EXISTENS AV EN UNIK LÖSNING TILL FÖRSTAORDNINGENS BEGYNNELSEVÄRDESPROBLEM

Relevanta dokument
Några viktiga satser om deriverbara funktioner.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

R LÖSNINGG. Låt. (ekv1) av ordning. x),... satisfierar (ekv1) C2,..., Det kan. Ekvationen y (x) har vi. för C =4 I grafen. 3x.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

x = a är nödvändigt villkor för deriverbarhet i denna x = a } { f är högerkontinuerlig i punkten x = a } { f är vänsterkontinuerlig i punkten

AUTONOMA DIFFERENTIALEKVATIONER

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

DIFFERENTIALEKVATIONER AV FÖRSTA ORDNINGEN

6. Samband mellan derivata och monotonitet

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Lösningsskisser för TATA

Låt vara en reell funktion av en reell variabel med definitionsmängden som är symmetrisk i origo.

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

Kapitel 7. Kontinuitet. 7.1 Definitioner

Anteckningar för kursen "Analys i en Variabel"

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Christoffer Standar LMA033a Matematik BI

a3 bc 5 a 5 b 7 c 3 3 a2 b 4 c 4. Förklara vad ekvationen (2y + 3x) = 16(x + 1)(x 1) beskriver, och skissa grafen.

DUBBELINTEGRALER. Rektangulära (xy) koordinater

ENDIMENSIONELL ANALYS B1 FÖRELÄSNING XV. Föreläsning XV. Mikael P. Sundqvist

Lektion 6, Envariabelanalys den 14 oktober Låt oss krympa f:s definitionsmängd till en liten omgivning av x = x 2.

Envariabelanalys: Vera Koponen. Envariabelanalys, vt Uppsala Universitet. Vera Koponen Föreläsning 5-6

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e 50k = k = ln 1 2. k = ln = ln 2

H1009, Introduktionskurs i matematik Armin Halilovic

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Mälardalens högskola Akademin för undervisning, kultur och kommunikation


STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

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

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

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen

x 1 1/ maximum

TENTAMEN HF1006 och HF1008

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

DERIVATA. = lim. x n 2 h h n. 2

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.

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

x 2 + x 2 b.) lim x 15 8x + x 2 c.) lim x 2 5x + 6 x 3 + y 3 xy = 7

2301 OBS! x används som beteckning för både vinkeln x och som x-koordinat

Y=konstant V 1. x=konstant. TANGENTPLAN OCH NORMALVEKTOR TILL YTAN z = f ( x, LINEARISERING NORMALVEKTOR (NORMALRIKTNING) TILL YTAN.

Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR

Lektion 3. Partiella derivator, differentierbarhet och tangentplan till en yta, normalen i en punkt till en yta, kedjeregeln

LINJÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER AV HÖGRE ORDNINGEN

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

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

TATM79: Föreläsning 4 Funktioner

Lösningsförslag obs. preliminärt, reservation för fel

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

har ekvation (2, 3, 4) (x 1, y 1, z 1) = 0, eller 2x + 3y + 4z = 9. b) Vi söker P 1 = F (1, 1, 1) + F (1, 1, 1) (x 1, y 1, z 1) = 2x + 3y + 4z.

Existensen av största och minsta värde är inte garanterad i det här fallet.

x 4 a b X c d Figur 1. Funktionsgrafen y = f (x).

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

MAA7 Derivatan. 2. Funktionens egenskaper. 2.1 Repetition av grundbegerepp

vilket är intervallet (0, ).

2320 a. Svar: C = 25. Svar: C = 90

SF1625 Envariabelanalys

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson, Sebastian Pöder

SAMMANFATTNING TATA41 ENVARIABELANALYS 1

Integration m.a.p. t av båda led ger. Lektion 13, Flervariabelanalys den 15 februari x(t) x(0) = log y(t) log y(0) = log.

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

ORTONORMERADE BASER I PLAN (2D) OCH RUMMET (3D) ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

LMA515 Matematik, del B Sammanställning av lärmål

SF1626 Flervariabelanalys

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 3.1

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Existens och entydighet

Tentamen i Matematik 1 HF1901 (6H2901) 22 aug 2011 Tid: :15 Lärare:Armin Halilovic

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Jonny Lindström MVE475 Inledande Matematisk Analys

Sekantens riktningskoefficient (lutning) kan vi enkelt bestämma genom. k = Men hur ska vi kunna bestämma tangentens riktningskoefficient (lutning)?

= 0 vara en given ekvation där F ( x,

Om existens och entydighet av lösningar till ordinära differentialekvationer

Kapitel 4. Funktioner. 4.1 Definitioner

TENTAMEN TEN2 i HF1006 och HF1008

Sekant och tangent Om man drar en rät linje genom två punkter på en kurva får man en sekant. (Den gröna linjen i figuren).

UPPSALA UNIVERSITET Envariabelanalys IP1/Hösten L.Höglund, P.Winkler, S. Zibara Ingenjörsprogrammen Tel: , ,

TENTAMEN HF1006 och HF1008 TEN2 13 jan 2014

En normalvektor till g:s nivåyta i punkten ( 1, 1, f(1, 1) ) är gradienten. Lektion 6, Flervariabelanalys den 27 januari z x=y=1.

1. Utan miniräknare, skissa grafen (bestäm ev. extrempunkter och asymptoter) y = x2 1 x 2 + 1

TENTAMEN HF1006 och HF1008

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

Tentamen i Matematisk analys, HF1905 exempel 1 Datum: xxxxxx Skrivtid: 4 timmar Examinator: Armin Halilovic

1 Föreläsning 12, Taylors formel, och att approximera en funktion med ett polynom

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

x 2 5x + 4 2x 3 + 3x 2 + 4x + 5. d. lim 2. Kan funktionen f definieras i punkten x = 1 så att f blir kontinuerlig i denna punkt? a.

Tentamen i Matematik 1 HF1901 (6H2901) 4 juni 2008 Tid:

Kap Funktioner av flera variabler, definitionsmängd, värdemängd, graf, nivåkurva. Gränsvärden, kontinuitet.

2. Förklara vad ekvationen 4x(x + 1) = 8y + 11 beskriver, och gör en skiss av detta.

Tillämpningar av integraler: Area, skivformeln för volymberäkning, båglängd, rotationsarea, integraler och summor

Envariabelanalys 5B1147 MATLAB-laboration Derivator

Partiella differentialekvationer av första ordningen

Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR

Transkript:

EXISTENS AV EN UNIK LÖSNING TILL FÖRSTAORDNINGENS BEGYNNELSEVÄRDESPROBLEM Vi betraktar ett begnnelsevärdesproblem IVP, initial-value problem) av första ordningen som är skrivet på normal form IVP1) Man kan inte lösa exakt varje sådant problem Ett begnnelsevärdesproblem som vi inte kan lösa exak försöker vi lösa med en av många numeriska metoder Innan vi använder en numerisk metod är det viktigt att veta om vårt problem ar någon lösning oc, om detta är fall, att veta om lösnigen är entdig I nedanstående sats ges tillräckliga villkor som garanterar att det finns ett ibland litet) intervall kring punkten x så att IVP1) ar exakt en lösning på detta interval Sats 11 EXISTENS OCH ENTYDIGHETSSATS T 11 Existence of a Unique Solution, Zill, Wrigt) Låt Ω vara ett rektangulärt område i x-plane definierad av inneåller punkten x, ) i sitt inre Om följande två villkor 1 F kontinuerlig på Ω, oc a x b, c d, som är kontinuerlig på Ω, är uppfllda då existerar ett intervall I x, x ) som ligger i a, b) sådant att begnnelsevärdesproblemet ar på I exakt en lösning IVP1) d c x, ) O a x x b x Sida 1 av 7

Anmärkning 1 Vi kan kort sammanfatta satsen på följande sätt: { F oc är kontinuerliga i en omgivning av punkten x, ) } { Det finns ett intervall x, x ) där IVP1, ar exakt en lösning} Exempel 1 Vi betraktar ekvationen x sin ) Låt x, ) vara en vilken som elst) punkt i x-planet Visa att det finns ett intervall I x, x ) sådant att IVP1) x sin ) ar exakt en lösning på I x, x ) } Lösning Beteckna ögerledet i ekvationen) F x sin ) Villkor 1: Funktionen F x sin ) är uppenbart definierad oc kontinuerlig för alla, dvs i ela x-planet Notera att en elementär funktion är kontinuerlig inom sin definitionsmängd) F Villkor : Funktionen x cos ) är också kontinuerlig för alla, dvs i ela x-planet Därmed är villkoren i satsen uppfllda Enligt sats 11 finns det ett intervall ett intervall x, x ) där IVP1 ar exakt en lösning Anmärkning Viktigt!) Korrekt tolkning av sats 11 Om F oc kontinuerliga i en omgivning av punkten x, ) då gäller följande: är 1 Det finns minst en lösning till IVP1), dvs minst en lösningskurva går genom x, ) Om flera lösningskurvor går genom x, ) då existerar ett ibland litet ) intervall runt x, I x, x ), där alla lösningskurvor sammanfaller Följande två figurer visar två möjliga fall om villkoren i satsen är uppfllda dvs om F oc är kontinuerliga i en omgivning av punkten, ) x : Fall 1 Exakt en lösning går genom punkten x, ) Sida av 7

x, ) Fall Det kan ända att flera lösningar även oändligt många) går genom x, ) trotts att villkoren i sats 11 är uppfllda Men då existerar ett ibland litet ) intervall I x, x ), runt där alla lösningskurvor sammanfaller dvs alla lösningar är identiska på I ) I nedanstående graf är f 1 x ), f x), f x) f x) 3 4 lösningar som går genom x, ) I punkten A, som ligger utanför I, x x ), tangerar kurvorna f 1 x ) oc f x) varandra, dvs, de två kurvorna ar samma tangent i punkten A Om vi ar en situation som på nedanstående graf då är de två villkor i sats 11 inte uppfllda i punkten A Oavsett ur litet intervall ar vi runt A finns det alltid minst två olika lösningskurvor i detta intervall som går genom A ) Fig 1 x, ) f x 1 ) f 3 x ) f 4 x) f x ) x x Alltså är entidiget i ovanstående sats inte en global utan en lokal egenskap En unik lösning genom x, ) i ett interval I x, x ) kan ibland utvecklas i två eller flera lösningar utanför detta intervall Enligt ovanstående sats är eventuell förgrening möjligt endast utanför området a x b, c d ) I en situation som vi ar i ovanstående graf ar begnnelsevärdesproblemet exakt en lösning på intervallet I x, x ) medan samma problem ar fra olika lösningar på intervallet I x, ) 1 b Sida 3 av 7

Anmärkning 3 Om F oc är kontinuerliga i ela x-planet då är entidiget en global egenskap Med andra ord, lösningen till är unik på sitt ela existensintervall Situationen som i Fig 1 är i detta fall omöjligt eftersom satsens villkor gäller i alla punkter, därmed även i punkterna A, B oc C Förgrening av en lösningskurva är därför omöjligt) =========================================================== Uppgift 1 Visa att genom punkten 3,57) går exakt en lösning till ekvationen e sin x sin ) Lösning sin Beteckna F e x sin ) sin Villkor 1: F e x sin ) är uppenbart kontinuerlig för alla Motivering: F är en elementär funktion som är definierad för alla En elementär funktion är kontinuerlig i sitt definitionsområde Därmed är F kontinuerlig för alla F Villkor : cos ) är kontinuerlig för alla Därför kan vi välja ett rektangulärt område kring punkten 3,57) där både F oc är kontinuerliga Enligt existens oc entdigetsatsen går genom punkten 3,57) exakt en lösning till DE Uppgift Visa att genom en godtcklig punkt a, b) i R går exakt en lösning till ekvationen d 3 dz sin t a) x sin b) x cos c) t cos d) e cos z dt dt Lösning: F a) Både F x sin oc cos är kontinuerliga för alla Från ovanstående sats följer att genom en godtcklig) punkt a, b) går exakt en lösning Sida 4 av 7

F b) Funktionerna F t sin t cos oc t sin Enligt sats 11 går exakt en lösning genom punkten a, b) 3 F c) Funktionerna F t cos oc 1 sin Enligt sats 11 går exakt en lösning genom punkten a, b) är kontinuerliga för alla är kontinuerliga för alla sin t F z) d) Funktionerna F z) e cos z oc sin z är kontinuerliga för alla z Enligt sats 11 går exakt en lösning genom punkten a, b) Anmärkning 4 Satsen ger endast tillräckliga villkor för en unik lösning genom punkten x, ) Om ett av de två villkoren inte är uppflld då kan IVP1) a ingen, exakt en, ändligt många eller oändligt många lösningar, som vi undersöker generellt i sådana fall) genom att lösa IVP1) Uppgift 3 Vi betraktar DE a) I vilka punkter är antaganden för sats 11 uppfllda? b) Hur många lösningar går genom punkten 1, 3) c) Bestäm minst två lösningskurvor som går genom punkten,) d) Låt, ), där vara ett godtckligt intervall kring punkten Visa att man kan konstruera oändligt många lösningar som går genom punkten,) oc är definierade på, ) Tipps: Lösningar kan vara stckviss definierade Lösning: a) Vi ar F oc F 1 Båda funktioner ör definierade oc kontinuerliga om Alltså är satsens villkor uppfllda i de punkter som ar b) Ingen lösning går genom punkten 1, 3) eftersom själva ekvationen inte är definierad om c) Fortsättning av uppgiften kan du lösa efter att du ar lärt dig lösningsmetoden för separabla DE) Vi löser ekvationen en separabel DE) Sida 5 av 7

Först noterar vi att den konstanta funktionen är en lösning eftersom så att VL= oc HL=) Denna lösningen går genom punkten,) För att finna eventuella andra lösningar separerar vi variabler i d Vi skriver oc separerar variabler vi flttar alla till vänster oc alla x till dx ögersidan ): d d dx dx Variabler är separerade; vi integrerar båda leden oc lägger en konstant till öger): d 1/ 1/ dx x C x C / ) eller, om vi skriver C/ =D, x D) *) Den allmänna lösningen) Villkoret ) substituerar vi i *) oc får D ) D Alltså är x en lösning till DE som går genom,) Dessutom ar vi den singulära) lösningen Därmed ar vi funnit två lösningar x oc som går genom,) d) Notera att varje lösning x D) tangerar kurvan dvs x-axeln) i punkten x = D Låt a vara en godtcklig punkt i intervallet, ) Då är x) x a ) f a för för x a x a en lösning till DE som går genom,) Notera att i punkten x=a är både, vänster- oc ögerderivatan = Därför kan vi kombinera delar de två lösningar oc x a) till en n lösning) Sida 6 av 7

Eftersom vi kan välja en punkt a i intervallet, ) på oändligt många sät ar vi konstruerat oändligt många lösningar till DE, )= som är definierade på intervallet, ) Några sådana lösningskurvor visar vi i nedanstående graf Sida 7 av 7