För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant.

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

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

= = i K = 0, K =

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

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

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206). Webbaserad kurs i differentialekvationer I, SF1656.

ÚÚ dxdy = ( 4 - x 2 - y 2 È Î

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

1. Beräkna volymen av det område som begränsas av paraboloiden z = 4 x 2 y 2 och xy-planet. Lösning: Volymen erhålles som V = dxdydz.

(4 2) vilket ger t f. dy och X = 1 =

1 dy. vilken kan skrivas (y + 3)(y 3) dx =1. Partialbråksuppdelning ger y y 3

} + t { z t -1 - z t (16-8)t t = 4. d dt. (5 + t) da dt. {(5 + t)a} = 4(5 + t) + A = 4(5 + t),

+, C = e4. y = 3 4 e4 e -2 x +

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

= a - bp(t), dp dt. = ap - bp 2. = 5000P - P 2. = 5000P dt

dt = x 2 + 4y 1 typ(nod, sadelpunkt, spiral, centrum) och avgöra huruvida de är stabila eller instabila. Lösning.

, 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.

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

A dt = 5 2 da dt + A 100 =

= x 2 - x, x (0) = x dt. dx dt = 1. x 0 - (x 0-1)e t och för t 0 = ln x 0

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

(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.

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.

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

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

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

y(0) = e + C e 1 = 1

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

Matematiska Institutionen L osningar till v arens lektionsproblem. Uppgifter till lektion 9:

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

dy dx = ex 2y 2x e y.

Partiella differentialekvationer och randvärdesproblem Separabla PDE Klassiska ekvationer och randvärdesproblem

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

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

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

Lösningsförslag obs. preliminärt, reservation för fel

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

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

Rita även upp grafen till Fourierseriens summa på intervallet [ 2π, 3π], samt ange summans värde i punkterna π, 0, π, 2π. (5) S(t) = c n e int,

Fouriers metod, egenfunktionsutvecklingar.

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

ENDIMENSIONELL ANALYS A3/B kl INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna ska vara försedda med ordentliga motiveringar. lim

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

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

Lösningsförslag till Tentamen: Matematiska metoder för ekonomer

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson, Sebastian Pöder

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.

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

Lösning till tentamen i SF1633 Differentialekvationer I för BD, M och P, , kl

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

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

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

Lösningsförslag till Tentamen: Matematiska metoder för ekonomer

Vi betraktar homogena partiella differentialekvationer (PDE) av andra ordningen

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

Crash Course Envarre2- Differentialekvationer

ENDIMENSIONELL ANALYS DELKURS A3/B kl HJÄLPMEDEL. Lösningarna skall vara försedda med ordentliga motiveringar.

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

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

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

Lösningsförslag v1.1. Högskolan i Skövde (SK) Svensk version Tentamen i matematik

1. (a) Beräkna gränsvärdet (2p) e x + ln(1 x) 1 lim. (b) Beräkna integralen. 4 4 x 2 dx. x 3 (x 1) 2. f(x) = 3. Lös begynnelsevärdesproblemet (5p)

Dagens teman. Linjära ODE-system av ordning 1:

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

= ye xy y = xye xy. Konstruera även fasporträttet med angivande av riktningen på banorna. 5. Lös systemet x

TNA004 Analys II Tentamen Lösningsskisser

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

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

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

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Högre ordnings ekvationer och system av 1:a ordningen

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1202/2 Diff och Trans 2 del 2, för F och T.

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

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

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

Lösningsförslag. Högskolan i Skövde (JS, SK) Svensk version Tentamen i matematik

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

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 12 januari 2015

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Milo Viviani MVE500, TKSAM-2

AB2.8: Laplacetransformation av derivator och integraler. Differentialekvationer

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna ska vara försedda med ordentliga motiveringar. xy dxdy,

Kap 3.7, 17.8 Linjära differentialekvationer med konstanta koefficienter.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Transkript:

Lösningsförslag till tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF633(5B6) Tisdagen den 6 augusti, kl -9 Hjälpmedel: BETA, Mathematics Handbook Redovisa lösningarna på ett sådant sätt att beräkningar och resonemang är lätta att följa Svaren skall ges på reell form Del Modul En matematisk modell ges av dp(t) = P(t)(a + bp(t)) c, där a = 5, b = och c = dt Hur kan denna modell tolkas? Studera lösningskurvorna och bestäm vad som händer efter lång tid för alla startvärden P() Den matematiska modellen är en populationsmodell P(t) är antalet individer vid tiden t ( ), där b är negativ Födelsehastigheten är ap(t) och dödshastigheten är b P(t) c är antalet som per tidsenhet som flyttar ut Insättning av de givna konstanterna ger dp(t) = (5 P(t))P(t) = 5P(t) P (t) = (P(t) )( P(t)) dt Här finns två stationära lösningar, P(t) = och P(t) = För startpopulationer P() i intervallet till är derivatan negativ och populationen dör ut För startpopulationen P() lika med är derivatan noll och populationen förblir lika med ett För startpopulationer P() i intervallet till är derivatan positiv och populationen väande För startpopulationer P() större än är derivatan negativ och populationen avtagande Efter lång tid kommer populationen att dö ut om startpopulationen är mindre än Är startpopulationen större än kommer den efter lång tid att gå mot För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant SVAR: Efter lång tid kommer populationen att dö ut om startpopulationen är mindre än Är startpopulationen större än kommer den efter lång tid att gå mot För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant Modul Låt y = 3 vara en lösning till differentialekvationen y y 3y =, > Bestäm den lösning till differentialekvationen y y 3y = 3, > som uppfyller villkoren y() = och y () = Vi reducerar ordningen hos den inhomogena differentialekvationen genom att utnyttja en lösning till den homogena differentialekvationen Sätt: y = 3 z, y = 3 z + 3 z och y = 3 z + 6 z + 6z Insättning i den inhomogena differentialekvationen ger ( 3 z + 6 z + 6z) ( 3 z + 3 z) 3 3 z = 3 Förenkling ger: 5 z + 5 z = 3 Vi väljer bland två olika vägar Den ena är att sätta u = z, u = z Den andra är att konstatera att vänstra ledet är en derivata Differentialekvationen 5 z + 5 z = 3 övergår ( 5 z ) = 3 Integrera med avseende på 5 z = + C z = + C 5 Integrera med avseende på z = ln C + C Den ursprungliga inhomogena differentialekvationen har den allmänna lösningen

y = 3 (ln C 3 + C ) = 3 ln C 3 + C 3 Det återstår att bestämma den lösning som uppfyller villkoren y() = och y () = y = 3 ln + + C 3 + C 3 = y() = C 3 + C C = = y () = + C 3 + C 3 C 3 = Insättning av konstanterna ger: y = 3 ln, > SVAR: Den sökta lösningen är y = 3 ln, > Modul 3 Den -periodiska funktionen g ges av g() = +, <, << Bestäm g :s fourierserie samt beräkna med hjälp av denna summan av serien m = (m + ) Den givna funktionen är jämn g :s fourierserie är på formen a + a cosn n där n = a n = ( + )cos nd = ( + ) sin n n [ n ] sin d n a n = cosn [ n ] = cos n n a = ( + )d = + g :s fourierserie är + cosn + cosn n n= För att bestämma den sökta seriens summa utnyttjar vi fourierseriens konvergens Fourierserien konvergerar mot medelvärdet av funktionen i den aktuella punkten Välj = vilken är en kontinuitetspunkt Vi får = g() = + cosn + n, n= = cosn n, cosn = ( ) n, n=, n=m cosn = ( ) n =, n=m+ = m = (m + ) 8 [ ] = + SVAR: g :s fourierserie är + cosn + cosn n n= Den sökta seriens summa = m = (m + ) 8 Del t Bestäm y( 3 ) då y (t) + y(t u)cos 3udu = (t ) och y() = Vi bestämmer först ekvationens lösning och därefter insättes det aktuella t-värdet Laplacetransformera ekvationen och lös ut den obekanta funktionens laplacetransform

s sy (s) + Y(s) s + 3 = e s s +3 s 3 + s = s + 3 (s + )s = Y(s) s3 + 3s + s = e s + s, Y(s) = e s s + 3 + 3 s 3 + s + s + 3 s 3 + s Partialbråksuppdela den rationella funktionen 3 Y(s) = e s (3 s + Återtransformera s s + s + s s + ) + 5( 3 s + s s + ) y(t) = U(t ) (3 + cos(t ) + 5(3 + cost) Nu över till bestämning av funktionsvärdet y( 3 ) = U(3 ) (3 + cos( 3 )) + 5(3 + cos3) = + 5 = y( 3 ) = SVAR: Det sökta funktionsvärdet y( 3 ) = Undersök om differentialekvationen ( +) y ( +)y + =, > har några lösningar y() med egenskapen att y(), då Ange alla sådana lösningar, om de nu finns Den givna differentialekvationen är linjär av första ordningen, vilken löses med hjälp av integrerande faktor y y = + d En integrerande faktor är e = e ln =e ln = Multiplicera differentialekvationen med integrerande faktorn y y = + y 3 y =, ( +), Integrera med avseende på y = ln( +) ln + C y = ln( + ) + C Nu över till villkoret y(), då y = ln( + ) + C Omformning med hjälp av MacLaurinutveckling ger ln( + ) = ( + O( )) = + O( ), Villkoret y() SVAR: Den sökta lösningen är, då är uppfyllt då C = y = ln( + ), > d ( d y) = +

3 Vad menas med fundamentallösningar till systemet av linjära differentialekvationer X = AX Systemet har följande lösningar: X = et, X e t = e3t, X e 3t 3 = et och X 7e t = et + 3e 3t e t + 3e 3t Bestäm en fundamentalmatris till systemet Bestäm därefter den konstanta matrisen A Låt matrisen B vara och ha multipelt egenvärde med endast en tillhörande egenvektor K Ange först en lösning, X, till systemet X = BX MatrisenB är konstant Redovisa därefter hur en av X linjärt oberoende lösning till systemet kan bestämmas Fundamentallösningar är linjärt oberoende lösningar som spänner upp lösningsrummet För att bestämma en fundamentalmatris behövs i detta fall två linjärt oberoende lösningar X och X är linjärt oberoende av varandra Däremot ärx 3 linjärt oberoende av X Vidare är X en linjärkombination av X och X Vi väljer X och X Då bli en fundamentalmatris Φ = et e 3t e t e 3t Varje kolonn i fundamentalmatrisen uppfyller systemet Vi har ekvationen Φ = AΦ Vi får den konstanta matrisen A genom att multiplicera från höger med fundamentalmatrisens invers Vi erhåller A = Φ Φ Fundamentalmatrisens invers Φ = e 3t e 3t = e t e t e t e t e t e 3t e 3t Vi får A = et 3e 3t e t e t = e t 3e 3t e 3t e 3t 5 En lösning är X = e t K Vi ansätter X = e t (Et + F) där E och F är konstanta matriser Insättning i systemet X = BX ger e t (Et + F) + e t E = Be t (Et + F) t : E = BE (B I)E = (B I)E = Identifiering ger följande system: t : F + E = BF (B I)F = E (B I) F = Matrisen E är en egenvektor till B och F en generaliserad egenvektor till B SVAR: En fundamentalmatris är Φ = et e 3t och matrisen A = e t e 3t 5 För övrigt se ovan a) Bestäm de lösningar till differentialekvationen y + y =, är större än noll, som uppfyller randvillkoren y()= och y () = b) Visa att de i a) erhållna funktionerna, som är linjärt oberoende, är ortogonala på intervallet [,] c) Bestäm de lösningar till den partiella differentialekvationen u t = u som uppfyller randvillkoren u(,t) = och u (,t) = a) är större än noll gör att vi kan sätta = där R Insättning i differentialekvationen ger y + y = De karakteristiska rötterna är r = ±i Lösningarna är på formen y = Acos + Bsin Vi utnyttjar de givna randvillkoren Då behövs även y = Asin + B cos y() = = A Randvillkoren ger oss följande system: y () = = Asin + B cos (n ) Icke-triviala lösningarna erhålles då cos =, dvs då =, n=,, (n ) De icke-triviala lösningarna är på formen y = B n sin, n =,,

(n ) (m ) b) Vi visar att inre produkten sin sin d =, n m Vi omformar vänstra ledet VL = (n m) cos cos (n + m ) d [ ] = Integration ger: VL = (n m) sin(n m) + sin(n m ) (n m ) (n ) (m ) Vi har erhållit sin sin d =, n m c) Vi använder variabelseparation för att bestämma lösningar till den partiella differentialekvationen u t = u Sätt u(,t ) = X()T(t) X () Insättning ger: X() T (t) = X ()T(t) Denna ekvation kan skrivas X() = T (t) T(t ) = konstant = X () X() = Den partiella differentialekvationen övergår i ett system: T (t) T(t) = Här observerar vi att -ekvationen med motsvarande randvillkor svarar mot deluppgift a Med = övergår -ekvationen i X () + X() = Randvillkoren u(,t) = och u (,t) = tillsammans med variabelseparationen u(,t ) = X()T(t) ger randvillkoren X()= och X () = (n ) Detta innebär att X = B n sin, n=,, ( n ) t Vidare har "T-ekvationen" lösningar på formen T = C n e, n =,, Lösningar till den partiella differentialekvationen är på formen ( n ) t (n ) u n (,t) = a n sin e, n=,, Även linjärkombinationer är lösningar (n ) u(,t) = c n u n (,t) = b n sin n= n = e ( n ) t SVAR: a) De icke-triviala lösningarna är på formen y = B n sin b) Se ovan c) u(,t) = b n sin n = (n ) e ( n ) t (n ), n =,, 5 Tillväten av en cell beror av flödet av näringsämnen(som eempelvis aminosyror) genom det omslutande cellmembranet Låt W (t) vara cellens massa i gram vid tiden t, mätt i timmar, med W ()=W Antag att massans tillväthastighet är proportionell mot membranets yta och att densiteten (i g/volymsenhet) är konstant Cellen förutsätts ha formen av ett klot (en sfär) a) Härled att differentialekvationen för W bör ha formen dw dt = kw 3 där k är en konstant b) Bestäm W (t) om W = 6 g och om massan efter timme är, 3 6 g (,33 6 g) c) Antag att cellen börjar dela sig då massan fördubblats, dvs är 6 g 3 När startar celldelningen? (För ett numeriskt värde behövs att,6) a) Cellens massa är W = V = 3 r3, är densiteten och r är sfärens radie

Membranets area är A = r Uttryck A i W A = (( 3W ) 3 ) 3 = (( ) 3 W 3 = k W 3 Massans tillväthastighet är proportionell mot membranets area ger: dw dt = k A = k k W 3 = kw 3 b) dw dt = kw 3 är separabel, dock saknar den triviala lösningen intresse Omforma differentialekvationen: W 3 dw dt = k Vi integrerar med avseende på t: 3W 3 = kt + C Begynnelsevillkoret W ()= 6 ger: 3( 6 ) 3 = C, C=3 3W 3 = kt + 3 Bestäm k Efter timme är massan, 3 6 g 3(, 3 6 ) 3 = k + 3, k = 3, = 3 3, 3W 3 = 3 3 t + 3 Cellens massa vid tiden t ges av W (t) = 6 (,t +) 3 g c) Bestäm tidpunkten, t, då cellens massa är fördubblad 6 = 6 (,t +) 3, t = ( 3 ) (,6 ) =,6 Cellens massa är fördubblad efter,6timmar SVAR: a) se ovan b) Cellens massa vid tiden t ges av W (t) = 6 (,t +) 3 g c) Cellens massa är fördubblad efter,6timmar