Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

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

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] 7.1, 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; [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] 2.7, 2.9, 11.4

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

Matematisk modellering og numeriske metoder

Calculus Uge

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

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

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

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

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

MM501 forelæsningsslides

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

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

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

Mat H 2 Øvelsesopgaver

Funktion af flere variable

Differentialligninger. Ib Michelsen

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

Gamle eksamensopgaver (DOK)

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

MM502+4 forelæsningsslides. uge 6, 2009

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

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

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

Fordybelsesprojekt Analyse 2, forår 2012 Potensrækker

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.

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

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

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

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.

Lotka-Volterra modellen

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.

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

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

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

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

Mere om differentiabilitet

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

Partielle afledede og retningsafledede

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

Prøveeksamen i Calculus

Oversigt [S] 5.2, 5.4, 12.1

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

Reeksamen i Calculus

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

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

Differentialligninger af første orden

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

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

Oversigt [S] 5.2, 5.4, 12.1

DesignMat Lineære differentialligninger I

Undervisningsbeskrivelse

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

Pointen med Differentiation

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

Differentialligninger med TI Nspire CAS version 3.1

Oversigt [S] 4.5, 5.10

Største- og mindsteværdi Uge 11

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

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet. 6.

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

MM501 forelæsningsslides

Undervisningsbeskrivelse

Sandsynlighedsregning Stokastisk variabel

Undervisningsbeskrivelse

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

MM502+4 forelæsningsslides

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

Reeksamen i Calculus

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

DesignMat Lineære differentialligninger I

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

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

Differentialligninger med TI-Interactive!

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.

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

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

Asymptoter. for standardforsøgene i matematik i gymnasiet Karsten Juul

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

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

Førsteordens lineære differentialligninger

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

Vektorfelter. enote Vektorfelter

Transkript:

Oversigt [S] 7.2, 7.5, 7.6; [LA] 17, 18 Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet Calculus 2-2005 Uge 49.2-1

Ligning og løsning [LA] 17 Generel ligning Definition 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 2-2005 Uge 49.2-2

Eksistens og entydighed [LA] 17 Generel ligning Sætning 32 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 2-2005 Uge 49.2-3

Eksistens og entydighed [LA] 17 Generel ligning Bemærkning 1 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 2-2005 Uge 49.2-4

Eksistenseksempel [LA] 17 Generel ligning Eksempel 1 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 2-2005 Uge 49.2-5

Elementære funktioner [LA] 17 Generel ligning Eksempel 2 Den entydigt bestemte løsning til begyndelsesværdiproblemet dy dx = y, y(0) = 1 er eksponentialfunktionen y(x) = e x Calculus 2-2005 Uge 49.2-6

Elementære funktioner [LA] 17 Generel ligning Eksempel 2 - fortsat 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) = cosx y 2 (x) = sin x Calculus 2-2005 Uge 49.2-7

Grafisk løsning [S] 7.2 Direction fields... ; [LA] 17 Generel ligning Eksempel 1 - Retningsfelt dy dx = x3 y + e xy y 1 0 1 x Calculus 2-2005 Uge 49.2-8

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 2-2005 Uge 49.2-9

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 2-2005 Uge 49.2-9

Grafisk løsning [S] 7.5 The logistic equation Retningsfelt P 1000 0 100 t Calculus 2-2005 Uge 49.2-10

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 2-2005 Uge 49.2-11

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 2-2005 Uge 49.2-11

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 2-2005 Uge 49.2-12

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 2-2005 Uge 49.2-13

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 + 0.0002RW tegnes hastighedsfeltet i RW -planen. Calculus 2-2005 Uge 49.2-14

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Eksempel 1 - figur W 100 0 1000 Hastighedsfeltet R Calculus 2-2005 Uge 49.2-15

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 + 0.0002RW prøver vi at tilnærme løsningen med differentialet. Calculus 2-2005 Uge 49.2-16

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 + 0.0002RW 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 + 0.0002R n W n )dt Calculus 2-2005 Uge 49.2-16

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 2-2005 Uge 49.2-17

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 2-2005 Uge 49.2-18

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 1 To positive egenværdier y 2 y 1 Calculus 2-2005 Uge 49.2-19

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 2 En positiv og en negativ egenværdi y 2 y 1 Calculus 2-2005 Uge 49.2-20

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 3 En egenværdi med multiplicitet 2 y 2 y 1 Calculus 2-2005 Uge 49.2-21

Grafisk [S] 7.6 Predator-prey systems Figur 4 Ingen reelle egenværdier y 2 y 1 Calculus 2-2005 Uge 49.2-22

Ligevægt og stabilitet [LA] 18 Stabilitet Definition 1 En differentialligning dy dx = F(y) kaldes et autonom system. En konstant løsning 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 2-2005 Uge 49.2-23

Ligevægt og stabilitet [LA] 18 Stabilitet Bemærkning 1 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 2-2005 Uge 49.2-24

Ligevægt og stabilitet [LA] 18 Stabilitet Bemærkning 2 For en ligevœgt y(x) = b, F(b) = 0 for det autonome system gœlder F (b) < 0: Stabil ligevœgt. F (b) > 0: Ustabil ligevœgt. F (b) = 0: Ingen konklusion. dy dx = F(y) Calculus 2-2005 Uge 49.2-25

Ligevægt og stabilitet [LA] 18 Stabilitet Bemærkning 2 - figur y y Fasediagram y = F(y) Calculus 2-2005 Uge 49.2-26

Logistisk stabilitet [LA] 18 Stabilitet Eksempel 1 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 ligevœgt. F (K) = k: K Stabil ligevœgt. Calculus 2-2005 Uge 49.2-27

Logistisk stabilitet [LA] 18 Stabilitet Eksempel 1 - figur P P Fasediagram P = kp(1 P K ) Calculus 2-2005 Uge 49.2-28

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 18 Stabilitet Eksempel 2 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 2-2005 Uge 49.2-29

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 18 Stabilitet Eksempel 2 - fortsat I (R, W) = (0, 0) er den lineære approximation som giver en ustabil ligevægt. dr dt = kr dw = rw dt Calculus 2-2005 Uge 49.2-30

Lotka-Volterra stabilitet [LA] 18 Stabilitet Eksempel 2 - 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 2-2005 Uge 49.2-31