Lektion ordens lineære differentialligninger

Relaterede dokumenter
Lektion ordens lineære differentialligninger

Lektion 8 Differentialligninger

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

BASE. Besvarelse til individuel skriftlig test

Lektion 9 Vækstmodeller

DesignMat Lineære differentialligninger I

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

DesignMat Lineære differentialligninger I

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

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

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

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

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

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

Mat H 2 Øvelsesopgaver

Dosering af anæstesistoffer

Ny cocktail til test af renseeffekt

Eksamen i Mat F, april 2006

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

Førsteordens lineære differentialligninger

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

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

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.

Differentialligninger. Ib Michelsen

STOMI INFO. Motion og livsstil

Lektion 6 Logaritmefunktioner

Q (0, 1,0) MF(161): y a( x) y b( x) har løsningen: y e b( x) bx ( ) e dx e e dx e dx e. y e 8e. Delprøve uden hjælpemidler: kl

DiploMat. Eksempel på 4-timersprøve.

Hans J. Munkholm: En besvarelse af

Projekt 4.9 Bernouillis differentialligning

Skriftlig eksamen BioMatI (MM503)

Lektion 7 Eksponentialfunktioner

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Eksamen i Mat F, april 2006

Opgaver til Maple kursus 2012

BabyDos - Et fuldautomatisk restfri minivådfoderanlæg

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

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

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

DiploMat 1 Inhomogene lineære differentialligninger

Matematik A. Studentereksamen. Skriftlig prøve (5 timer) Fredag den. december kl... STX MAA LQGG

Salt 2. ovenfor. x = Tid (minutter) y = gram salt i vandet

Differentialligninger nogle beviser og modeller

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Matematisk modellering og numeriske metoder

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

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

1RWHWLOGLIIHUHQWLDOOLJQLQJHU

Vækst Et forløb i matema7k og bioteknologi

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

Sådan kommer du i gang!

Bevægelsens Geometri

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

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

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

Matematik F2 Opgavesæt 6

Differentialligninger af første orden

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

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

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

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

Navision Stat 9.3. Kvikguide for håndtering af Peppol dokumenter. Overblik. Side 1 af 12. ØSY/kkp Dato

Prøveeksamen MR1 januar 2008

EJERAFTALE. mellem. Køge Forsyningsinvest ApS. Cvr. nr Vasebækvej Køge. Stevns Forsyningsinvest ApS. Cvr. nr.

Bernoullis differentialligning v/ Bjørn Grøn Side 1 af 10

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Eksamen i fysik 2016

KOMMISSIONENS FORORDNING (EU)

ADGANG TIL EGNE DATA ADGANG TIL EGNE DATA ADGANG TIL EGNE DATA. IT-Arkitekturrådet, 2. maj 2016

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Brikker til Tekst 1: Bag om varen

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

Differentialligninger

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

2. ordens differentialligninger. Svingninger.

Danmarks Tekniske Universitet

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

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet. 5.

Løsningsforslag til opgavesæt 5

Løsningsforslag til opgavesæt 5

Nogle kunstnere s ger selv honorartilskud fra fonde, kunststyrelsen eller lignede.

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2018

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

REFERAT afmøde i Det Naturvidenskabelige Studienævn torsdag den 15. marts kl i lokale 078

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Nyhedsbrev til abonnenter - Juli Kasserede EU-regler

Projekt 4.6 Løsning af differentialligninger ved separation af de variable

Studstrupværkets Havn

Brugertilfredshedsundersøgelse borger.dk - konklusioner. 17. december 2018 JYSK ANALYSE A/S

Klassificering af vandløb

ØVEHÆFTE FOR MATEMATIK C EKSPONENTIEL SAMMENHÆNG

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

Danmarks Tekniske Universitet

Danmarks Tekniske Universitet

Prøveeksamen i Calculus

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

DOK-facitliste DOK. DOK-facitliste 1

Transkript:

Lektion 11 1. ordens lineære differentialligninger Lineære differentialligninger Lineære differentialligninger af 1. orden 1. homogene 2. inhomogene Lineære differentialligninger af 1. orden med konstante koefficienter 1. homogene 2. inhomogene 1-kammer modeller 1

Lineære differentialligninger En sædvanlig differentialligning af formen y (n) () + a 1 ()y (n 1) () + + a n 1 ()y (1) () + a n ()y() = b() kaldes en nte orden lineær differentialligning. (Vi skal kun se på n = 1 og n = 2.) Hvis b() = 0 har vi en homogen ligning, ellers en inhomogen ligning. Den generelle løsning har formen y() = y 0 () + c 1 y 1 () + + c n y n () hvor y 0 er en partikulær løsning, c 1,..., c n er konstanter, og y 1 (),..., y n () er n godt valgte løsninger til den tilhørende homogene ligning. Vi vil ofte gætte den partikulære løsning y 0 () mens der vil være formler for de homogene løsninger y 1 (),..., y n (). 2

A. 1. ordens homogene ligninger Den homogene lineære første ordens lineær differentialligning ser sådan ud dy d + p()y = 0 med et 0 på højresiden. Den generelle løsning er P () y = Ce hvor P () = p() d er et integral til p() og C er en konstant. Ligningen er nemlig separabel, dy/d = p()y, så vi har: p() d = 1 y dy B P () = ln y y = Ce P () 3

Eksempel 1 Løs differentialligningen dy d + y = 0 Find den løsning, der opfylder y(0) = 5. Løsning: Dette er en homogen første ordens lineær differentialligning med p() =. Da P () = p() d = d = 1 2 2 er y = Ce P () = Ce 1 2 2 i dette tilfælde. Hvis y(0) = 5, så er C = 5 og y = 5e 1 2 2 dy/d+y=0 4 2-2 -1 0 1 2-2 -4 4

Eksempel 2 Løs differentialligningen dy + 10y sin(5) = 0 d Find den løsning, der opfylder y(0) = 1. Løsning: Her er P () = 10 sin(5) d = 2 cos(5) så y = Ce 2 cos(5) Hvis y(0) = 1, så er 1 = Ce 2 og y = e 2 e 2 cos(5) = e 2(cos(5) 1) = ( e (cos(5) 1)) 2 dy/d+10*sin(5*)*y()=0 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7-10 -5 0 5 10 5

B. 1. ordens inhomogene ligninger Den inhomogene første ordens lineære differentialligning ser sådan ud: dy + p()y = f() d hvor højresiden ikke nødvendigvis er 0. Løsningen er y = e P () e P () P () f() d + Ce P () = p() d Hvorfor? Lad os antage, at y er en løsning. Hvad kan vi sige om y? Vi har d d (ep () y) = p()e P () y + e P ()dy d = p()e P () y + e P () ( p()y + f()) = e P () f() og derfor er e P () y = e P () f() d og vi finder y ved at gange med e P () på begge sider. 6

Eksempel 3 Løs dy d + y = 1 for > 0. Løsning: Dette er en første ordens lineær inhomogen differentialligning. Her er p() = 1 og f() = 1. Da P () = 1 d = ln og e P () = e ln = ( e ln ) 1 = 1 = 1 bliver y = 1 1 d = 1 ( 1 2 2 + C ) = 2 + C dy/d+y/=1 8 6 4 2 0-2 1 2 3 4 5-4 -6-8 7

Eksempel 4 Løs differentialligningen dy d + y = sin, > 0 Find den løsningen med y(1) = 2. Løsning: Dette er en første ordens lineær inhomogen differentialligning med p() = 1 som før, men nu er f() = sin. Derfor bliver y = 1 sin d = 1 ( cos + cos d ) = cos + sin + C Med C = 2 + cos(1) sin(1) bliver y(1) = 2. dy/d+y/=sin(), y(1)=2 2 1.5 y 1 0.5 0 2 4 6 8 10-0.5 8

C. 1. ordens inhomogene ligninger med konstante koefficienter En første ordens lineær differentialligning med konstante koefficienter ser sådan ud: dy d + ay = b hvor a 0 og b er konstanter. Løsningen er y = b a + Ce a hvor C = y 0 b a. Den generelle formel siger y = e a be a d = e a( b a ea + C ) = b a + Ce a 9

Eksempel 5 Løs differentialligningen dy + 5y = 50 d Find den løsning, der opfylder y(0) = 3. Løsning: Dette er en inhomogen første ordens lineær differentialligning med konstante koefficienter a = 5 og b = 50. Derfor er den generelle løsning y() = 10 + Ce 5 For at få den partikulære løsning med y(0) = 3 skal vi vælge C = 3+10 = 13, så y() = 10 + 13e 5. dy/d+5y=-50 150 100 50-0.4-0.2 0 0.2 0.4-50 10

Eksempel 6 Løs differentialligningen dy 5y = 50 d Find den løsning, der opfylder y(0) = 3. Løsning: Dette er en inhomogen første ordens lineær differentialligning med konstante koefficienter a = 5 og b = 50. Derfor er den generelle løsning y() = 10 + Ce 5 For at få den partikulære løsning med y(0) = 3 skal vi vælge C = 3 10 = 7, så y() = 10 7e 5. dy/d-5y=-50 60 40 20-0.4-0.2 0.2 0.4 0-20 -40-60 11

1-kammer modeller I biologi bruges ligningen dy/d = b ay ofte til at beskrive dynamikken i en 1-kammer model: b y ay hvor noget tilføres en beholder med konstant hastighed og fjernes fra beholderen med en hastighed proportional med den indholdet af y i beholderen. Tænk feks. på en hullet beholder under en vandhane. 12

Eksempel 7 Et stof injiceres i blodet med konstant tilførsel r. Kroppens organer udskiller stoffet med en hastighed proportional med koncentrationen Q(t) af stoffet i blodet. Hvordan udvikler Q(t) sig? r Q cq Løsning: Koncentrationen Q(t) opfylder differentialligningen dq dt = r cq med konstante koefficienter. Løsningen er derfor: Q(t) = r c + ( Q 0 r c ) e ct hvor Q 0 er koncentrationen til tiden t = 0. 13

dq/dt=2-0.01*q 35 30 25 Q 20 15 10 5-20 -10 0 10 20 t Koncentrationen vil, uanset startværdien, stabiliseres omkring r c over lang tid.

5 100 Eksempel 8 Et akvarium med 1000 l vand gennemstrømmes af vand med en konstant fart på 2 l i minuttet. Til tiden t = 0 indeholder im akvariet 800 mg PCB. Det indstrømmende vand indeholder mg/l PCB. Hvornår er PCB-indholdet i akvariet nede på 200 mg? Løsning: Akvariet indeholder Q(t) mg PCB hvor dq dt = 2 5 100 2 1000 Q = 1 10 1 500 Q og Q(0) = 800. Dette er en lineær differentialligning med konstante koefficienter a = 500 1 og b = 10 1. Da a b = 50 bliver Q(t) = 50 + (800 50) ep( 1 500 t) = 50 + 750 ep( 1 500 t) ifølge løsningsformlen. 2 5 100 Q(t) 2 1 1000 Q(t) 14

Vi beregner nu hvor denne funktion antager værdien 200: Q(t) = 200 750 ep( 1 t) = 150 500 ep( 1 500 t) = 1 5 1 500 t = ln(5) t = 500 ln(5) Det tager altså 500 ln(5), eller ca 805 minutter før PCB-mængden er faldet fra 800 mg til 100 mg. 800 PCB i akvariet 700 600 500 400 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t 15

Eksempel 9 Samme situation som før bortset fra at akvariet nu drænes med kun 1 l/min så vandmængden stiger. Beskriv indholdet af PCB til tiden t. Løsning: Akvariet indeholder 1000+tl vand og Q(t) mg PCB til tiden t. Udviklingen beskrives af differentialligningen Q (t) = 2 5 100 Q(t) 1000 + t Det er en 1.ordens lineær inhomogen differentialligning med p(t) = 1 og f(t) = 1 10. Den generelle løsning er Q(t) = 1 1000 + t 1000+t 1000 + t dt 10 = 100t + 1 20 t2 + C 1000 + t og den partikulære løsning med Q(0) = 800 er 2 5 100 Q(t) Q(t) = 100t + 1 20 t2 + 800000 1000 + t 1 1000+t Q(t) 16

PCB i akvariet 800 700 600 500 400 0 1000 2000 3000 4000 5000 t

Opgaver til Lektion 11 1. Løs begyndelsesværdiproblemet dy d y = 11 8 e /3, y(0) = 0. 2. Løs begyndelsesværdiproblemet dy + y = 2, y(0) = 0. d 3. Løs begyndelsesværdiproblemet 2 dy + y = sin(), y(1) = d 0. 4. En beholder indeholder 1000 l vand. Der er opløst 100 kg salt i vandet. Rent vand pumpes ind i beholderen med en fart på 5 l/s og blandingen pumpes ud med samme fart. Hvor længe varer det før der kun er 10 kg salt i beholderen? 5. En beholder indeholder 60 l rent ferskvand. Saltvand i koncentrationen 1 g/l pumpes ind i beholderen med 2 l/min og blandingen pumpes ud med 3 l/min. Beholderen er altså tom efter 60 minutter. a. Find mængden af salt i beholderen efter t minutter. b. Hvad er den maksimale mængde salt som beholderen indeholder i løbet af de 60 minutter. 6. En jernbanevogn triller ind i en oversvømmet (vandret) tunnel. Vi antager at den modstand som vandet yder er proportonal med farten v(t). Newtons anden lov siger da at dv = kv hvor k en en konstant. dt a. Vis at jernbanevognens fart er og at dens position er (t) = 0 + v(t) = v 0 e kt ( v0 k ) (1 e kt ) b. Gør rede for at jernbanevognen kun vil trille et endeligt stykke og find det stykke. 7. (Eksamen Januar 2000) Et aktivt stof modvirker hovedpine. Efter indtagelsen nedbrydes det i organismen efter følgende differentialligning: dq dt = ln 2 12 Q hvor Q(t) er mængden af stof til tiden t efter indtagelsen. a. Angiv stoffets halveringstid. 17

b. En hovedpinepille indeholder 6 mg af det aktive stof. En patient indtager en pille kl. 6, kl. 12, kl. 18 og kl. 24. Hvor meget aktivt stof indeholder patienten næste morgen kl. 6? c. Antag at den samme mængde aktivt stof i stedet var giver intravenøst over et døgn, altså med en konstant hastighed af 1 mg stof i timen. Hvor meget aktivt stof ville patienten da indeholde efter 24 timer?