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

Relaterede dokumenter
Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

er en n n-matrix af funktioner

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

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

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

Oversigt [S] 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5

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.

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

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

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

Calculus Uge

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

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

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

Matematisk modellering og numeriske metoder

Mat H 2 Øvelsesopgaver

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

MM501 forelæsningsslides

MASO Uge 8. Invers funktion sætning og Implicit given funktion sætning. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

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

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

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

Differentialligninger. Ib Michelsen

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

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.

Gamle eksamensopgaver (DOK)

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.

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

Funktion af flere variable

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Fordybelsesprojekt Analyse 2, forår 2012 Potensrækker

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

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

Ekstremum for funktion af flere variable

Oplægget henvender sig primært til specielt interesserede 3g elever med matematik A og kemi A.

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

GEOMETRI-TØ, UGE 6. . x 1 x 1. = x 1 x 2. x 2. k f

Lotka-Volterra modellen

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Test grafisk afledede Højere partielle afledede Differentiationsordenen er ligegyldig Partielle differentialligninger Test Laplaces ligning

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

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

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

Oversigt [LA] 3, 4, 5

MM502+4 forelæsningsslides. uge 6, 2009

Figur y. Nøgleord og begreber Tangentlinje for graf Tangentplan for graf

Differentialligninger Hvad beskriver en differentialligning? Hvordan noget ændrer sig (oftest over tid). Tangenthældninger langs en kurve.

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

DesignMat Lineære differentialligninger I

Differentiabilitet. f(h) = f(x 0 +h) f(x 0 ). y = f(x) f(h) df(h) Figur 1: Tangent, tilvækst og differential. lim. df(h) = f (x 0 )h.

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

Prøveeksamen i Calculus

Mere om differentiabilitet

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.

Differentialligninger af første orden

Partielle afledede og retningsafledede

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

DesignMat Lineære differentialligninger I

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

MM501 forelæsningsslides

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

Det Teknisk-Naturvidenskabelige Basisår Computerstøttet Beregning Naturvidenskab - Datalogi/Software/Matematik E-OPG 3

Eksamen i Mat F, april 2006

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Peter Harremoës Matematik A med hjælpemidler 17. august Stamfunktionen til t 1 /2. Grænserne er indsat i stamfunktionen. a 2 +9.

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

Oversigt [LA] 11, 12, 13

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Oversigt [S] 9.6, 11.1, 11.2, App. H.1

Undervisningsbeskrivelse

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

Oversigt [S] 5.2, 5.4, 12.1

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

Lineær Algebra - Beviser

Differentialligninger med TI Nspire CAS version 3.1

Vektorfelter. enote Vektorfelter

MATEMATIK A-NIVEAU Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012 Differentialligninger

Differentialligninger med TI-Interactive!

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.

Kompleks Funktionsteori

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Numeriske metoder - til løsning af differentialligninger - fra borgeleo.dk

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

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

12.1 Cayley-Hamilton-Sætningen

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Reeksamen i Calculus

Transkript:

Oversigt [S] 7.2, 7.5, 7.6; [LA] 18, 19 Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Elementære funktioner Eksponential af matrix Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt for system Eulers metode for system Stabilitet Stabilitet for logistisk ligning Stabilitet for Lotka-Voltera system Calculus 2-2006 Uge 49.2-1

Ligning og løsning [LA] 18 Generel differentialligning Definition 18.1 Lad I,J være åbne intervaller og F(x,y) : I J R en reel funktion. En løsning til differentialligningen dy dx = F(x,y) er en differentiabel funktion y(x) : I J på et åbent delinterval I I, som indsat giver y (x) = F(x,y(x)), x I Calculus 2-2006 Uge 49.2-2

Eksistens og entydighed [LA] 18 Generel differentialligning Sætning 18.2 Antag at F(x,y) er kontinuert og F (x,y) eksisterer og er y kontinuert i I J. For et givet (x 0,y 0 ) I J findes entydigt bestemt et maximalt delinterval I I og en differentiabel funktion y(x) : I J, som er en løsning til differentialligningen og opfylder dy dx = F(x,y) y(x 0 ) = y 0 Calculus 2-2006 Uge 49.2-3

Eksistens og entydighed [LA] 18 Generel differentialligning Bemærkning 18.3 Den udvidede ligning dy dx = F(x,y),y(x 0) = y 0 kaldes et begyndelsesværdiproblem. Eksistens- og entydighedssætningen for begyndelsesværdiproblemer har en naturlig og vigtig udvidelse til differentialligningssystemer. Calculus 2-2006 Uge 49.2-4

Ingen explicitte løsninger [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.4 Differentialligningen dy dx = x3 y + e xy har løsningskurver igennem ethvert (x 0,y 0 ) R R. Løsninger kan ikke umiddelbart udtrykkes ved kendte elementære funktioner. Calculus 2-2006 Uge 49.2-5

Exponentialfunktionen [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.5 Den entydigt bestemte løsning til begyndelsesværdiproblemet dy dx = y, y(0) = 1 er eksponentialfunktionen y(x) = e x Calculus 2-2006 Uge 49.2-6

Elementære funktioner [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.8 Den entydigt bestemte løsning til begyndelsesværdiproblemet er de trigonometriske funktioner dy 1 dx = y 2 dy 2 dx = y 1 y 1 (0) = 1, y 2 (0) = 0 y 1 (x) = cos x y 2 (x) = sin x Calculus 2-2006 Uge 49.2-7

Eksponential af matrix [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.9 Lad A være en n n-matrix og lad Y(x) være en n n-matrix af funktioner. Den entydigt bestemte løsning til begyndelsesværdiproblemet er en n n-matrix af funktioner som kaldes eksponentialet. dy dx = AY Y(0) = I n Y(x) = exp(ax) Calculus 2-2006 Uge 49.2-8

Eksponential af matrix [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.9 - fortsat Hvis Λ er diagonalmatricen med indgange λ 1,...,λ n, så er exp(λ) diagonalmatricen med indgange e λ 1x,...,e λ nx. Calculus 2-2006 Uge 49.2-9

Eksponential af matrix [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.9 - fortsat Hvis Λ er diagonalmatricen med indgange λ 1,...,λ n, så er exp(λ) diagonalmatricen med indgange e λ 1x,...,e λ nx. Hvis U diagonaliserer A, A = UΛU 1. Så kan eksponentialet beregnes ved exp(ax) = U exp(λx)u 1 Calculus 2-2006 Uge 49.2-9

Eksponential af matrix [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel 18.9 - fortsat Hvis Λ er diagonalmatricen med indgange λ 1,...,λ n, så er exp(λ) diagonalmatricen med indgange e λ 1x,...,e λ nx. Hvis U diagonaliserer A, A = UΛU 1. Så kan eksponentialet beregnes ved Der gælder loven exp(ax) = U exp(λx)u 1 exp(ax 1 + Ax 2 ) = exp(ax 1 ) exp(ax 2 ) Calculus 2-2006 Uge 49.2-9

Eksponential af matrix [LA] 18 Generel differentialligning Eksempel ( 18.10 ) 0 1 Lad A =. Så er eksponentialet exp(ax) = 0 0 LØSNING. Differentialligningssystemet er: ( ) ( ) ( ) y 11 y 12 0 1 y 11 y 12 = y 21 y 22 0 0 y 21 y 22 = ( y 21 y 22 0 0 ( ) 1 x 0 1. ) samt betingelsen ( ) y 11 (0) y 12 (0) y 21 (0) y 22 (0) = ( ) 1 0 0 1 Hvilket giver y 21 (x) = 0,y 22 (x) = 1,y 11 (x) = 1,y 12 (x) = x. Calculus 2-2006 Uge 49.2-10

Grafisk løsning [S] 7.2 Direction fields... ; [LA] 18 Generel diff... Eksempel 1 - Retningsfelt dy dx = x3 y + e xy y 1 0 1 x Calculus 2-2006 Uge 49.2-11

Logistisk ligning grafisk [S] 7.5 The logistic equation Eksempel For den logistiske ligning dp dt = 0.08P(1 P 1000 ) prøver vi at tilnærme graferne for løsningerne med små tangentstykker. Calculus 2-2006 Uge 49.2-12

Logistisk ligning grafisk [S] 7.5 The logistic equation Eksempel For den logistiske ligning dp dt = 0.08P(1 P 1000 ) prøver vi at tilnærme graferne for løsningerne med små tangentstykker. I et givet punkt (t 1,P 1 ) vil en tangent have ligning P = P 1 + 0.08P 1 (1 P 1 1000 )(t t 1) Calculus 2-2006 Uge 49.2-12

Grafisk løsning [S] 7.5 The logistic equation Retningsfelt P 1000 0 100 t Calculus 2-2006 Uge 49.2-13

Logistisk ligning - Eulers metode [S] 7.5 The logistic equation Eksempel 2 For det logistiske begyndelsesværdiproblem dp dt = 0.08P(1 P ), P(0) = 100 1000 prøver vi at tilnærme løsningen med differentialet i små intervaller. Calculus 2-2006 Uge 49.2-14

Logistisk ligning - Eulers metode [S] 7.5 The logistic equation Eksempel 2 For det logistiske begyndelsesværdiproblem dp dt = 0.08P(1 P ), P(0) = 100 1000 prøver vi at tilnærme løsningen med differentialet i små intervaller. I et givet punkt (P n,t n ) vil differentialet være og dp = 0.08P n (1 P n 1000 )dt P P n + 0.08P n (1 P n 1000 )(t t n) Calculus 2-2006 Uge 49.2-14

Eulers metode [S] 7.5 The logistic equation Eulers metode Tabellæg løsning til dp dt = 0.08P(1 P ), P(0) = 100 1000 n t n P n 1 10.0 172.0 2 20.0 285.9 3 30.0 449.3 4 40.0 647.2 5 50.0 829.9 n t n P n 6 60.0 942.8 7 70.0 985.9 8 80.0 997.0 9 90.0 999.4 10 100.0 999.9 Calculus 2-2006 Uge 49.2-15

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel For Lotka-Volterra systemet dr dt dw dt = kr arw = rw + brw er hastighedsfeltet i RW -planen givet ved vektorerne ( dr dt, dw ) = (kr arw, rw + brw) dt Calculus 2-2006 Uge 49.2-16

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 For Lotka-Volterra systemet k = 0.08,a = 0.001,r = 0.02,b = 0.00002 dr dt dw dt = 0.08R 0.001RW = 0.02W + 0.00002RW tegnes hastighedsfeltet i RW -planen. Calculus 2-2006 Uge 49.2-17

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - figur W 100 0 1000 Hastighedsfeltet R Calculus 2-2006 Uge 49.2-18

Eulers metode [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - Eulers metode For Lotka-Volterra systemet k = 0.08,a = 0.001,r = 0.02,b = 0.00002 dr dt dw dt = 0.08R 0.001RW = 0.02W + 0.00002RW prøver vi at tilnærme løsningen med differentialet. Calculus 2-2006 Uge 49.2-19

Eulers metode [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - Eulers metode For Lotka-Volterra systemet k = 0.08,a = 0.001,r = 0.02,b = 0.00002 dr dt dw dt = 0.08R 0.001RW = 0.02W + 0.00002RW prøver vi at tilnærme løsningen med differentialet. I et givet punkt (R n,w n ) vil differentialet være dr = (0.08R n 0.001R n W n )dt dw = ( 0.02W n + 0.00002R n W n )dt Calculus 2-2006 Uge 49.2-19

Eulers metode [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - Eulers metode Tabellæg løsning til R = 1000 og W = 75 månedsvis: n R n W n 0 1000 75 1 1005 75 2 1010 75 3 1015 75 4 1020 75 5 1025 75 6 1030 75 n R n W n 7 1035 75 8 1040 75 9 1045 75 10 1050 75 11 1055 75 12 1060 75 13 1065 76 n R n W n 14 1069 76 15 1074 76 16 1079 76 17 1083 76 18 1087 76 19 1091 76 20 1095 76 Calculus 2-2006 Uge 49.2-20

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel Vi viser nu hastighedsfelter for forskellige lineære systemer. figur 1 To positive egenværdier figur 2 En positiv og en negativ egenværdi figur 3 En egenværdi med multiplicitet 2 figur 4 Ingen reelle egenværdier Calculus 2-2006 Uge 49.2-21

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 1 To positive egenværdier y 2 y 1 Calculus 2-2006 Uge 49.2-22

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 2 En positiv og en negativ egenværdi y 2 y 1 Calculus 2-2006 Uge 49.2-23

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 3 En egenværdi med multiplicitet 2 y 2 y 1 Calculus 2-2006 Uge 49.2-24

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 4 Ingen reelle egenværdier y 2 y 1 Calculus 2-2006 Uge 49.2-25

Autonom ligning [LA] 19 Stabilitet Definition 19.1 En differentialligning kaldes et autonom system. En konstant løsning dy dx = F(y) y(x) = b,f(b) = 0 kaldes en ligevægt. En ligevægt kaldes (lokal) stabil, hvis enhver løsning y(x) som kommer tilstrækkelig tæt på b, vil konvergere mod b for x gående mod uendelig. I modsat fald kaldes ligevægten ustabil. Der er en oplagt udvidelse til differentialligningsystemer. Calculus 2-2006 Uge 49.2-26

Ligevægt Eksempel 19.2 Den autonome ligning y = ay + b, a 0 har ligevægtsløsningen y [LA] 19 Stabilitet y = ay + b y(x) = b a Der gælder: a < 0: stabil ligevægt a > 0: ustabil ligevægt FASEDIAGRAM y Calculus 2-2006 Uge 49.2-27

Ligevægt og stabilitet [LA] 19 Stabilitet Bemærkning 19.3 For en ligevægt y(x) = b, F(b) = 0 for det autonome system gælder F (b) < 0: Stabil ligevægt. F (b) > 0: Ustabil ligevægt. F (b) = 0: Ingen konklusion. dy dx = F(y) Calculus 2-2006 Uge 49.2-28

Ligevægt og stabilitet [LA] 19 Stabilitet Bemærkning 19.3 - figur y y Fasediagram y = F(y) Calculus 2-2006 Uge 49.2-29

Ligevægt og stabilitet [LA] 19 Stabilitet Bemærkning 19.4 I en omegn af en ligevægt y(x) = b,f(b) = 0 kan det autonome begyndelsesværdiproblem dy dx = F(y),y(x 0) = b + ǫ tilnærmes med den lineære ligning hvor y(x) b + z(x). dz dx = F (b)z,z(x 0 ) = ǫ Calculus 2-2006 Uge 49.2-30

Logistisk stabilitet [LA] 19 Stabilitet Eksempel 19.6 Den logistiske ligning dp dt = kp(1 P K ) har ligevægts løsninger og P(t) = 0, P(t) = K F (P) = 2k K P + k F (0) = k > 0: 0 Ustabil ligevægt. F (K) = k: K Stabil ligevægt. Calculus 2-2006 Uge 49.2-31

Logistisk stabilitet [LA] 19 Stabilitet Eksempel 19.6 - figur P P Fasediagram P = kp(1 P K ) Calculus 2-2006 Uge 49.2-32

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 19 Stabilitet Eksempel 19.7 For Lotka-Volterra systemet, a,b,k,r > 0, dr dt dw dt = kr arw = rw + brw er der to ligevægtsløsninger (R,W) = (0, 0), (R,W) = (r/b,k/a) Calculus 2-2006 Uge 49.2-33

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 19 Stabilitet Eksempel 19.7 - fortsat I (R, W) = (0, 0) er den lineære approximation som giver en ustabil ligevægt. dr dt = kr dw = rw dt Calculus 2-2006 Uge 49.2-34

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 19 Stabilitet Eksempel 19.7 - fortsat I (R, W) = (r/b, k/a) er den lineære approximation for ( R, W) = (R r/b,w k/a) d R dt = ar b W d W = bk dt a R som har en ustabil ligevægt. Man kan vise, at løsningskurverne t (R(t),W(t)) for det oprindelig system er deformationer af cirkler omkring ligevægtspunktet. Der er altså en cyklisk udvikling i modellen. Calculus 2-2006 Uge 49.2-35

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - figur W 100 0 1000 Hastighedsfeltet R Calculus 2-2006 Uge 49.2-36