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

Relevanta dokument
= = i K = 0, K =

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

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.

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

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

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

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

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

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

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

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

} + 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),

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

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

, 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.

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

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

ÚÚ dxdy = ( 4 - x 2 - y 2 È Î

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

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

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

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

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

(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.

A dt = 5 2 da dt + A 100 =

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

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.

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

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

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

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

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

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

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

dy dx = ex 2y 2x e y.

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

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

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

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

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

STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

Sammanfattning av ordinära differentialekvationer

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

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

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

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

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

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Linnea Hietala MVE480 Linjär algebra S

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

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.

SF1635, Signaler och system I

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen

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

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Lineära system av differentialekvationer

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

Studietips inför kommande tentamen TEN1 inom kursen TNIU23

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

SF1635, Signaler och system I

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

Linjära differentialekvationer av andra ordningen

Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra, SF1604, den 12 mars 2013 kl

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)

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

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

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

Stabilitet m.a.p. begynnelsedata

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

TNA004 Analys II Tentamen Lösningsskisser

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

y > 0, 0 < y <1 y växande, 0 < y < 1

Kurs 5B1200, Sammanfattningar av lektioner för M2 läsåret 1998/99. Björn Gustafsson

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 12 januari 2015

Lösningsförslag obs. preliminärt, reservation för fel

Skrivtid: Lösningar ska åtföljas av förklarande text. Hjälpmedel: formelsamling och manuella skrivdon. 1. Lös ekvationen z 4 = 16i.

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

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

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Styf. Exempeltenta med lösningar Programmen EI, IT, K, X Linjär algebra juni 2004

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

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

Vi skall här studera första ordningens homogena system av linjära dierentialekvationer

Preliminärt lösningsförslag

Lösningsförslag till tentamen i SF1629, Differentialekvationer och Transformer II (del 1)

Preliminärt lösningsförslag

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1119, Vektoranalys, för Open.

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Måndag 14 januari 2002 TID:

1. (a) Lös ekvationen (2p) ln(x) ln(x 3 ) = ln(x 6 ). (b) Lös olikheten. x 3 + x 2 + x 1 x 1

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 17 april 2010 kl

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Fredagen den 23 oktober, 2009 DEL A

Vektorerna är parallella med planet omm de är vinkelräta mot planets normal, dvs mot

Institutionen för Matematik, KTH Lösningar till tentamen i Analys i en variabel för I och K (SF1644) 1/ e x h. (sin x) 2 1 cos x.

{ } = F(s). Efter lång tid blir hastigheten lika med mg. SVAR: Föremålets hastighet efter lång tid är mg. Modul 2. y 1

Transkript:

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206) Webbaserad kurs i differentialekvationer I, SF1656 Torsdagen den 8 januari 2009, kl 1400-1900 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 1 är avsedd för betyg E och omfattar 4 uppgifter För betyg E krävs 4 godkända moduler Del 2 är avsedd för högre betyg, A, B, C och D, och omfattar totalt 20 poäng För betyg A krävs förutom 4 godkända moduler även 15 poäng på del 2 För betyg B krävs förutom 4 godkända moduler även 11 poäng på del 2 För betyg C krävs förutom 4 godkända moduler även 7 poäng på del 2 För betyg D krävs förutom 4 godkända moduler även 3 poäng på del 2 De som har registrering på 5B1206 erhåller betyg enligt nedan Tentamen är tvådelad Del 1 är avsedd för betyg 3 och omfattar 4 uppgifter För betyg 3 krävs 4 godkända moduler Del 2 är avsedd för högre betyg, 4 och 5, och omfattar totalt 20 poäng För betyg 4 krävs förutom 4 godkända moduler även 8 poäng på del 2 För betyg 5 krävs förutom 4 godkända moduler även 14 poäng på del 2 Uppgifterna 11-15 ger 4 poäng vardera Del 1 Modul 1 I en befolkningsmodell för ett samhälle antas att hastigheten varmed befolkningsmängden,p(t), förändras är beroende av differensen mellan födelse- och dödshastigheten Födelsehastigheten är proportionell mot befolkningsmängden medan dödshastigheten är proportionell mot kvadraten på befolkningsmängden Ställ upp ovanstående modell i form av en differentialekvation Analysera därefter modellen kvalitativt med proportionalitetskonstanterna lika med tre och ett i nämnd ordning Den sökta modellen blir: dp = k 1 P k 2 P 2, där P 0 Inför de givna värdena på konstanterna k 1 = 3 och k 2 = dp 1: = 3P P2 = P(3 P) Vi bestämmer först de stationära lösningarna och analyserar därefter lösningarnas uppförande för olika startvärden Vi är intresserade av långtidsbeteendet De stationära lösningarna ges av: P 1 = 0 och P 2 = 3 P > 3 dp < 0 P(t) är avtagande Vi erhåller: 0 < P < 3 dp > 0 P(t) är växande Detta innebär att vi erhåller ett stabilt jämviktsläge P = 3 Efter lång tid kommer befolkningsmängden dp att vara lika med 3 SVAR: Den sökta modellen ges av: = k 1 P k 2 P 2, där P 0 och lim P(t) = 3 t Modul 2 Lös differentialekvationen y + 9y = f (t), där f (t) = 9, 1 t 2 och noll för övrigt vidare skall begynnelsevillkoren y(0)=0 och y (0)= 3 vara uppfyllda Laplacetransformera differentialekvationen: s 2 Y (s) sy(0) y (0) + 9Y (s) = F(s) 3 Insättning av begynnelsevillkoren ger Y(s) = s 2 + 9 + F(s) s 2 + 9 För bestämning av högerledets Laplacetransform använder vi dess definition(heaviside går också bra) F(s) = L{ f (t)} = f (t)e st 2 = 9e st = 9(e s e 2s ) s 0 1

3 Den sökta lösningens Laplacetransform är Y(s) = s 2 + 9 + 9(e s e 2s ) 3 = s(s 2 + 9) s 2 + 9 + (e s e 2 s )( 1 s s s 2 + 9 ) Återtransformering ger oss vår sökta lösning: y(t) = sin3t + U(t 1)(1 cos3(t 1)) U(t 2)(1 cos3(t 2)) Här är U(t a) Heavisidefunktionen SVAR: Den sökta lösningen är y(t) = sin3t + U(t 1)(1 cos3(t 1)) U(t 2)(1 cos3(t 2)) Modul 3 Uttryck den 2 -periodiska funktionen f i en fourierserie då f (t) = t 2, < t < ( 1) n Bestäm med hjälp av denna fourierserie summan n 2 n= 1 Funktionen f är en jämn funktion Fourierserien är på formen a 0 2 + a n cosnt Fourierserien finns tabulerad i BETA(4:e upplagan) 131 under speciella fourierserier, nr13 2 Vi tilldelar funktionen f fourierserien f ~ 3 + 4 ( 1) n n 2 cosnt I kontinuitetspunkter är t 2 2 = 3 +4 ( 1) n n 2 cosnt Vid bestämning av summan sätter vi in ett lämpligt t -värde Välj t = 0 2 Då erhålles 0 = 3 + 4 ( 1) n n 2, ( 1) n 2 n 2 = 12 n = 1 n= 1 SVAR: t 2 2 ~ 3 +4 ( 1) n ( 1) n 2 n 2 cosnt och n 2 = 12 n= 1 Modul 4 Bestäm alla kritiska punkter till systemet x y = x(5 x y ) y( 2 + x) Klassificera de eventuella kritiska punkterna med avseende på typ och stabilitet I de kritiska punkterna är tangentvektorn lika med nollvektorn Vi erhåller följande system 0 0 = x(5 x y) y( 2+x) = f(x,y) Detta har lösningarna (0,0), (5,0) och (2,3) För att klassificera dessa punkter använder vi oss av Jacobimatrisen i den aktuella punkten f Jacobimatrisen är lika med = 5 2x y x (x, y) y 2 + x Vi sätter in de tre kritiska punkterna och erhåller därvid följande matriser (0,0) A = 5 0 0 2 Egenvärdena är reella och med olika tecken Den kritiska punkten är en sadelpunkt och därmed instabil (5,0) B = 5 5 0 3 Egenvärdena är reella och med olika tecken Den kritiska punkten är en sadelpunkt och därmed instabil (2,3) 2 2 C = 2 Vi tecknar egenvärdena: 0 = det(c I) = 2 3 0 3 = 2 + 2 + 6 = ( +1) 2 + 5

Egenvärdena är komplexa och lika med 1,2 = 1±i 5 Den kritiska punkten är en stabil spiralpunkt Det linjära respektive det icke-linjära systemet uppför sig på samma sätt i dessa fall SVAR: Kritiska punkter: (0,0) och (5,0) är sadelpunkter och instabila, (2,3) är en stabil spiralpunkt Del 2 11 a) Låt y = y 1 (x) vara en icke-trivial lösning till differentialekvationen y + P(x)y = 0 Härled en partikulärlösning till differentialekvationen y + P(x)y = f (x) b) Bestäm en kontinuerlig lösning till begynnelsevärdesproblemet y + P(x)y = 4x, y(0)=3, 2, 0 x 1 där P(x) = 2 x, x >1 a) Vi ansätter y = y 1 (x)z(x) och sätter in i den inhomogena differentialekvationen Vi får y 1 (x)z(x ) + y 1 (x) z (x ) + P(x)y 1 (x)z(x) = f (x ), y 1 (x) z (x) + ( y 1 (x) + P(x )y 1 (x ))z(x) = f (x ) y = y 1 (x) är en lösning till differentialekvationen y + P(x)y = 0 vilket leder till att y 1 (x) z (x) = f (x) Vi får z (x) = f (x) f (x) Integrera med avseende på x : z(x) = y 1 (x) y 1 (x) dx + A f (x) Den allmänna lösningen ges av y = y 1 (x)z(x) = y 1 (x )( y 1 (x) dx + A ) = Ay 1 (x) + y 1 (x ) En partikulärlösning ges av y p = y 1 (x ) f (x) y 1 (x) dx b) Differentialekvationen är linjär av första ordningen och den löses med hjälp av integrerande faktor y + 2y = 4x, 0 x 1 Vi skriver först om differentialekvationen: y 2 x y = 4x, x > 1 e 2x, 0 x 1 Multiplicera med integrerande faktor, vilken ges av 1 x 2, x>1 y e 2x + 2e 2 x y = 4xe 2x, 0 x 1 Vi får 1 y x 2 2 1 x x 2 y = 4x 1 eller (ye 2 x ) = 4xe 2 x, 0 x 1 x 2, x > 1 (y 1 x 2 ) = 4 1, x >1 x ye 2 x = 2xe 2 x e 2x + C Integrera med avseende på x 1, 0 x 1 : y 1 x 2 = 4ln x+c 2, x >1 Villkoret y(0) = 3 ger tillsammans med ekvationen ye 2 x = 2xe 2 x e 2x + C 1 att C 1 = 4 y = 2x 1 + 4e 2 x, 0 x 1 Insättning ger: y 1 Det återstår att bestämma konstanten C 2 x 2 =4ln x+c 2, x>1 Kontinuerlig lösning söktes och kontinuitetsvillkoret ger: 2x 1+ 4e 2 x x =1 = x 2 (4ln x + C 2 ) x =1 Konstanten blir C 2 =1+ 4e 2 och den sökta lösningen blir y = 2x 1 + 4e 2 x, 0 x 1 y= x 2 (4ln x+1+4e 2 ), x>1 SVAR: a) Se ovan b) Den sökta lösningen är y = 2x 1 + 4e 2 x, 0 x 1 y= x 2 (4ln x+1+4e 2 ), x>1 f (x ) y 1 (x ) dx 12 Bestäm alla lösningar på formen u(r, ) = R (r)θ( ) till differentialekvationen i de fall där "r-ekvationen" har lösningar på formen Cr p, p en reell konstant 2 u r 2 + 1 r u r + 1 r 2 2 u 2 = 0,

Vi använder variabelseparationsmetoden Sätt: u(r, ) = R (r)θ( ) Insättning i differentialekvationen ger: R (r)θ( ) + 1 R (r)θ( ) + 1 r r R(r) Θ ( ) = 2 0 r 2 Multiplicera med R (r)θ( ) : r2 R (r) + r R (r) R(r) R(r) + Θ ( ) Θ( ) = 0 r 2 R (r) + r R (r) R(r) R(r) = Θ ( ) Θ( ) = konstant = Den partiella differentialekvationen övergår i ett system av ordinära differentialekvationer r 2 R (r) + r R (r) R(r) = 0 Θ ( ) + Θ( ) = 0 Vi behandlar de tre fallen: > 0, =0 resp < 0 > 0, = 2, R r 2 R (r) + r R (r) 2 R (r) = 0 Θ ( ) + 2 Θ( ) = 0 Vi bestämmer först lösningar till "r-ekvationen" Sätt: R (r) = r p Insättning ger: r 2 p(p 1)r p 2 + rpr p 1 2 r p = 0, (p 2 2 )r p = 0, p =± R (r) = A 1 r + B 1 r Systemets lösningar blir: Θ( ) = C 1 cos + D 1 sin u(r, ) = R (r)θ( ) = (A 1 r + B 1 r )(C 1 cos + D 1 sin ) = 0 r R (r) + R (r) = 0 Θ ( ) = 0 Vi löser "r-ekvationen": (r R (r) ) = 0, r R (r) = A, R (r) = A, R(r) = A ln r + B r Den erhållna lösningen är ej på önskad form < 0, = 2, R r 2 R (r) + r R (r) + 2 R (r) = 0 Θ ( ) 2 Θ( ) = 0 Vi bestämmer först lösningar till "r-ekvationen" Sätt: R (r) = r p Insättning ger: r 2 p(p 1)r p 2 + rpr p 1 + 2 r p = 0, (p 2 + 2 )r p = 0, p =±i Ger inget bidrag till lösningarna, ty p skall var reellt SVAR: De sökta lösningarna är på formen u(r, ) = R (r)θ( ) = (A 1 r + B 1 r )(C 1 cos + D 1 sin ) Även linjärkombinationer av dessa lösningar är lösning till den givna differentialekvationen 13a Härled en partikulärlösning till det linjära system b Bestäm allmänna lösningen till systemet X = AX + F, då en fundamentalmatris ges av Φ X = 0 1 1 1 0 X + cost, då < t < 0 2 2 a Vi utgår från den allmänna homogena lösningen, vilken kan skrivas: X = ΦC, C är en konstant vektor En partikulärlösning ansättes som: X p = ΦU, där U är en tidsberoende vektor Insättning i systemet av differentialekvationer ger: Φ U +Φ U = AΦU + F

Kolonnerna i fundamentalmatrisen Φ består av linjärt oberoende lösningar till det homogena systemet Detta innebär att varje kolonn uppfyller det homogena systemet och således uppfyller även fundamentalmatrisen detsamma med andra ord gäller att Φ = AΦ Vi erhåller då: AΦU + Φ U = AΦU + F, Φ U = F Lös ut U Multiplicera med fundamentalmatrisens invers Den existerar ty det Φ 0 Vi erhåller U =Φ 1 F Integration ger: U = Φ 1 F Vi har erhållit X p =Φ Φ 1 F b Vi bestämmer först två linjärt oberoende lösningar till det homogena systemet och använder därefter variation av parametrar, se a, för att bestämma en partikulärlösning till det inhomogena systemet Den allmänna lösningen är summan av allmänna homogena lösningen och en partikulärlösning För att erhålla lösningar till det homogena systemet bestämmer vi egenvärdena till matrisen A = 0 1 1 0 0 = det(a I) = 1 = 2 +1, = ±i 1 Vi har erhållit komplexa egenvärden och bestämmer då en komplex egenvektor Bestäm en egenvektor till egenvärdet = i i 1 1 Vi söker icke-triviala lösningar till systemet 1 En komplex lösning är Z = e it i 1 i v = 0, vilka ges av v = r 1 i Realdel respektive imaginärdel av den komplexa lösningen ger oss två linjärt oberoende lösningar, r 1 R 1 Vi omformar den komplexa lösningen: Z = (cost +isin t) 0 + i 0 1 Re Z = cost och Im Z = sin t sin t cost cost sin t Variation av parametrar innebär att vi behöver en fundamentalmatris Φ = sint cost 1 En partikulärlösning erhålles som X p =ΦΦ 1 cost 0 Inversen blir Φ 1 = cos t sint 1 1 t sin t cost Φ 1 cos t = sin t = 0 cost ln cost t cost sint ln cost X p = t sin t + cost ln cost cost sin t Den allmänna lösningen är: X = t cost sin t ln cost C + sin t cos t t sint + cost ln cost SVAR: a Se ovan är två linjärt oberoende lösningar till det homogena systemet cost sin t b Den allmänna lösningen är: X = t cost sin t ln cost C + sin t cos t t sint + cost ln cost 2 14 Härled utgående från definitionen Laplacetransformationen för funktionen f h (t) = h, a t a+h 0, t<a, t > a + h Benämn denna transformation L{ f h (t)} Låt h 0, dvs bestäm gränsvärdet lim L { f h (t) } h 0

Lös slutligen begynnelsevärdesproblemet y + 4 y +8y = f (t), y(0)= 0, y (0) = 2, då f (t) = lim f h h 0 (t) Insättning i Laplacetransformationens definition ger: L{ f h (t)} = e st a+ h f h (t) = e st 2 a + h h = e st 2 [ sh] = 2 0 a a sh (e sa e s(a + h) ) = 2e sa (1 e sh ) sh Nu över till gränsövergången och här använder vi MacLaurinutveckling av exponentialfunktionen 2e lim L f h (t) h 0 { } sa = lim h 0 sh lim { } = 2e sa h 0 L f h (t) Laplacetransformera differentialekvationen: (1 e sh 2e sa ) = lim (1 (1 + ( sh) + h 2 H(h))) = lim2e sa (1 + hh (h)) h 0 sh h 0 s 2 Y (s) sy(0) y (0) + 4(sY (s) y(0))+8y(s)= 2e sa Insättning av begynnelsevillkoren ger: 2 Y (s) = s 2 + 4s + 8 + 2 s 2 + 4s + 8 e sa Kvadratkomplettera nämnaren 2 Y (s) = (s + 2) 2 +4 + 2 (s+2) 2 +4 e sa Återtransformera: y(t) = e 2t sin2 t + U(t a)e 2(t a) sin2( t a) SVAR: L f h (t) { } = 2e sa sh (1 e sh ), lim L { f h (t) } = 2e sa, h 0 y(t) = e 2t sin2 t + U(t a)e 2(t a) sin2( t a) 15 Kreatinin är en restprodukt vid ämnesomsättningen i muskelvävnader Kroppen gör sig av med produkten genom utsöndring i urinen Redan vid en liten nedsättning av njurfunktionen höjs halten av kreatinin patologiskt Man planerar att göra försök med hundar på vilka man tänker injicera en större dos kreatinin Dosen väljs så stor att vävnadernas nyproduktion av ämnet kan försummas jämfört med den injicerade dosen För att få en bild av hur utsöndringen beror av njurfunktionen tänker man sig nu, att blod och muskelvävnader är två kärl, mellan vilka kreatininet kan diffundera Från blodet diffunderar ämnet dessutom ut i urinen via njurarna med en hastighet som är proportionell mot koncentrationen av kreatinin i blodet Antag att diffusionshastigheten är proportionell mot skillnaden i koncentrationen av kreatininet i respektive kärl Låt c b (t) och c m (t) vara koncentrationerna i blod respektive muskler som funktioner av tiden samt låt k och l vara diffusionskoefficienterna mellan blod/muskler respektive blod/urin Ställ upp motsvarande matematiska modell c m Visa att denna har lösningen = A v e 1 1 1t + A 2 v 2 e 2t, där A 1, A 2, v 1, v 2, 1 och 2 Ange också 1 och 2 c b som funktioner av k och l samt visa att de är olika och negativa ( ) c m = k c b c m Vi erhåller följande matematiska modell: c b = k( c b c m ) lc b d c m Vi skriver om systemet på matrisform: = k k k k l Vi bestämmer matrisens egenvärden c b Dessa erhålles ur ekvationen0 = det(a I), där A = k k k k l 0 = k k = 2 + (2k + l) + kl = ( + k + l k k l 2 )2 k 2 ( l 2 )2 c m c b är reella

1,2 = k l 2 ± k2 +( l 2 )2 Vi har erhållit två reella och skilda egenvärden Då kan två reella egenvektorer erhållas Detta innebär att lösningen har den sökta formen Det återstår att visa att bägge egenvärdena är negativa Fallet 1 = k l 2 + k2 +( l 2 )2 är klart enligt triangelolikheten, 1 = k l 2 + k 2 + ( l 2 )2 k l 2 + k + l 2 = 0 med likhet endast om k = l = 0 Fallet 2 = k l 2 k2 +( l 2 )2 är trivialklart SVAR: Den matematiska modellen är ( ) ( ) lc b c m = k c b c m c b = k c b c m Egenvärdena är 1,2 = k l 2 ± k2 +( l 2 )2,