DesignMat Lineære differentialligninger I

Relaterede dokumenter
DesignMat Lineære differentialligninger I

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

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

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

DesignMat Uge 5 Systemer af lineære differentialligninger II

DiploMat 1 Inhomogene lineære differentialligninger

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

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

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

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

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

Førsteordens lineære differentialligninger

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

Eksempel på 2-timersprøve 2 Løsninger

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

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

DiploMat. Eksempel på 4-timersprøve.

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Lektion ordens lineære differentialligninger

DesignMat Komplekse tal

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

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

Hans J. Munkholm: En besvarelse af

Noter til An0 DIFFERENTIALLIGNINGER MED KONSTANTE KOEFFICIENTER

DIFFERENTIALLIGNINGER NOTER TIL CALCULUS 2003 AARHUS UNIVERSITET

INFINITESIMALREGNING del 3 Differentialligninger Funktioner af flere variable Differentialligningssystemer x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Differentialligninger af første orden

Lektion 13 Homogene lineære differentialligningssystemer

DOK-facitliste DOK. DOK-facitliste 1

Lotka-Volterra modellen

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

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Efterår - 8. Januar 2016

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Noter om polynomier, Kirsten Rosenkilde, Marts Polynomier

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

Projekt 4.9 Bernouillis differentialligning

Eulers equidimensionale differentialligning

MM501 forelæsningsslides

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Lektion 8 Differentialligninger

DOK DOK-facitliste 1. DOK-facitliste

Gamle eksamensopgaver (DOK)

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

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

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

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

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 4

DesignMat Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

Polynomium Et polynomium. Nulpolynomiet Nulpolynomiet er funktionen der er konstant nul, dvs. P(x) = 0, og dets grad sættes per definition til.

Matematisk modellering og numeriske metoder

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

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

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

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

Nøgleord og begreber Komplekse tal Test komplekse tal Polære koordinater Kompleks polarform De Moivres sætning

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

Gamle eksamensopgaver (MASO)

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

DesignMat Uge 8 Integration og elementære funktioner

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

Komplekse tal og algebraens fundamentalsætning.

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

MAT1 A&D. Martin Raussen. Department of Mathematical Sciences Aalborg University Denmark

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

Reeksamen i Calculus

1RWHWLOGLIIHUHQWLDOOLJQLQJHU

MODUL 8. Differensligninger. Forfattere: Michael ELMEGÅRD & Øistein WIND-WILLASSEN. Modulet er baseret på noter af Peter BEELEN.

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 1

DesignMat Uge 11 Vektorrum

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Eksempel på 2-timersprøve 1 Løsninger

Eksamen i Matematik F2 d. 19. juni Opgave 2. Svar. Korte svar (ikke fuldstændige)

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

Lektion ordens lineære differentialligninger

Indhold. Litteratur 11

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

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

Fejlkorligerende køder Fejlkorrigerende koder

Bedste rette linje ved mindste kvadraters metode

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (30. september oktober 2002) side 1. Komplekse tal Arbejdsplan

Mordell s Sætning. Henrik Christensen og Michael Pedersen. 17. december 2003

Prøveeksamen i Calculus

Differentialligninger og nummeriske metoder. Thomas G. Kristensen 7. februar 2002

(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.

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

INFINITESIMALREGNING del 3 Differentialligninger Funktioner af flere variable Differentialligningssystemer

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

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

Transkript:

DesignMat Lineære differentialligninger I Preben Alsholm Uge Forår 0 1 Lineære differentialligninger af første orden 1.1 Normeret lineær differentialligning Normeret lineær differentialligning En differentialligning, der kan skrives på formen a (t) x 0 + b (t) x = c (t) (1) hvor t 2 I, kaldes lineær. Når (1) har den specielle form x 0 + p (t) x = q (t) (2) siges den at være normeret. Eksempel 1. Differentialligningen tx 0 + 2x = te t (3) hvor t 2 R +, er lineær, men ikke normeret. Ved normering fås x 0 + 2 t x = e t 1.2 Panserformlen Panserformlen Lad p, q 2 C (I) hvor I er et interval. Så er den fuldstændige løsning til x 0 + p (t) x = q (t) givet ved x (t) = e P(t) Z e P(t) q (t) dt + Ce P(t) (4) hvor P er en vilkårligt valgt stamfunktion til p, og hvor C 2 R er en arbitrær konstant. 1

Bevis: Da e P(t) løsninger som > 0 for alle t 2 I, har x 0 + p (t) x = q (t) de samme x 0 (t) e P(t) + p (t) e P(t) x (t) = e P(t) q (t) Men dette kan skrives dt d e P(t) x (t) = e P(t) q (t), hvilket er ensbetydende med, at e P(t) x (t) er en stamfunktion til e P(t) q (t), dvs. ensbetydende med eksistensen af en konstant C 2 R, så Z e P(t) x (t) = e P(t) q (t) dt + C 1.3 Eksempel 1 Eksempel 1 Eksempel 1. Vi betragter for t > 0 den normerede differentialligning x 0 + 2 t x = e t Vi har p (t) = 2 t, q (t) = e t. Panserformlens P er givet ved P (t) = R 2t dt = 2 ln t. Så e P(t) = e 2 ln t = t 2 og e P(t) = t 2. Hermed er den fuldstændige løsning Z x (t) = t 2 t 2 e t dt + Ct 2 hvor C 2 R. 1.4 Eksistens- og entydighed Eksistens- og entydighed = t 2 t 2 e t 2te t 2e t + Ct 2 = 1 + 2t + 2t 2 e t + C t 2 Lad p, q 2 C (I), hvor I er et interval. Lad t 0 2 I og x 0 2 R. Begyndelsesværdiproblemet x 0 + p (t) x = q (t) med x (t 0 ) = x 0 har netop én løsning og den er defineret på hele intervallet I. Den omtalte løsning kan, når P vælges som P (t) = R t t 0 p (s) ds skrives x (t) = e P(t) Z t t 0 e P(s) q (s) ds + x 0 e P(t) Beviset består blot i at bruge bestemt integration i beviset for panserformlen ovenfor. 2

2 Lineære Differentialligninger af anden orden 2.1 Eksistens- og entydighed Eksistens- og entydighed Vi betragter lineære differentialligninger med konstante koefficienter: ax 00 + bx 0 + cx = q (t) (5) med q 2 C (I), hvor I er et interval. a, b, c er reelle konstanter og a 6= 0. Sætning. Lad t 0 2 I og x 0, v 0 2 R. Begyndelsesværdiproblemet for (5) med x (t 0 ) = x 0 og x 0 (t 0 ) = v 0 har netop én løsning og den er defineret på hele intervallet I. Beviset springer vi over. Eksempel. Den løsning til differentialligningen x 00 + 3x 0 + 2x = te 3t, der opfylder x (0) = 0, x 0 (0) = 4 5 er Hvordan? x (t) = 2.2 Den homogene ligning I Den homogene ligning I t e 3t + e t Vi betragter nu specialtilfældet hvor højresiden q (t) = 0. lineær differentialligning kaldes homogen: En sådan Stadig er a, b, c reelle konstanter og a 6= 0. ax 00 + bx 0 + cx = 0 (6) Vi begynder med at finde løsninger af formen x (t) = e Rt, hvor R er en (muligvis kompleks) konstant. Vi har x 0 = R e Rt, x 00 = R 2 e Rt. Ved indsættelse i (6) fås ar 2 + br + c e Rt = 0 Dette betyder, at x (t) = e Rt er løsning til (6) hvis og kun hvis (7) kaldes karakterligningen for (6). ar 2 + br + c = 0 (7) 3

2.3 Den homogene ligning II Den homogene ligning II Sætning. Hvis f 1 og f 2 er løsninger til ax 00 + bx 0 + cx = 0, så er også f (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) løsning, når blot c 1, c 2 er konstanter. Sætning. Lad f 1 og f 2 være løsninger til ax 00 + bx 0 + cx = 0. Så er den fuldstændige løsning givet ved x (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) (8) hvis og kun hvis der findes et t 0 2 R så Wronskideterminanten W (t 0 ) = f 1 (t 0 ) f 2 (t 0 ) f1 0 (t 0) f2 0 (t 0) 6= 0 Bevis. Som vist er enhver linearkombination af formen (8) løsning. Vi skal vise, at der ikke er andre. Lad da x = f (t) være en løsning til ax 00 + bx 0 + cx = 0. Vi skal vise, at der findes konstanter c 1, c 2, så f (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t). 2.4 Den homogene ligning III Den homogene ligning III Men sådanne konstanter må opfylde det lineære ligningssystem c 1 f 1 (t 0 ) + c 2 f 2 (t 0 ) = f (t 0 ) c 1 f1 0 (t 0) + c 2 f2 0 (t 0 ) = f 0 (t 0 ) Dette system har løsning for enhver højreside netop når dets determinant W (t 0 ) 6= 0. Men funktionen g (t) = c 1 f 1 (t) + c 2 f 2 (t) og f (t) opfylder samme begyndelsesbetingelser i t 0. I følge entydighedssætningen har vi derfor f = g. Sætning. Der findes to løsninger f 1 og f 2 til ax 00 + bx 0 + cx = 0 for hvilke W (t) 6= 0. Bevis: Her bruger vi eksistensdelen af eksistens- og entydighedssætningen. Vælg f 1 og f 2 som løsninger, der opfylder f 1 (0) = 1, f1 0 (0) = 0 og f 2 (0) = 0, f2 0 (0) = 1. Så gælder W (0) = 1 6= 0. 2.5 Den homogene ligning: Eksempel 1 Den homogene ligning: Eksempel 1 Eksempel. x 00 + 3x 0 + 2x = 0 har karakterligningen R 2 + 3R + 2 = 0 med rødderne 2 og 1. 4

Altså er φ 1 (t) = e 2t og φ 2 (t) = e t løsninger til x 00 + 3x 0 + 2x = 0. Deres Wronskideterminant er W (t) = e 2t e t = e 3t 6= 0 2e 2t Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 2 R. Generelt for to forskellige reelle rødder r 1 og r 2. Fuldstændige løsning x (t) = c 1 e r 1t + c 2 e r 2t, hvor c 1, c 2 2 R. e t 2.6 Den homogene ligning: Eksempel 2 Den homogene ligning: Eksempel 2 Eksempel. x 00 6x 0 + x = 0 har karakterligningen R 2 6R + = 0 med dobbeltroden 3. Altså er φ 1 (t) = e 3t løsning til x 00 + 3x 0 + 2x = 0. Men vi mangler en anden. En anden er φ 2 (t) = te 3t, hvilket ses ved simpel indsættelse. Wronskideterminanten er W (t) = e 3t 3e 3t te 3t e 3t + 3te 3t = e6t 6= 0 Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e 3t + c 2 te 3t, hvor c 1, c 2 2 R. Generelt for dobbeltrod r. Fuldstændig løsning x (t) = c 1 e rt + c 2 te rt, hvor c 1, c 2 2 R. 2.7 Den homogene ligning: Eksempel 3 Den homogene ligning: Eksempel 3 Eksempel. x 00 + 2x 0 + 5x = 0 har karakterligningen R 2 + 2R + 5 = 0 med de imaginære rødder 1 2i. Altså er e ( 1+2i)t og e ( 1 2i)t løsninger. Men de er jo imaginære! Realdelen φ 1 (t) = Re e ( 1+2i)t = e t cos (2t) og imaginærdelen φ 2 (t) = Im e ( 1+2i)t = e t sin (2t), er også løsninger! Wronskideterminanten for disse er e t cos (2t) e t sin (2t) e t (cos (2t) + 2 sin (2t)) e t (sin (2t) 2 cos (2t)) 2e 2t 6= 0. = Så den fuldstændige løsning er x (t) = c 1 e t cos (2t) + c 2 e t sin (2t), hvor c 1, c 2 2 R. Generelt for imaginære rødder α iβ. Fuldstændig løsning x (t) = c 1 e αt cos (βt) + c 2 e αt sin (βt), hvor c 1, c 2 2 R. 5

2.8 Den inhomogene ligning I Den inhomogene ligning I Vi betragter nu den inhomogene ligning ax 00 + bx 0 + cx = q (t) (Inhomogen) og den tilsvarende homogene ligning ax 00 + bx 0 + cx = 0 (Homogen) Sætning. Lad ψ 1 og ψ 2 være løsninger til Inhomogen. Så er φ = ψ 1 ψ 2 en løsning til Homogen. Sætning. Lad ψ 1 være en løsning til Inhomogen og φ en løsning til Homogen. Så er ψ 2 = ψ 1 + φ en løsning til Inhomogen. Opskrift på fuldstændige løsning til Inhomogen. 1. Find den fuldstændige løsning til Homogen. Denne løsning vil indeholde to arbitrære konstanter. 2. Find bare én løsning til Inhomogen. En sådan løsning kaldes en partikulær løsning til Inhomogen. 3. Den fuldstændige løsning til Inhomogen er summen af den fundne partikulære løsning til Inhomogen og den fuldstændige løsning til Homogen. 2. Den inhomogene ligning II Den inhomogene ligning II Betragt igen den inhomogene ligning ax 00 + bx 0 + cx = q (t) (Inhomogen) Antag, at q (t) = q 1 (t) + q 2 (t) + + q n (t). Antag, at ψ 1 er løsning til ax 00 + bx 0 + cx = q 1 (t), ψ 2 løsning til ax 00 + bx 0 + cx = q 2 (t) osv. Superpositionsprincippet. Så er ψ = ψ 1 + ψ 2 + + ψ n løsning til Inhomogen. 2.10 Eksempel 1 Eksempel 1 Vi fandt, at den løsning til x 00 + 3x 0 + 2x = te 3t, der opfylder x (0) = 0, x 0 (0) = 4 5 er x (t) = t e 3t + e t 6

Den fuldstændige løsning til den tilsvarende homogene ligning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 2 R. Altså er den fuldstændige løsning til den inhomogene ligning x (t) = t e 3t + e t + c 1 e 2t + c 2 e t hvor c 1, c 2 2 R. Dette kan skrives mere kompakt som x (t) = t e 3t + c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 2 R. Bemærk, at x (t) = t e 3t er en særlig simpel løsning til den inhomogene ligning. 2.11 Eksempel 2 Eksempel 2 Betragt differentialligningen x 00 + 3x 0 + 2x = 4t 2. Den fuldstændige løsning til den tilsvarende homogene ligning er x (t) = c 1 e 2t + c 2 e t, hvor c 1, c 2 2 R. En partikulær løsning er x (t) = 2t 2 6t + 7. En partikulær løsning til x 00 + 3x 0 + 2x = te 3t er x (t) = t e 3t. En partikulær løsning til x 00 + 3x 0 + 2x = 4t 2 + te 3t er derfor x (t) = 2t 2 6t + 7 + t e 3t. Altså er den fuldstændige løsning til x 00 + 3x 0 + 2x = 4t 2 + te 3t hvor c 1, c 2 2 R. x (t) = 2t 2 6t + 7 + t e 3t + c 1 e 2t + c 2 e t 7