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

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

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

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

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

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03

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

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

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

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

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.

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

Partielle afledede og retningsafledede

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

DesignMat Lineære differentialligninger I

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

Matematisk modellering og numeriske metoder

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

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.

Projekt 4.6 Løsning af differentialligninger ved separation af de variable

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

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

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

DesignMat Lineære differentialligninger I

Indhold. Litteratur 11

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

Mat H 2 Øvelsesopgaver

Førsteordens lineære differentialligninger

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

Differentialligninger med TI-Interactive!

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

matx.dk Differentialregning Dennis Pipenbring

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

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Differentialligninger af første orden

Karakteristiske funktioner og Den Centrale Grænseværdisætning

MM502+4 forelæsningsslides

2. Fourierrækker i en variabel

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

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

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

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

5.3 Konvergens i sandsynlighed Konvergens i sandsynlighed 55. Hvis vi regner den karakteristiske funktion for X, v ud i argumentet 1, fås

Asymptoter. for standardforsøgene i matematik i gymnasiet Karsten Juul

(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.

MM502+4 forelæsningsslides. uge 6, 2009

MM501 forelæsningsslides

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

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

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Mere om differentiabilitet

Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

Gamle eksamensopgaver (DOK)

Kompleks Funktionsteori

Calculus Uge

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

ANALYSE 1, 2014, Uge 6

Undervisningsbeskrivelse

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

Fordybelsesprojekt Analyse 2, forår 2012 Potensrækker

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Grafisk bestemmelse - fortsat Støttepunkter. Grafisk bestemmelse y. giver grafen. Niveaukurver og retning u = ( 1

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

Gult Foredrag Om Net

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

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

PeterSørensen.dk : Differentiation

Prøveeksamen i Calculus

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

MM501 forelæsningsslides

Differential- regning

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

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

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Eksamen i Mat F, april 2006

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

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

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

Differentialligninger. Ib Michelsen

Reeksamen i Calculus

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

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

Ang. skriftlig matematik B på hf

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

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

Mat H /05 Note 2 10/11-04 Gerd Grubb

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

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

Analyse 2. Gennemgå bevis for Sætning Supplerende opgave 1. Øvelser. Sætning 1. For alle mængder X gælder #X < #P(X).

Matematikprojekt. Differentialregning. Lavet af Arendse Morsing Gunilla Olesen Julie Slavensky Michael Hansen. 4 Oktober 2010

10. Differentialregning

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 10. september Department of Mathematics University of Copenhagen

Dynamiske Systemer. SIR-modellen. Matematik 3. semester 08 Gr. G2-104

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Transkript:

EKSISTENS- OG ENTYDIGHEDSSÆTNINGEN Vi vil nu bevise eksistens- og entydighedssætningen for ordinære differentialligninger. For overskuelighedens skyld vil vi indskrænke os til at undersøge een 1. ordens differentialligning med begyndelsesbetingelse Sætningen vi vil bevise lyder dy = f(x, y) (1) dx y() =. (2) Hvis funktionerne f og f/ y er kontinuerte på et rektangel R = [ a; a] [ c; c], da findes der et interval af formen x a 2, a 2 a i hvilket begyndelsesværdiproblemet (1)-(2) har en og kun en løsning y = φ(x). Bemærkninger Sætningen og dens bevis kan umiddelbart bruges i mere generelle situationer. 1. Hvis begyndelsesbetingelsen er y(x ) = y, kan man skifte variable fra (x, y) til (ξ, η) = (x x, y y ). I de nye variable bliver begyndelsesværdiproblemet netop af formen (1) (2). 2. Hele beviset kan gennemføres, hvis y og f erstattes af vektorfunktioner y = (y 1, y 2,..., y k ) og f = (f 1, f 2,..., f k ). Sætningen gælder altså også for systemer af koblede differentialligninger (se Apostol Bind II, s 229ff) 3. En n te ordens differentialligning dy n d n x = f(x, y, y,..., y (n 1) ) kan omskrives til et system af 1.ordens differentialligninger y = y 1 y 1 = y 2. y n 2 = y n 1 y n 1 = f(x, y, y 1,..., y n 2 ) Så sætningen kan også anvendes på højere ordens differentialligninger. 4. Sætningen her lover kun lokal eksistens og entydighed, men den kan udvides til at give entydighed af de maksimale løsninger. Dette opnås ved at udvide løsningerne indtil man når randen af det område, man betragter. Bemærk, at dette betyder at en løsning y(x) godt kan have et definitionsområde x I, som er et begrænset 1

interval selv om differentialligningen er defineret for alle x R, jvf opgave 6. Punkter der er med i området omfatter nemlig ikke blot punkter, hvor f eller f/ y er diskontinuerte, men også uendelig, sådan at løsninger kan ophøre med at eksistere ved at y eller x går mod uendelig.) 5. Man kan vise at begyndelsesværdiproblemet (1) (2) har løsninger blot f er kontinuert (se Nemytskii and Stepanov, 196). Entydigheden af løsningerne kræver at man har hold på variationen af f f.eks. ved at kræve at f/ y er kontinuert sådan som vi gør. 6. Beviset blev udviklet af den franske matematiker Picard (1856 1941). Beviset falder i en række hjælpesætninger ( lemmaer ). 1. Ligning (1) kan omskrives til en ligning i den ubekendte φ(x) på formen φ(x) = f(t, φ(t)) dt. x [ a; a] (3) Lemma 1. Enkontinuert funktion φ(x) er løsning til (3) hvis og kun hvis den er løsning til begyndelsesværdiproblemet (1) (2). Bevis: Hvis φ(x) er en løsning til (1) (2) er φ(x) en kontinuert funktion, så man kan integrere begge sider af (1) fra til x. Funktionen φ(x) opfylder altså hvilket netop er (3). φ (t) dt = f(t, φ(t)) dt, Hvis omvendt φ(x) opfylder (3), må φ() =, så φ(x) har den rette begyndelsesværdi. Da φ(x) er integralet af en kontinuert funktion, er φ(x) differentiabel. Ved differentation af (3) fås (1). Hvilket viser lemmaet. Fordelen ved at benytte ligning (3) frem for (1) er, at integration gør funktionerne pænere. Mere præcist: afbildningen T : φ(x) f(t, φ(t)) dt fra mængden af kontinuerte funktioner på [ a; a] ind i mængden af funktioner på [ a; a], afbilder kontinuerte funktioner ind i differentiable funktioner, mens afbildningen D : φ(x) φ (x) f(x, φ(x)) 2

afbilder differentiable funktioner ind i funktioner, som måske ikke en gang er kontinuerte. Ved at benytte (3) frem for (1) opnår vi, at selve formuleringen hjælper os med at holde styr på at funktionerne bliver pæne. 2. Ideen er nu, at afbildningen T kan benyttes til at danne en følge af (kontinuerte) funktioner, der konvergerer mod den søgte løsning. Vi skal starte med at vælge en funktion φ (x), hvis graf ligger helt inde i R. Følgens næste element fås ved at benytte afbildningen T på φ (x): φ 1 (x) = T (φ ) = og følgens n te element fås som φ n (x) = T (φ n 1 ) = f(t, φ (t)) dt f(t, φ n 1 (t)) dt. (4) Det næste skridt (Lemma 2) går ud på at sikre sig, at T (φ(x)) er en funktion, hvis graf også ligger i R. Punkt 4 og 5 skal sikre at funktionsfølgen φ, φ 1,... er konvergent. 3. Da vi kun har kontrol over funktionen f i rektanglet R, ønsker vi at holde φ erne inden for dette område. Vi skal derfor først sikrer os, at hvis φ(x) c så vil også T (φ) c. Dertil skal vi bruge, at f har et maksimum M i R, da funktionen er kontinuert på den afsluttede og begrænsede mængde R. Vi kan nu vise Lemma 2. Hvis φ(x) c for alle x a og φ() =, da gælder T (φ(x)) Mx. Bevis T (φ(x)) = f(t, φ(t)) dt f(t, φ(t)) dt M dt = Mx. Lemmaet siger, at da vi har styr på størrelsen af φ (x) = f(x, φ(x)) den er jo mindre end M så har vi også styr på, hvor stor φ(x) kan nå at blive. Da Mx godt kan nå at blive større end c, kan vi risikere at T (φ(x)) smutter uden for R. Dette klares ved at indskrænke definitionsområdet for φ erne og dermed R. Vælg 3

a 1 a så Ma 1 c. Hvis vi nøjes med at betragte φ(x) erne på intervallet [ a 1 ; a 1 ], vil grafen for T (φ) aldrig smutte uden for R 1 = [ a 1 ; a 1 ] [ c; c]. 4. Vi vil nu sikre os at afstanden mellem naboelementerne i følgen φ o, φ 1,... aftager eksponentielt, nemlig at max φ n (x) φ n 1 (x) = max T (φ n 1 (x) T (φ n 2 (x) x a 2 x a 2 1 2 max φ n 1 (x) φ n 2 (x) x a 2 (5) for et passende valgt interval [ a 2 ; a 2 ] [ a 1 ; a 1 ]. Ligesom før kan det være nødvendigt at indskrænke definitionsområdet for φ erne for at få vurderingen til at holde, så vi starter med et givet a 2 a 1 og vil så se, om der skal ekstra betingelser på a 2 for at opfylde (5). I dette tilfælde får vi brug for at vide, at da funktionen f/ y er kontinuert i R, har den en størsteværdi L. Sammentrækningsegenskaben (5) er en egenskab ved T, der ikke har noget med følgens elementer at gøre, så vi starter med at betragte to vilkårlige funktioner φ og ψ fra [ a 2 ; a 2 ] til [ c; c]. Afstanden mellem billederne af T (φ(x)) og T (ψ(x)) kan nu bestemmes: T (φ(x)) T (ψ(x)) = hvor ξ t ligger mellem φ(t) og ψ(t) max T (φ(x)) T (ψ(x)) x a 2 = L (f(t, φ(t)) f(t, ψ(t)) dt f(t, φ(t)) f(t, ψ(t) dt f y (t, ξ t)(φ(t)) ψ(t) dt φ(t) ψ(t) dt La 2 max x a 2 φ(x) ψ(x). Vi skal altså vælge a 2 så lille, at La 2 1 2, og a 2 a 1 for at sikre os, at (4) holder. Dett giver os at der for alle φ og ψ fra [ a 2 : a 2 ] til [ c; c] gælder max T (φ(x)) T (ψ(x)) 1 x a 2 max φ(x) ψ(x). (6) 2 x a 2 5. Vi er nu parat til at se at følgen φ, φ 1,... er konvergerer mod en kontinuert funktion. Her til vælges et bestemt φ, der kunne være φ (x) =. Det eneste krav 4

til φ er, at grafen skal ligge helt i rektanglet [ a 2 ; a 2 ] [ c; c]. Betragt rækken (φ n (x) φ n 1 (x)). n= Rækken er en teleskop-række. Det N te afsnit S N = φ N (x) φ (x). Afsnitsfølgen S N er imidlertid uniformt kongervent på intervallet [ a 2 ; a 2 ], da rækken har har en konvergent majorantrække: φ n (x) φ n 1 (x) ( 1 2 )n φ 1 (x) φ (x) ( 1 2 )n max x a2 φ 1 (x) φ (x). Vi slutter deraf at φ N (x) = S N (x) φ o (x) er konvergere uniformt mod en kontinuert funktion φ(x). 6. Vi mangler nu kun at se at grænsefunktionen φ er løsning til (3). Dette indses ved at tage grænseværdi på begge sider af (4). Vi får lim φ n(x) = lim n n Udtrykket på venstre side er per definition φ(x). f(t, φ n (t)) dt. På højre side ønsker vi at ombytte grænseværdi og integral. For at kunne gøre det må vi først se efter om følgen f(t, φ n (t)) er uniformt konvergent; hertil benyttes endnu en gang middelværdisætningen: f(t, φ n (t)) f(t, φ n 1 (t)) f y (t, ξ t)(φ n (t) φ n 1 (t)) L φ n (t) φ n 1 (t), hvor ξ t ligger mellem φ n (t) og φ n 1 (t). Da φ n konvergerer uniformt, må f(t, φ n (t)) altså også gøre det. Indsættelse af grænsefunktionerne giver nu det ønskede: φ(x) = f(t, φ(t)) dt, så φ(x) er en løsning til (3) og dermed til begyndelsesværdiproblemet (1) (2). 7. Sammentrækningsegenskaben (6) viser umiddelbart at ligningen φ = T (φ) har højst een løsning, thi hvis φ(x) og ˆφ(x) begge er løsninger gælder max φ(x)) ˆφ(x) = max T (φ(x)) T ( ˆφ(x)) 1 x a 2 x a 2 max x a 2 φ(x)) ˆφ(x) 2 5

som kun kan være sandt hvis φ(x) = ˆφ(x) for alle x i [ a 2 ; a 2 ]. Bemærkninger I beviset var vi nødt til to gange at indskrænke definitionsmængden for φ erne for at undgå at φ kunne løbe ovenud af rektanglet. Dette forklarer, hvorfor man kan risikere at definitionsmængden for maksimale løsninger kan være et begrænset interval selv om differentialligningens højre side er pæn (C 1 ) for alle (x, y). Opgaver EE 1. Betragt begyndelsesværdiproblemet y (x) = 2x(1 + y) y() =. a) Dan de første tre elementer i Picard følgen φ =, φ 1,.... b) Det oplyses at det n te element i følgen er φ n (x) = x 2 + x4 2 + x6 3! + x8 4! +... + x2n n!. Find det (n + 1) te element i følgen. c) Vis at Pirardfølgen er konvergent. d) Find sumfunktionen. Vink: Sæt u = x 2. e) Find løsningen til differentialligningen ved separation af variable. EE 2. Find de første tre fire led af Picard-følgen φ = 1, φ 1,... for hver af følgende begyndelsesværdiproblemer a) y = x 2 + y 2, y() = 1. b) c) y = y 4/3, y() =. y = sin y, y() =. EE 3. Vis at y(x) = cos( 1 2 x2 ) er løsning til begyndelsesværdiproblemet y = x 1 y 2 y() = 1. Find endnu en løsning, og gør rede for hvorfor eksistens- og entydighedssætningen ikke gælder i denne situation. 6

EE 4. a) Vis, at funktionen er differentiabel. {, for x < c; y c (x) = 1 27 (x c)3, for x c b) Gør rede for, at y c (x), c er løsning til differentialligningen samt at også y(x) = er en løsning. dy dx = y2/3, y() =, c) Hvorfor strider dette eksempel ikke mod eksistens- og entydighedssætningen? EE 5. Angiv for hver af følgende differentialligninger det område i xy-planen, hvor eksistens- og entydighedsætningen garanterer, at der går netop een løsningskurve gennem et givet punkt. a) y = (x y)/(2x + 5y) b) y = (1 x 2 y 2 ) 1/2 c) y = (2xy)/(1 + y 2 ) d) y = 3(x + y) 2 e) y = (ln xy )7(1 x 2 + y 2 ) f) y = (x 2 + y 2 ) 3/2 EE 6. Eftervis, at φ(x) = [2(x + c)] 1/2 er en løsning til differentialligningen y + y 3 =. Find den løsning, der opfylder begyndelsesbetingelsen y(1) = 2. Hvor er løsningen gyldig? Bemærk, at y = er en løsning til ligningen, selv om den ikke kan fås ved at vælge en passende værdi af c i udtrykket for φ(x). Litteratur Boyce, W.E., and R.C. DiPrima. 1986. Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems (4th ed), Wiley, New York. Braun, M. 1983. Differential Equations and Their Applications, Springer, Berlin. Heefelt, M.B. 1979. Linære Differentialligninger og differentialligningssystemer, IMFUFA Tekst 12, RUC, Roskilde. Hirsch, M.W., and S. Smale. 1974. Differential Equations, Dynamical Systems, and Linear Algebra, Academic Press, San Diego. Nemytskii, V.V., and V.V. Stepanov. 196. Qualitative Theory of Differential Equations, Princeton University Press, Princeton. 7