Alltså är {e 3t, e t } en bas för lösningsrummet, och den allmänna lösningen kan därmed skrivas

Relevanta dokument
Linjära differentialekvationer av andra ordningen

Teori för linjära ordinära differentialkvationer med konstanta koefficienter

Påtvingad svängning SDOF

Tentamen i Mekanik - Partikeldynamik TMME08

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

TATA42: Föreläsning 9 Linjära differentialekvationer av ännu högre ordning

KTH Matematik SF1633 Differentialekvationer I, för I1 Kontrollskrivning nr 2, Måndag den 31 mars 2008, kl Version: A Namn:... Personnr:...

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

MEKANIK LABORATION 2 KOPPLADE SVÄNGNINGAR. FY2010 ÅK2 Vårterminen 2007

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

Sammanfattning av ordinära differentialekvationer

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

TATA42: Föreläsning 8 Linjära differentialekvationer av högre ordning

Lösningsförslag envariabelanalys

Harmonisk oscillator Ulf Torkelsson

SF1625 Envariabelanalys

Svängningar. Innehåll. Inledning. Litteraturhänvisning. Förberedelseuppgifter. Svängningar

Kap 3.7, 17.8 Linjära differentialekvationer med konstanta koefficienter.

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

SVAR: Det är modell 1 som är rimlig för en avsvalningsprocess. Föremålets temperatur efter lång tid är 20 grader Celsius.

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Prov i matematik Distans, Matematik A Analys UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen

Spänningsfallet över ett motstånd med resistansen R är lika med R i(t)

Envariabelanalys 5B Matlablaboration

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

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

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

Vi betraktar homogena partiella differentialekvationer (PDE) av andra ordningen

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

Studietips inför kommande tentamen TEN1 inom kursen TNIU23

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Veckans teman. Repetition av ordinära differentialekvationer ZC 1, 2.1-3, 4.1-6, 7.4-6, 8.1-3

= = i K = 0, K =

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Bestäm uttrycken för följande spänningar/strömmar i kretsen, i termer av ( ) in a) Utspänningen vut b) Den totala strömmen i ( ) c) Strömmen () 2

Lineära system av differentialekvationer

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

Lösningsförslag, Tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 2, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 9 juni 2011, kl.

= e 2x. Integrering ger ye 2x = e 2x /2 + C, vilket kan skrivas y = 1/2 + Ce 2x. Här är C en godtycklig konstant.

Ordinära differentialekvationer

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

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

Lösningar till MVE016 Matematisk analys i en variabel för I yy 1 + y 2 = x.

Genom att kombinera ekvationer (1) och (3) fås ett samband mellan strömmens och spänningens amplitud (eller effektivvärden) C, (4)

Tentamen i matematik. f(x) = ln(ln(x)),

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Svängningar. Innehåll. Inledning. Litteraturhänvisning. Förberedelseuppgifter. Svängningar

Andra ordningens kretsar

ODE av andra ordningen, och system av ODE

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

Föreläsning 3/12. Transienter. Hambley avsnitt

Föreläsning 29/11. Transienter. Hambley avsnitt

Dagens teman. Linjära ODE-system av ordning 1:

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

Högskolan i Skövde (SK, YW) Svensk version Tentamen i matematik

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

= 1, fallet x > 0 behandlas pga villkoret. x:x > 1

2. För vilka värden på parametrarna α och β har det linjära systemet. som satisfierar differensekvationen

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen, SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 2) 10 januari 2017 kl. 14:00-19:00. a+bx e x 2 dx

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 11-14, 16/11-28/

10.1 Linjära första ordningens differentialekvationer

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Program: DATA, ELEKTRO

Envariabelanalys 2, Föreläsning 8

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

med angivande av definitionsmängd, asymptoter och lokala extrempunkter. x 2 e x =

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

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

Lösningsförslag till tentamen i SF1683 och SF1629 (del 1) 18 december xy = y2 +1

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

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

1 x dx Eftersom integrationskonstanten i (3) är irrelevant, kan vi använda oss av 1/x som integrerande faktor. Låt oss beräkna

Om svängningar och resonans

Tentamen i matematik. f(x) = 1 + e x.

1. Vi skriver upp ekvationssystemet i matrisform och gausseliminerar tills vi når trappstegsform,

Elektroakustik Något lite om analogier

(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.

TENTAMEN HF1006 och HF1008

SF1635, Signaler och system I

TENTAMEN HF1006 och HF1008 TEN2 10 dec 2012

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e x2 /4 2) = 2) =

Föreläsning 4, Ht 2. Aktiva filter 1. Hambley avsnitt 14.10, 4.1

x(t) I elimeringsmetoden deriverar vi den första ekvationen och sätter in x 2(t) från den andra ekvationen:

Tentamen i Elektronik för E, ESS010, 12 april 2010

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

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 12 januari 2015

Rita även grafen till Fourierserien på intervallet [ 2π, 4π]. (5) 1 + cos(2t),

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 5. Sammanfattning av föreläsning 4 Frekvensanalys Bodediagram

Tentamen Mekanik F del 2 (FFM520)

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

Transkript:

ektion 7, Envariabelanalys den 8 oktober 1999 Visa att funktionerna y 1 = e r 1t och y = e r t, där r 1 r, är linjärt oberoende. 17.7. Finn den allmänna lösningen till y 3y = 0. Vi ska visa implikationen ay 1 + by 0 a = b = 0. Alltså ska vi undersöka vilka lösningar a och b som ekvationen ay 1 + by 0 kan ha. Om y 1 och y uppfyller identiteten ( ) så uppfyller de även identiteten vi får om vi deriverar ( ), ay 1 + by 0. ( ) r r 3 = 0. (r 1) 1 3 = 0 r = 3 och r = 1. Alltså är e 3t, e t } en bas för lösningsrummet, och den allmänna lösningen kan därmed skrivas y(t) = A e 3t + B e t, Vi har alltså att ay 1 + by 0 ay 1 + by 0 ay 1 + by 0 där A och B är konstanter. Ekvationssystemet har bara den trivial lösningen a = b = 0 om determinanten av systemmatrisen är skild från 0, y 1 y y 1 y = e r1t e rt r 1 e r1t r e rt = r e (r1+r)t r 1 e (r1+r)t = (r r 1 )e (r1+r)t 0. Alltså har ( ) endast den triviala lösningen, d.v.s. vi har visat implikationen ay 1 + by = 0 a = b = 0. 17.7.6 Finn den allmänna lösningen till y + y = 0. r r + 1 = 0. Den allmänna lösningen är (r 1) 1 + 1 = 0 r = 1 (dubbelrot). y(t) = (A + Bt)e t.

17.7.10 Finn den allmänna lösningen till 4y + 5y = 0. Vi ska nu anpassa A och B så att begynnelsevärdena är uppfyllda 0 = y(1) = (A + B)e 5, = y (1) = d dt( (At + B)e 5t ) t=1 = ( 4A 5B)e 5. r 4r + 5 = 0. (r ) 4 + 5 = 0 r = ± i. Vi får ekvationssystemet A + B = 0 4A + 5B = e 5 Alltså är lösningen y(t) = e 5 (t 1)e 5t. A = e 5 B = e 5. Den allmänna lösningen är y(t) = Ae t cos t + Be t sin t. 17.7.14 ös begynnelsevärdesproblemet + 10y + 5y = 0, y(1) = 0, y (1) =. 17.8. Finn den allmänna lösningen till + y y = x. Vi söker en lösning till differentialekvationen som dessutom uppfyller de extra villkoren i uppgiftstexten. Vi tar först fram den allmänna lösningen. r + 10r + 5 = 0. (r + 5) 5 + 5 = 0 r = 5 (dubbelrot). Den allmänna lösningen är y(t) = (At + B)e 5t. Den allmänna lösningen är summan av en partikulärlösning och lösningar till den homogena ekvationen. r + r = 0. (r + 1/) 1/4 = 0 r = 1 eller r =. Alltså är den allmänna lösningen till den homogena ekvationen y H (x) = Ae x + Be x.

artikulärlösning Eftersom högerledet är ett förstagradspolynom ansätter vi ett allmänt förstagradspolynom som partikulärlösning y (x) = Cx + D. Vänsterledet i differentialekvationen blir + y y = 0 + C (Cx + D) = ( C)x + (C D). Identifikation av koefficienter med högerledet i differentialekvationen ger C = 1 C = 1/, C D = 0 D = 1/4. En partikulärlösning är alltså y (x) = 1 x 1 4. y(x) = y H (x) + y (x) = Ae x + Be x 1 x 1 4. artikulärlösning Eftersom högerledet till differentialekvationen är en lösning till den homogena ekvationen måste vi göra en ansats av typen y (x) = Cx m e x, där m väljs så att x m e x inte är en lösning till den homogena ekvationen. I detta fall måste vi välja m =. Vi ansätter alltså Vi får y (x) = Cx e x. y (x) = Cxe x + Cx e x ( ) = Ce x (x x ), (x) = 4Ce x (x x ) + Ce x (1 x) = Ce x (1 4x + x ). Vänsterledet av differentialekvationen blir + 4y + 4y = Ce x (1 4x + x + 4x 4x + x ) = Ce x. Identifikation med högerledet i differentialekvationen ger att C = 1/. Alltså är partikulärlösningen y (x) = 1 x e x. 17.8.8 Finn den allmänna lösningen till + 4y + 4y = e x. y(x) = y H (x) + y (x) = (A + Bx + 1 x )e x. r + 4r + 4 = 0. (r + ) 4 + 4 = 0 r = (dubbelrot). Den allmänna lösningen till den homogena ekvationen är y H (x) = (Ax + B)e x.

17.8.10 Finn den allmänna lösningen till + y + y = e x sin x. y(x) = y H (x) + y (x) = (A 1 x)e x cos x + Be x sin x. r + r + = 0. (r + 1) 1 + = 0 r = 1 ± i. Den allmänna lösningen till den homogena ekvationen är artikulärlösning y H (x) = Ae x cos x + Be x sin x. Vi ska ansätta en partikulärlösning av typen y (x) = x m e x (C cos x + D sin x), där heltalet m ska väljas så att ingen av termerna är en lösning till den homogena ekvationen. I detta fall kan vi inte välja m = 0 utan måste välja m = 1. Vi ansätter alltså Vi får att y (x) = xe x (C cos x + D sin x). y (x) = e x cos x ( C + ( C + D)x ) + e x sin x ( D (C + D)x ), (x) = e x cos x ( Dx C + D ) + e x sin x ( Cx C D ). Vänsterledet i differentialekvationen blir + y + y = e x (D cos x C sin x). Identifikation med högerledet ger att C = 1/ och D = 0. Alltså är partikulärlösningen y (x) = 1 xe x cos x. 17.8.1 Finn den allmänna lösningen till + y + y = xe x. r + r + 1 = 0. (r + 1) 1 + 1 = 0 r = 1 (dubbelrot). Den allmänna lösningen till den homogena ekvationen är artikulärlösning Vi ska göra en ansats av typen y H (x) = (A + Bx)e x. y (x) = x m e x (Cx + D), där heltalet m ska väljas så att ingen av termerna är en lösning till den homogena ekvationen. I detta fall måste vi välja m =. Vi ansätter alltså Vi får att y (x) = e x (Cx 3 + Dx ). y (x) = e x( Cx 3 + ( 3C + D)x Dx ), (x) = e x( Cx 3 + (6C + D)x + (6C 4D)x + D ).

Vänsterledet i differentialekvationen blir + y + y = e x (6Cx + D). Identifikation med högerledet ger att C = 1/6 och D = 0. Alltså är partikulärlösningen y (x) = 1 6 x3 e x. y(x) = y H (x) + y (x) = (A + Bx + 1 6 x3 )e x. Homogen lösning Om vi antar att dämpningen är liten (δ < ω 0 ) så är den homogena lösningen x H (t) = e δt( A cos ωt + B sin ωt ), där ω = ω 0 δ kallas för egenvinkelfrekvensen. Eftersom δ > 0 kommer den homogen lösningen ganska snabbt att avklinga och dö ut. Den homogena lösningen beskriver alltså en transient, övergående rörelse. artikulärlösning Eftersom högerledet är f(t) = f 0 cos(ω 1 t) ansätter vi En massa m hänger i en fjäder och i en dämpare, med konstanter k respektive c. Ställ upp massans rörelseekvation och bestäm massans rörelse då den utsätts för en yttre periodisk kraft F (t) = F 0 cos(ω 1t). x k c Efter en del räknande får vi att x (t) = x (t) = C cos ω 1 t + D sin ω 1 t. ( ) f 0 (ω (ω0 ω 1 ) + (δω 1 ) 0 ω1) cos ω1 t + δω 1 sin ω 1 t 0 m Detta uttryck kan vi med hjälp av formeln Newtons kraftlag ger oss rörelseekvationen F (t) skriva om till a cos x + b sin x = a + b cos(x + γ) mẍ + cẋ + kx = F (t), där x är massans läge på den vertikala koordinataxeln (med lämpligt val av nolläge). Vi delar med m och inför nya omskalade koefficienter Vi löser nu denna differentialekvation. ẍ + δẋ + ω 0x = f(t). x (t) = f 0 (ω 0 ω 1 ) + (δω 1 ) cos(ω 1t + γ) där γ är en fasförskjutning. Beroende på vilken vinkelhastighet ω 1 som den yttre kraften har, varierar massklumpens amplitud, A(ω 1 ) = f 0 (ω 0 ω 1 ) + (δω 1 ).

Ritar vi upp ett diagram av amplitudens beroende av ω 1 fås typiskt diagrammet A(ω 1 ) Kirchoffs spänningslag ger att u in = û cos ωt = u 1 + u + u, vilket betyder att u uppfyller differentialekvationen C ü + RC u + u = û cos ωt. f 0 /ω 0 Vi vet från mekanikexemplet att den homogena lösningen representerar en transient spänning som kommer snabbt att avklinga. För att bestämma partikulärlösningen ansätter vi ω max ω 1 Amplituden antar ett maximalt värde vid den s.k. resonansfrekvensen ω max = ω 0 δ. Ett enkelt exempel på ett bandpassfilter är serieresonanskretsen till höger. En inspänning u in matas uppifrån och nertill får vi en utspänning u. Bestäm hur utspänningens amplitud beror på frekvensen av en inspänning som är en sinusformad växelspänning. Vi inför en ström i som genomlöper kretsen och u 1 = spänningen över resitorn R, u = spänningen över spolen. Resistorn, spolen och kondensatorn uppfyller sambanden u 1 = R i, Ur dessa ekvationer får vi att u = di dt och i = C du dt. u = di dt = C d u dt och u 1 = R i = RC du dt. C R u (t) = A cos ωt + B sin ωt. Efter en hel del räkningar får vi att ( û ( 1 u (t) = ( ( 1 ) ( R ) ) C C C ω) cos ωt + R ) sin ωt ω + û = ( 1 ) ( R ) cos(ωt + γ). C C ω + Utspänningens amplitud är alltså û A(ω) = ( 1 ) ( R ). C C ω + Om vi plottar amplitudens beroende av ω får vi diagrammet till höger. Notera att det huvudsakligen är frekvenser kring ω 0 som förstärks medan andra frekvenser dämpas. Detta är förklaringen till namnet bandpassfilter. A(ω) û ω 0 ω