligning Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er dx = a(xy + b(x En partikulær løsning er en differentiabel funktion y(x som opfylder y (x = a(xy(x + b(x Den fuldstændige løsning er en angivelse af alle løsninger. Ligningen = a(xy kaldes homogen og er den homogene dx part af den inhomogene, b 0, ligning ovenfor. Calculus 2-2006 Uge 48.2-2

Lineær struktur [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.3 Hvis z 1 (x, z 2 (x er løsninger til den homogene lineære differentialligning dx = a(xy så er enhver linearkombination også en løsning. z(x = C 1 z 1 (x + C 2 z 2 (x Calculus 2-2006 Uge 48.2-3 Lineær struktur [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.3 - fortsat Hvis z 0 (x er en løsning til den inhomogene lineære differentialligning dx så er enhver løsning af formen = a(xy + b(x y(x = z(x + z 0 (x hvor z(x er en løsning til den homogene part af systemet. Calculus 2-2006 Uge 48.2-4

Konstante koefficienter [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.5 Den lineære ligning med konstante koefficienter dx = ay + b har fuldstændig løsning givet ved a = 0: y(x = C + bx a 0: hvor C er arbitrær. y(x = Ce ax b a Calculus 2-2006 Uge 48.2-5 Ikke konstante koefficienter [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.7 Den homogene lineære ligning har fuldstændig løsning dx = a(xy y(x = Ce A(x hvor C er arbitrær og A(x = a(x dx Calculus 2-2006 Uge 48.2-6

Ikke konstante koefficienter [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.7 - Bevis dx = a(xy er separabel med løsninger y = a(xdx ln y = A(x + K y(x = Ce A(x Calculus 2-2006 Uge 48.2-7 Inhomogen ligning [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.9 Den generelle lineære ligning har fuldstændig løsning dx = a(xy + b(x y(x = Ce A(x + B(xe A(x hvor C er arbitrær og A(x = a(x dx, B(x = e A(x b(x dx Calculus 2-2006 Uge 48.2-8

Inhomogen ligning [LA] 15 Lineær differentialligning Sætning 15.5,9 - Bevis z(x = e A(x y(x opfylder ligningen som integreres til og forlænges til dz dx = e A(x b(x z(x = B(x + C y(x = Ce A(x + B(xe A(x Calculus 2-2006 Uge 48.2-9 Løsningsmetode [LA] 15 Lineær differentialligning Bemærkning 15.10 - metode dx = a(xy + b(x 1. Bestem en stamfunktion A(x = a(x dx 2. Bestem en stamfunktion B(x = e A(x b(x dx 3. Skriv løsningen y(x = Ce A(x + B(xe A(x Calculus 2-2006 Uge 48.2-10

Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Eksempel 15.11 - Opgave 7 Angiv den fuldstændige løsning til differentialligningen y + 2y = xe 2x + 3 Angiv endvidere den partikulære løsning y(x, der opfylder y(0 = 2. Løsning giver y = 2y + (xe 2x + 3 a(x = 2, b(x = xe 2x + 3 Calculus 2-2006 Uge 48.2-11 Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Eksempel 15.11 - fortsat A(x = a(x dx = 2 dx = 2x B(x = e A(x b(x dx = e 2x (xe 2x + 3dx Som giver = 1 2 x2 + 3 2 e2x Calculus 2-2006 Uge 48.2-12

Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Eksempel 15.11 - fortsat fuldstændig løsning y(x = Ce A(x + B(xe A(x = Ce 2x + ( 1 2 x2 + 3 2 e2x e 2x = Ce 2x + 1 2 x2 e 2x + 3 2 Calculus 2-2006 Uge 48.2-13 Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Eksempel 15.11 - fortsat I den partikulære løsning bestemmes C ved y(0 = 2. y(0 = Ce 0 + 3 2 = 2 I alt er løsningen C = 2 3 2 = 1 2 y(x = 1 2 e 2x + 1 2 x2 e 2x + 3 2 = 1 2 (1 + x2 e 2x + 3 2 Calculus 2-2006 Uge 48.2-14

Lineært system Definition 16.1 Ved et lineært differentialligningssystem (2 ligninger med konstante koefficienter forstås 1 dx = a 11 y 1 + a 12 y 2 + b 1 2 dx = a 21 y 1 + a 22 y 2 + b 2 En løsning er differentiable funktioner x y 1 (x, x y 2 (x som indsat opfylder lignningerne. Calculus 2-2006 Uge 48.2-15 Lineært system på matrixform Definition 16.2 - matrixform For 2 2-matricen A = (a ij, koefficientmatricen, og 2-søjlerne b = (b i, y(x = (y i (x skrives differentialligningssystem eller En løsning skrives dx = Ay + b ( ( ( 1 a dx 11 a 12 2 = a dx 21 a 22 y 1 y 2 ( y 1 (x x y(x = y 2 (x + ( b 1 b 2 Calculus 2-2006 Uge 48.2-16

Lineært system Bemærkning 16.3 Givet 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlerne b = (b i, y(x = (y i (x kaldes systemet dx = Ay homogent og er den homogene part af det inhomogene, b 0, system dx = Ay + b Calculus 2-2006 Uge 48.2-17 Lineær struktur Sætning 16.5 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlen y(x = (y i (x. Hvis z 1 (x, z 2 (x er løsninger til det homogene lineære differentialligningssystem så er enhver linearkombination også en løsning. dx = Ay z(x = C 1 z 1 (x + C 2 z 2 (x Calculus 2-2006 Uge 48.2-18

Lineær struktur Sætning 16.5 - fortsat Betragt yderligere 2-søjlen b. Hvis z 0 (x er en løsninger til det inhomogene lineære differentialligningssystem så er enhver løsning af formen dx = Ay + b y(x = z(x + z 0 (x hvor z(x er en løsning til den homogene part af systemet. Calculus 2-2006 Uge 48.2-19 Diagonal system Eksempel 16.6 Systemet y 1 = λ 1 y 1 y 2 = λ 2 y 2 har diagonalmatricen Λ = ( λ 1 0 0 λ 2 som koefficientmatrix. e 1, e 2 er egenvektorer og basis for R 2. Calculus 2-2006 Uge 48.2-20

Diagonal system Eksempel 16.6 - fortsat Fra Sætning 1.3 fås den fuldstændige løsning y 1 (x = C 1 e λ 1x, y 2 (x = C 2 e λ 2x på vektorform giver dette ( ( ( y 1 (x C 1 e λ 1x y(x = = = C y 2 (x C 2 e λ 2x 1 eller udtrykt ved egenvektorerne e λ 1x 0 ( 0 + C 2 e λ 2x y(x = C 1 e λ 1x e 1 + C 2 e λ 2x e 2 Calculus 2-2006 Uge 48.2-21 En egenvektor Sætning 16.7 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlen y(x = (y i (x samt det homogene lineære differentialligningssystem dx = Ay Hvis u er en egenvektor for A med egenværdi λ, så er løsninger, hvor C er arbitrær. y(x = Ce λx u Calculus 2-2006 Uge 48.2-22

Egenvektor og løsning Sætning 16.8 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlerne b = (b i, y(x = (y i (x samt det lineære differentialligningssystem dx = Ay + b En konstant funktion y(x = v er en løsning, hvis Av = b. Hvis yderligere u er en egenvektor for A med egenværdi λ, så er løsninger, hvor C er arbitrær. y(x = Ce λx u + v Calculus 2-2006 Uge 48.2-23 Flere egenvektorer Sætning 16.9 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlen y(x = (y i (x samt det homogene lineære differentialligningssystem Hvis dx = Ay y 0 = C 1 u 1 + C 2 u 2 er en linearkombination af egenvektorer for A, med egenværdier λ 1, λ 2, Au j = λ j u j, så er y(x = C 1 e λ 1x u 1 + C 2 e λ 2x u 2 en løsning, der opfylder y(0 = y 0. Calculus 2-2006 Uge 48.2-24

Diagonaliserbar system system Sætning 16.10 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlen y(x = (y i (x samt det homogene lineære differentialligningssystem dx = Ay Hvis matricen U med søjler u 1, u 2 diagonaliserer A med egenværdier λ 1, λ 2, Au j = λ j u j, så er den fuldstændige løsning givet ved y(x = C 1 e λ 1x u 1 + C 2 e λ 2x u 2 hvor C 1, C 2 er arbitrære. Calculus 2-2006 Uge 48.2-25 Fuldstændig løsning Sætning 16.11 Betragt 2 2-matricen A = (a ij og 2-søjlerne b = (b i, y(x = (y i (x samt det lineære differentialligningssystem dx = Ay + b En konstant funktion y(x = v er en løsning, hvis Av = b. Hvis matricen U med søjler u 1, u 2 diagonaliserer A med egenværdier λ 1, λ 2, Au j = λ j u j, så er den fuldstændige løsning givet ved y(x = C 1 e λ 1x u 1 + C 2 e λ 2x u 2 + v hvor C 1, C 2 er arbitrære. Calculus 2-2006 Uge 48.2-26

Opgave Eksempel 16.12 - opgave Betragt differentialligningssystemet y 1 = y 1 + y 2 y 2 = 8y 1 y 2 Det oplyses, at vektoren u = (1, 2 er en egenvektor for matricen A = ( 1 1 8 1 Angiv den løsning y(x = (y 1 (x, y 2 (x der opfylder y(0 = u, altså (y 1 (0, y 2 (0 = (1, 2. Calculus 2-2006 Uge 48.2-27 Opgave Eksemple 16.12 - fortsat Egenværdien λ = 3 fås af udregningen ( ( 1 1 1 Au = = 8 1 2 ( 3 6 = 3u I følge [LA] Sætning 27 er ( y(x = Ce 3x 1 2 løsninger for alle valg af C. Calculus 2-2006 Uge 48.2-28

Opgave Eksemple 16.12 - fortsat ( y(x = Ce 3x 1 2 som opfylder (y 1 (0, y 2 (0 = C(1, 2 = (1, 2 fås for C = 1. Den ønskede løsning skrevet ud y 1 (x = e 3x y 2 (x = 2e 3x Calculus 2-2006 Uge 48.2-29 Opgave Eksemple 16.14 - opgave Angiv den fuldstændige løsning til differentialligningssystemet y 1 = y 1 + 2y 2 8 y 2 = 2y 1 + y 2 7 Løsning Koefficientmatricen er A = ( 1 2 2 1 Calculus 2-2006 Uge 48.2-30

Opgave Eksemple 16.14 - fortsat Egenværdierne findes som rødder i det karakteristiske polynomium 1 λ 2 A λi 2 = 2 1 λ = λ 2 2λ 3 Egenværdier λ 1 = 1, λ 2 = 3 Calculus 2-2006 Uge 48.2-31 Opgave Eksemple 16.14 - fortsat Egenvektorer hørende til egenværdien 1: ( ( 2 2 1 1 A + I = 2 2 0 0 giver egenvektorer ( x 1 x 2 = ( ( x 2 1 = x 2 x 2 1 Calculus 2-2006 Uge 48.2-32

Opgave Eksemple 16.14 - fortsat Egenvektorer hørende til egenværdien 3: ( ( 2 2 1 1 A 3I = 2 2 0 0 giver egenvektorer ( x 1 x 2 = ( x 2 x 2 = x 2 ( 1 1 Calculus 2-2006 Uge 48.2-33 Opgave Eksemple 16.14 - fortsat Den fuldstændige løsning til den homogene part y 1 = y 1 + 2y 2 y 2 = 2y 1 + y 2 er i følge [LA] Sætning 30 ( y(x = C 1 e x 1 1 + C 2 e 3x ( 1 1 Skrevet ud y 1 (x = C 1 e x + C 2 e 3x y 2 (x = C 1 e x + C 2 e 3x Calculus 2-2006 Uge 48.2-34

Opgave Eksemple 16.14 - fortsat En konstant løsning y(x = v = (v 1, v 2 skal opfylde 0 = v 1 + 2v 2 8 0 = 2v 1 + v 2 7 Dette løses v = ( 2 3 Calculus 2-2006 Uge 48.2-35 Opgave Eksemple 16.14 - fortsat Den fuldstændige løsning til systemet er i følge [LA] Sætning 31 ( y(x = C 1 e x 1 1 y 1 = y 1 + 2y 2 8 y 2 = 2y 1 + y 2 7 + C 2 e 3x ( 1 1 ( 2 + 3 Skrevet ud y 1 (x = C 1 e x + C 2 e 3x + 2 y 2 (x = C 1 e x + C 2 e 3x + 3 Calculus 2-2006 Uge 48.2-36

Ingen egenværdier Eksempel 16.15 Betragt det lineære system y 1 = y 1 y 2 y 2 = y 1 + y 2 Koefficientmatricen A = ( 1 1 1 1 har karakteristisk polynomium λ 2 2λ + 2 med diskriminant 4 og dermed ingen egenværdier. Calculus 2-2006 Uge 48.2-37 Ingen egenværdier Eksemple 16.15 - Løsning Ved brug af komplekse tal findes løsningen ved metoden med egenvektorer ( ( y(x = C 1 e x cos x + C 2 e x sin x sin x cos x Skrevet ud y 1 (x = C 1 e x cos x C 2 e x sin x y 2 (x = C 1 e x sin x + C 2 e x cos x Calculus 2-2006 Uge 48.2-38

1 egenværdi Eksemple 16.16 Betragt det lineære system y 1 = 3y 1 + y 2 y 2 = 3y 2 Koefficientmatricen A = ( 3 1 0 3 har egenværdi 3 og egenrum E 3 = span(e 1. Calculus 2-2006 Uge 48.2-39 1 egenværdi Eksemple 16.16 - Løsning Løsningen bestemmes ved metoden med egenvektorer ( ( y(x = C 1 e 3x 1 + C 2 e 3x x 0 1 Skrevet ud Gør prøve! y 1 (x = C 1 e 3x + C 2 e 3x x y 2 (x = C 2 e 3x Calculus 2-2006 Uge 48.2-40