15. Ordinära differentialekvationer

Relevanta dokument
ÖVN 1 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF Nyckelord och innehåll.

Modul 2 Mål och Sammanfattning

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

10.1 Linjära första ordningens differentialekvationer

FÖRELÄSNING 2 ANALYS MN1 DISTANS HT06

Exempel på hur man ställer upp den styrande differentialekvationen.

9.1 Mer om differentialekvationer

Föreläsningen ger en introduktion till differentialekvationer och behandlar stoff från delkapitel 18.1, 18.3 och 7.9 i Adams. 18.

2 Derivering av fält och nablaoperatorns roll

1 Materiell derivata. i beräkningen och så att säga följa med elementet: φ δy + δz. (1) φ y Den materiella derivatan av φ definierar vi som.

Kap 3.7, 17.8 Linjära differentialekvationer med konstanta koefficienter.

Matematik 5 svar. Kapitel Test Blandade uppgifter Kapitel a) dy

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

Teori för linjära ordinära differentialkvationer med konstanta koefficienter

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

Ordinära differentialekvationer

(y 2 xy) dx + x 2 dy = 0 y(e) = e. = 2x + y y = 2x + 3y 2e 3t, = (x 2)(y 1) y = xy 4. = x 5 y 3 y = 2x y 3.

MATEMATIK Datum: Tid: förmiddag. A.Heintz Telefonvakt: Tel.:

MAA151 Envariabelkalkyl läsåret 2016/17

Associerade Legendre-funktioner och klotytefunktioner Ulf Torkelsson

dy dx = ex 2y 2x e y.

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

(2xy + 1) dx + (3x 2 + 2x y ) dy = 0.

Differentialekvationer av första ordningen

TENTAMEN HF1006 och HF1008

Tentamen i Värmetransporter (4A1601)

FYSIKTÄVLINGEN. KVALIFICERINGS- OCH LAGTÄVLING 5 februari 2004 LÖSNINGSFÖRSLAG SVENSKA FYSIKERSAMFUNDET

Bo E. Sernelius Funktioner av Komplex Variabel 15 KOMPLEXVÄRDA FUNKTIONER AV KOMPLEX VARIABEL

SF1633, Differentialekvationer I Tentamen, torsdagen den 7 januari Lösningsförslag. Del I

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

MA2018 Tillämpad Matematik III-ODE, 4.0hp,

1. Rita in i det komplexa talplanet det område som definieras av följande villkor: (1p)

Crash Course Envarre2- Differentialekvationer

d dx xy ( ) = y 2 x, som uppfyller villkoret y(1) = 1. x, 0 x<1, y(0) = 0. Bestäm även y( 2)., y(0) = 0 har entydig lösning.

Sammanfattning av ordinära differentialekvationer

MA2001 Envariabelanalys 6 hp Mikael Hindgren Tisdagen den 12 januari 2016 Skrivtid:

Prov i Matematik Prog: NV, Lär., fristående Analys MN UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Michael Melgaard, tel

= = i K = 0, K =

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

19.4 Bohrs modell för väteatomen.

ÖVN 5 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF Nyckelord och innehåll.

1+v(0)kt. + kt = v(0) . Detta ger sträckan. x(t) = x(0) + v(0) = x(0) + 1 k ln( 1 + v(0)kt ).

y + 1 y + x 1 = 2x 1 z 1 dy = ln z 1 = x 2 + c z 1 = e x2 +c z 1 = Ce x2 z = Ce x Bestäm den allmänna lösningen till differentialekvationen

Lösningsförslag, tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 1, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 19 oktober 2011, kl. 8:00 13:00.

Högskolan i Skövde (SK, JS) Svensk version Tentamen i matematik Lösningsförslag till del I

Lösningar till MVE017 Matematisk analys i en variabel för I x 3x y = x. 3x2 + 4.

f(x)dx definieras som arean av ytan som begränsas av y = f(t), y = 0, t = a och t = b, se figur.

Lösningsförslag till Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 1) 24 oktober 2014 kl 8:00-13:00.

4x 2 dx = [polynomdivision] 2x x + 1 dx. (sin 2 (x) ) 2. = cos 2 (x) ) 2. t = cos(x),

Modeller för dynamiska förlopp

AB2.8: Laplacetransformation av derivator och integraler. Differentialekvationer

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

D 1 u(x, y) = e x (1 + x + y 2 ), D 2 u(x, y) = 2ye x + 1, (x, y) R 2.

Linjära differentialekvationer av andra ordningen

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, måndag 18 mars 2013, kl 9:00-14:00

Inför tentamen i Analys I och II, TNA008

MA2018 Tillämpad Matematik III-ODE, 4.0hp,

Uppföljning till lektion 5 om pekare. Grundläggande symboler. En struct, en pekartyp och lite variabler

TATA42: Föreläsning 9 Linjära differentialekvationer av ännu högre ordning

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

Lösningsförslag till tentamensskrivning i SF1633 Differentialekvationer I. Tisdagen den 7 januari 2014, kl

, x > 0. = sinx. Integrera map x : x 3 y = cosx + C. 1 cosx x 3. = kn där k är. k = 1 22 ln 1 2 = 1 22 ln2, N(t) = N 0 e t. 2 t 32 N 1.

DIFFERENTIALEKVATIONER AV FÖRSTA ORDNINGEN

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

ÖVN 6 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF Nyckelord och innehåll. a n (x x 0 ) n.

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

IX. Primitiva funktioner och differentialekvationer

MA2001 Envariabelanalys 6 hp Mikael Hindgren Tisdagen den 9 januari Skrivtid:

KOMIHÅG 2: Kraft är en vektor med angreppspunkt och verkningslinje. Kraftmoment: M P. = r PA

Tentan , lösningar

KVALIFICERINGS- OCH LAGTÄVLING

u(x) + xv(x) = 0 2u(x) + 3xv(x) = sin(x) xxx egentliga uppgifter xxx 1. Sök alla lösningar till den homogena differentialekvationen

Envariabelanalys 2, Föreläsning 8

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

SF1625 Envariabelanalys

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1210 och 5B1230 Matematik IV, för B, M, och I.

Komplettering: 9 poäng på tentamen ger rätt till komplettering (betyg Fx).

1. (4p) Para ihop följande ekvationer med deras riktingsfält. 1. y = 2 + x y 2. y = 2y + x 2 e 2x 3. y = e x + 2y 4. y = 2 sin(x) y

Partiella differentialekvationer av första ordningen

av envariabelfunktionen g(t) och flervariabelfunktionen t = h(x, y) = x 2 + e y.)

LMA515 Matematik, del B Sammanställning av lärmål

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

Mer om generaliserad integral

3 Deriveringsregler. Vi ska nu bestämma derivatan för dessa fyra funktioner med hjälp av derivatans definition

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 14 19

Tentamen med lösningsdiskussion. TSFS06 Diagnos och övervakning 30 maj, 2012, kl

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

7 Extremvärden med bivillkor, obegränsade områden

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1. Lös ut p som funktion av de andra variablerna ur sambandet

SF1600, Differential- och integralkalkyl I, del 1. Tentamen, den 9 mars Lösningsförslag. f(x) = x x

Typexempel med utförliga lösningar TMV130. Matem. Analys i En Var.. V, AT.

Studietips infö r kömmande tentamen TEN1 inöm kursen TNIU23

Tentamen i Matematik 3: M0031M.

(x + 1) dxdy där D är det ändliga område som begränsas av kurvorna

Kursens Kortfrågor med Svar SF1602 Di. Int.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

y = sin 2 (x y + 1) på formen µ(x, y) = (xy) k, där k Z. Bestäm den lösning till ekvationen som uppfyler begynnelsevillkoret y(1) = 1.

Transkript:

153 15. Orinära ifferentialekvationer 15.1. Inlening Differentialekvationer är en gren inom matematiken som beskriver en värl vi lever i bäst. Såana ekvationer kan beskriva matematiska moeller för många problem inom teknik, natur- och samhällsvetenskaplig forskning. Ofta söker man beskriva förlopp, vs man vill bestämma hur en viss storhet, t.ex läget hos en partikel, massan hos en kropp, formen av en växt eller en nations bruttonationalproukt, föränras me tien. Dessa egenskaper kan ofta formuleras som samban mellan en funktion och ess erivator. Differentialekvationer är alltså uppbyga av termer som innehåller erivator av någon funktion, t.ex y (x), funktionen själv y(x) och en oberoene variabeln x för läget eller t för tien. Vi ger några exempel. Exempel 15.1. Raioaktivt sönerfall: Låt m = m(t) vara mängen av ett raioaktivt ämne efter tien t och m 0 = m(0). Ämnet sönerfaller på så sätt att minskningen m = m(t + t) m(t) uner ett tisintervall t från t till t + t är proportionell mot t och m(t), vs m = m(t + t) m(t) = k m(t) t, är k är en positiv konstant. Om vi ivierar me t och låter t 0, får vi m (t) = k m(t) k > 0. (15.2) Vi ser alltså att funktionen m(t) uppfyller ifferentialekvationen (15.2). Dessutom löser m(t) begynnelseväresproblemet { m (t) + k m(t) = 0 m(0) = m 0 Exempel 15.2. Populations tillväxt: Om antalet bakterier y(t) vi tien t i en näringslösning ökar me en hastighet som är proportionellt mot antalet bakterier y(t) vi tien t så ges en matematisk moell för etta av Jämför enna moell me en i (15.2). y (t) = k y(t), k > 0. (15.3) Exempel 15.3. Logistisk tillväxt: Moellen i (15.3) i Exempel 15.2 är naturligtvis orealistisk å resurser i form av t.ex föa och utrymme är begränsae. Detta sätter ett tak för populationens storlek, y(t) M. På grun av konkurrens är et rimligt att anta att även tillväxten är proportionell mot M y(t). Detta ger att y (t) = k y(t)(m y(t)), vs y (t) k M y(t) + k y 2 (t)) = 0. (15.4)

154 15 ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER Exempel 15.4. Newtons avkylningslag säger att hastigheten me vilken en varm kropp svalnar är proportionell mot skillnaen i temperatur mellan kroppen och omgivningen. Antar vi att y(t) är kroppens temperatur vi tien t och att y 0 är omgivningens temperatur så gäller alltså att y (t) = k (y(t) y 0 ), k > 0. (15.5) Exempel 15.5. (Blanningsproblem): Antag att vi har två kärl I och II som rymmer M 1 liter respektive M 2 liter. Till kärl I tillförs α liter rent vatten per minut (l/m) och β l/m rinner över till kärl II. Från kärl II rinner γ l/m tillbaka och α l/m rinner bort. Kärl I innehöll i startögonblicket A kg salt löst i vattenet mean kärl II innehöll rent vatten. Om y 1 (t) och y 2 (t) är mängen salt i kärl I resp. kärl II, så får vi följane matematisk moell: y 1(t) = β y1(t) + γ y2(t) M 1 M 2 y 2(t) = β y1(t) (α + γ) y2(t) M 1 M 2 är y 1 (0) = A och y 2 (0) = 0. För att upprätthålla samma mäng i kärlen kräver vi att α + γ = β. Allmänt gör vi följane efinition: Definition 15.6. Vi säger att ekvationen a n (x)y (n) (x) + a n 1 (x)y (n 1) (x) + + a 2 (x)y (x) + a 1 (x)y (x) + a 0 (x)y(x) = h(x), (15.6) är en orinär, inhomogen, linjär ifferentialekvation av n-te orningen. Ekvationen är 1. orinär för att lösningsfunktionen y är funktion av enast en variabel; här x. 2. inhomogen om h 0 och homogen om h = 0. 3. linjär eftersom varje term innehåller högst en faktor y k, k = 0,1,2,...,n. 4. av n-te orningen eftersom högsta orningen erivata som förekommer i ekvationen är av orning n. Me en lösning till ifferentialekvationen (15.6) menas en funktion y som är efiniera på ett intervall och som på hela etta intervall uppfyller ifferentialekvationen (15.6).

15.1 Inlening 155 Låt oss titta på begreppet linjär lite närmare: Definition 15.7. En funktion F säges vara linjär om 1. F är aititv om F(y 1 + y 2 ) = F(y 1 ) + f(y 2 ) 2. F är homogen om för varje konstant λ gäller F(λy) = λf(y). Exempel 15.8. Vi ger några exempel på linjära och icke linjära funktioner: 1. Funktionen F(y) = ky, är k är en konstant, är linjär, ty (a) F(y 1 + y 2 ) = k(y 1 + y 2 ) = ky 1 + ky 2 = F(y 1 ) + F(y 2 ). (b) F(λy) = k(λy) = λ(ky) = λf(y). 2. För ett fixt x är funktionen F(y) = y + g(x)y linjär, ty 1. F(y 1 + y 2 ) = (y 1 + y 2 ) + g(x)(y 1 + y 2 ) = y 1 + y 2 + g(x)y 1 + g(x)y 2 = (y 1 + g(x)y 1 ) + (y 2 + g(x)y 2 ) = F(y 1 ) + F(y 2 ). 2. F(λy) = (λy) + g(x)(λy) = λ(y + g(x)y) = λf(y). 3. Funktionn F(y) = yy är inte linjär, ty F(y 1 + y 2 ) = (y 1 + y 2 )(y 1 + y 2 ) = (y 1 + y 2 )(y 1 + y 2) = y 1 y 1 + y 1y 2 + y 2y 1 + y 2y 2 y 1y 1 + y 2y 2 = F(y 1) + F(y 2 ). 4. Funktionen F(y) = y (t) k M y(t)+k y 2 (t) som förekommer i moellen om logistisk tillväxt är inte linjär. 5. Polynom av högre gra än 1, trigonometriska funktionerna, arccusfunktionerna, exponentialoch logaritmiska funktionerna är icke linjära.

15616 FÖRSTA ORDNINGENS ORDINÄRA LINJÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER 16. Första orningens orinära linjära ifferentialekvationer Definition 16.1. En första orningens linjär ifferentialekvation är en ekvation på formen y + g(x)y = h(x). (16.2) Ién att lösa ekvationen i (16.2) hämtar vi från följane exempel. Exempel 16.2. Lös ifferentialekvationen e sin x y + cos xe sin x y = 1.

16.1 Metoen me integrerane faktorn 157 16.1. Metoen me integrerane faktorn Problem: Lös ekvationen i (16.2), vs y + g(x)y = h(x). (16.3) Ié: Låt G(x) vara en primitiv funktion till g(x). Multiplicera båa leen i ekvation (16.3) me en integrerane faktorn e G(x) : e G(x) y + g(x)e G(x) y = h(x)e G(x). (16.4) Eftersom vänstra leet i ekvation (16.4) är erivatan av en proukt: kan ekvation (16.4) nu skrivas: e G(x) y + g(x)e G(x) y = ( ) e G(x) y ( ) e G(x) y = h(x)e G(x). Vi integrerar båa leen och får: ( ) e G(x) y = h(x)e G(x), vs e G(x) y = h(x)e G(x) + C. Nästa steg är att lösa ut y i vänstra leet: y = Ce G(x) + e G(x) h(x)e G(x). Exempel 16.3. Lös begynnelseväresproblemen 1. y + (1 + 2x)y = e x2, y(0) = 2. 2. 2xy y = x 3, y(1) = 1. 3. (x 2 + x)y y = 1, lim y(x) = 1. x

158 17 SEPARABLA DIFFERENTIALEKVATIONER 17. Separabla ifferentialekvationer Ekvationen (15.4) i Exempel (15.3) är förvisso av första orningen men en är inte linjär, ty funktionen F(y) = y (t) k y(t)(m y(t)) = y (t) km y(t) + y 2 (t) är inte linjär och ärme kan metoen me integrerane faktorn ej använas. Definition 17.1. En ifferentialekvation på formen säges vara separabel. g(y)y (x) = h(x) (17.2) Följane exempel visar ién hur man ska lösa separabla ifferentialekvationer av typen (17.2). Exempel 17.2. Lös ekvationen e y y = 1, y(0) = 1. (Icke linjär som inte kan lösas me I.F.)

159 Problem: Lös ekvationen i (17.2), vs g(y)y (x) = h(x). (17.3) Ié: Om G är en primitiv funktion till g så gäller enligt kejeregeln att och å kan vänstra leet i (17.3) skrivas: g(y)y (x) = G(y(x)), G(y(x)) = h(x). Integrerar vi me avseene på x och antar att h har en primitiv funktion H så får vi G(y(x)) = h(x) G(y(x)) = H(x) + C. Detta betyer att vi formellt skulle kunna ela på y, vs y, så att vi separerar variablerna x och y enligt nean: g(y)y (x) = h(x) g(y) y = h(x) g(y)y = h(x). Vi integrerar varje le me avseene på respektive variabel: g(y)y = h(x) G(y(x)) = H(x) + C. Exempel 17.3. För ekvationerna i Exempel 16.3 är y +(1+2x)y = e x2 och 2xy y = x 3 ej separabla och (x 2 + x)y 1 y = 1 separabel, ty en kan skrivas 1 + y y = 1 x 2 + x. Exempel 17.4. Lös ekvationerna a) yy = x 3 b) y = y 2 3y + 2.