9.1 Mer om differentialekvationer

Relevanta dokument
10.1 Linjära första ordningens differentialekvationer

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

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Kontrollskrivning KS1T

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

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

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

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Christoffer Standard LMA515 Matematik KI, del B.

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

15. Ordinära differentialekvationer

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

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

, 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. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

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

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

Tentamen i Matematisk analys MVE045, Lösningsförslag

z = z 2. z = z 2 z /z 2 = 1 1 z = x + c z(x) = x + c = ln x + c + c 2 y(x) = ln y = 0 y(x) = c 2

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

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

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

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

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

Ordinära differentialekvationer

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

Kursens Kortfrågor med Svar SF1602 Di. Int.

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

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

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

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

TATA42: Föreläsning 9 Linjära differentialekvationer av ännu högre ordning

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

Blandade A-uppgifter Matematisk analys

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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.

Studietips inför kommande tentamen TEN1 inom kursen TNIU23

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

( ) = 2x + y + 2 cos( x + 2y) omkring punkten ( 0, 0), och använd sedan detta ( ).

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

MA2018 Tillämpad Matematik III-ODE, 4.0hp,

Något om (ODE) och Mathematica

IX. Primitiva funktioner och differentialekvationer

Partiella differentialekvationer av första ordningen

Meningslöst nonsens. December 14, 2014

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Betygskriterier Matematik E MA p. Respektive programmål gäller över kurskriterierna

Differentialekvationer av första ordningen

Lösningar och kommentarer till uppgifter i 2.3

Crash Course Envarre2- Differentialekvationer

Tentamen, del 2 Lösningar DN1240 Numeriska metoder gk II F och CL

2x 2 3x 2 4x 2 5x 2. lim. Lösning. Detta är ett gränsvärde av typen

Tentamen. Matematik 2 Kurskod HF1003. Skrivtid 8:15-12:15. Fredagen 13 mars Tentamen består av 3 sidor. Maple samt allt tryckt material

Kap 3.7, 17.8 Linjära differentialekvationer med konstanta koefficienter.

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

1. Bestäm definitionsmängden och värdemängden till funktionen f(x,y) = 1 2x 2 3y 2. Skissera definitionsmängden, nivålinjerna och grafen till f.

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

ÚÚ dxdy = ( 4 - x 2 - y 2 È Î

Repetitionsuppgifter

Moment 10.1,10.2 Viktiga exempel Övningsuppgifter T10.1,T10.2,T10.3a,b,c,e,Ö10.1a-f,Ö10.3b-e

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

} + 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),

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

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

TENTAMEN HF1006 och HF1008 TEN2 10 dec 2012

Vi ska titta närmare på några potensfunktioner och skaffa oss en idé om hur deras kurvor ser ut. Vi har tidigare sett grafen till f(x) = 1 x.

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

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

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

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.

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

= = i K = 0, K =

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

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

Modeller för dynamiska förlopp

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

dy dx = ex 2y 2x e y.

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

MA2001 Envariabelanalys

1. (a) Los ekvationen z 2 4iz 7 + 4i = 0: Rotterna ska ges pa formen a + bi. (b) Rita i det komplexa talplanet alla komplexa tal z som uppfyller

Tentamen i Envariabelanalys 2

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.

KOKBOKEN. Håkan Strömberg KTH STH

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

Uppgift 1. (SUBPLOT) (Läs gärna help, subplot innan du börjar med uppgiften.) 1 A) Testa och förklara hur nedanstående kommandon fungerar.

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

SF1626 Flervariabelanalys

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

Transkript:

9.1 Mer om differentialekvationer 9.1.1 Olika typer Ordinär differentialekvationer.ode innehåller derivator med avseende på endast en variabel. Partiella differentialekvationer.pde innehåller (partiella) derivator av fler än en variabel. Dessa ingår inte i kursen. Ordningen. En DE klassificeras också med avseende på ordningen, den högsta ordningen av derivata som förekommer i ekvationen. Linjär Icke linjär ODE. En linjär DE kan skrivs allmänt a n (x)y (n) (x) + a n 1 (x)y (n 1) (x) +... + a (x)y (x) + a 1 (x)y (x) + a 0 (x)y(x) = f(x) Varje term i vänstra ledet är en produkt av en funktion a i (x) (ofta en konstant) och y(x) eller någon av dess derivator. f(x), den icke homogena termen, beror inte på y. I en icke linjär DE kan finnas termer som y (x) y (x) eller y (x). Det vill säga potenser och produkter av y och dess derivator. Dessa ingår inte i kursen. Homogen Inhomogen. En DE sägs vara homogen då f(x) = 0. Det vill säga y eller dess derivator ingår i alla termer. Följaktligen är DE inhomogen då f(x) 0 Exempel 1. Vi klassificerar. 1) (y ) y cosy = x ) y = y 3) y y + 4y = x 1) Ordinär, icke linjär, inhomogen ) Ordinär, linjär av första ordningen, homogen 3) Ordinär, linjär av andra ordningen, inhomogen 9.1. Separabla differentialekvationer Om differentialekvationen kan skrivas g(y) y = f(x) säger vi att den är separabel. Vi samlar alla y på ena sidan och alla x på den andra) Håkan Strömberg 1 KTH Syd

9.1. MER OM DIFFERENTIALEKVATIONER Exempel. y = x e y DE är separabel eftersom den kan skrivas e y y = x En separabel DE kan likväl skrivas g(y) dy dx = f(x) Om G(x) är primitiv funktion till g(x) (G (x) = g(x)) kan vi skriva d (G(y)) = f(x) dx eftersom d (G(y)) = g(y) y dx Integrerar vi nu båda sidorna med avseende på x d dx (G(y))dx = f(x) dx får vi då F(x) är primitiv funktion till f(x) Vi löser så problemet med denna teknik e ydy dx G(y) = F(x) + C = x e y dy = x dx e y dy = x dx e y = x + C lne y = ln x + C ( x ) y = ln + C Maple Så här går det till att lösa DE ovan med hjälp av Maple. with(detools): separablesol(diff(y(x),x)=x*exp(-y(x)),y(x)) Håkan Strömberg KTH Syd

I biblioteket DEtools finns en mängd verktyg för att lösa differentialekvationer. En av dem heter separablesol, som är speciellt bra på den typ av DE vi hantera här. diff(y(x),x) är inget annat än derivatan av y(x). Ska vi ta fram andra derivatan skriver vi diff(y(x),x$). Den andra parametern i separablesol anger aktuell funktion y(x) Resultatet från kommandona ovan blir som väntat { ( )} 1 y(x) = ln x + _C1 Exempel 3. Bestäm den allmänna lösningen till dy dx = y sinx 1 y dy = sinx dx 1 dy = sinxdx y 1 y dy = sinxdx 1 y = cosx + C y = Exempel 4. Bestäm den allmänna lösningen till 1 cosx C y dy dx = 3x y dy = 3x dx y dy = 3x dx y 3 3 = x 3 + C y 3 = 3(x 3 + C) y 3 = 3x 3 + D y = 3 3x 3 + D Exempel 5. Lös dy dx = x y Håkan Strömberg 3 KTH Syd

9.1. MER OM DIFFERENTIALEKVATIONER med bivillkoret y(0) = 3 y dy = x dx y dy = x dx y 3 3 = x + C y = 3 3(x + C) Eftersom y(0) = 3 så 3 3(0 + C) = 3 3 3C = 3 3C = 7 C = 9 Svar: y = 3 3x + 7 Maple När vi har ett eller flera bivillkor givna flyttar vi över den allmänna lösningen till en ekvation vi löser med solve 9.1.3 Tillämpningar på separabla DE Exempel 6. En jordgubbes tillväxttakt är proportionell mot dess diameter. Vi antar att jordgubbens form hela tiden är klotformad). Vid t = 0 är jordgubbens diameter 5mm och vid tiden t = 3 är diametern 8mm. Bestäm diametern som funktion av tiden t. Vi betecknar diametern med s (istället för d, som skulle kunna förvilla). ds = ks dt s(0) = 5 s(3) = 8 Tillväxttakten är helt klart ds dt. Den är proportionell mot s. Alltså ska s multipliceras med Håkan Strömberg 4 KTH Syd

en proportionalitetskonstant, här kallad k. Vi får då ds s ds s = k dt = k dt ln s = kt + C s = e kt+c s = e kt e C s(t) = D e kt s(0) = 5 ger D = 5 och s(3) = 8 ger Svar: ln 8 5 8 = 5e 3k 8 5 = e 3k = 3k k = 1 3 ln 8 5 s(t) = 5e 1 3 ln 8 5 t Exempel 7. Ett ämne används som hostmedicin. Efter att medicinen intagits avtar mängden av ämnet i kroppen med en hastighet proportionell mot mängden. Ämnets halveringstid är 3.8 timmar. Hur stor del av en dos finns kvar i kroppen efter 1 timmar? Låt m= mängden i kroppen. dm dt = km m(0) = m 0 Vi får m(3.8) = m 0 dm m dm m = k dt = k dt ln m = kt + C m = e kt+c m = e kt e C m(t) = De kt Håkan Strömberg 5 KTH Syd

9.1. MER OM DIFFERENTIALEKVATIONER m(0) = m 0 ger D = m 0. m(3.8) = m 0 ger m 0 ln 1 = m 0 e 3.8k = 3.8k 1 3.8 ln1 + 1 3.8 ln = k k = 1 3.8 ln m(t) = m 0 e ln 3.8 t ln 10 m(1) = m 0 e 38 0.11m 0 Exempel 8. Ett lik hittas kl 9 : 00. Kroppstemperaturen är då 3.4 C. En timme senare är kroppstemperaturen 31.7 C. Rumstemperaturen har sedan dödsfallet varit 0.0 C Kroppstemperaturen T lyder under Newtons avsvalningslag: Temperaturändringen är proportionell mot temperaturskillnaden mellan ett objekt och dess omgivning När inträffade dödsfallet? dt dt = k(t 0) T(0) = 3.4 Vi tecknar DE T(1) = 31.7 dt T 0 dt T 0 = k dt = k ln T 0 = kt + C T 0 = e kt+c T 0 = e kt e C T 0 = Be kt T(t) = 0 + Be kt T(0) = 3.4 ger 3.4 = 0 + B och B = 1.4. T(1) = 31.7 ger 31.7 = 0 + 1.4e k 11.7 1.4 = e k k = 11.7 1.4 k 0.058 Håkan Strömberg 6 KTH Syd

T(t) = 0 + 1.4e 0.058t Vi söker nu T(t 1 ) = 37.0 37.0 = 0 + 1.4e 0.058t ln 17 1.4 17 = 1.4e 0.058t = 0.058t t = 1 17 ln 0.058 1.4 t 5.44 Svar: Döden inträffade 5.44 timmar innan liket upptäcktes, alltså kl 03 : 34. Men tänk om personen dog av för hög kroppstemperatur så där en 4 feber. Exempel 9. Den radioaktiva isotopen c 14 finns i små mängder i alla levande organismer och mängden hålls konstant tills organismen dör, varefter den sönderfaller till den stabila isotopen C 1 med en hastighet proportionell mot mängden C 14. C 14 har en halveringstid på 5730 år. 1988 hittades den så kallade Turin-skruden, vilket påstods vara den svepeduk, som Jesus begravdes i. En undersökning visade att Turinskruden innehöll 91% av mängden C 14 i nya textilier av samma material. Hur gammal är Turin-skruden enligt dessa data? Låt mängden C 14 vara C(t). Låt plaggets ålder vara t 1 dc = kc dt C(0) = C 0 C(5730) = C 0 Vi söker nu t 1 så att C(t 1 ) = 0.91C 0 dc C dc C = k dt = k dt ln C = kt + A C = e kt+a C = e kt e A C(t) = Be kt Håkan Strömberg 7 KTH Syd

9.1. MER OM DIFFERENTIALEKVATIONER C(0) = C 0 ger B = C 0 och C(5730) = C 0 ger C 0 = C 0 e 5730k ln 1 = 5730k k = 1 5730 ln1 k = ln 5730 C(t) = C 0 e ln 5730t Vi löser nu ekvationen Svar: Turin-duken är från cirka år 100. 0.91C 0 = C 0 e ln 5730t 1 ln0.91 = ln 5730t 1 t 1 = ln0.91 ln 5730 t 1 = 780 Problem 1. Lös exemplen 3 till 8 med hjälp av Maple. Problem. Lös med penna och papper DE y y = 1 där y > 0. Kontrollera svaret med hjälp av Maple Problem 3. Lös med penna och papper DE y = xy där y 0. Kontrollera svaret med hjälp av Maple Problem 4. Lös med penna och papper DE siny y = x Kontrollera svaret med hjälp av Maple Problem 5. Lös med penna och papper DE e y y = x Kontrollera svaret med hjälp av Maple Håkan Strömberg 8 KTH Syd

Svar 1. Exempel 3 Exempel 4 separablesol((diff(y(x),x))=y(x)^*sin(x),y(x)) Exempel 5 separablesol(y(x)^*(diff(y(x),x))=3*x^,y(x)) separablesol(diff(y(x),x)=*x/y(x)^,y(x)) solve((3*0^+6*_c1)^(1/3)=3) När vi fått den allmänna lösningen använder vi den för att finna den speciella. Exempel 6 separablesol(diff(s(t),t)=k*s(t),s(t)) s(t):=exp(t*k+c1*k) evalf(solve({s(0)=5,s(3)=8},[k,c1])) exp(10.7986*.1566678764) evalf((1/3)*ln(8/5)) De två sista satserna visar att den lösning vi får är identisk med den vi räknat fram Exempel 7 separablesol(diff(m(t),t)=-k*m(t),m(t)) m(t):=exp(-t*k-c1*k) evalf(solve({m(3.8)=1/,m(0)=1},[k,c1])) m(t):=exp(-0.18407158*t) evalf(m(1)) Vi kommer förbi en del problem om vi antar att den intagna dosen är 1 (liter, ton eller någonting annat). Det spelar ju ingen roll. Exempel 8 separablesol(diff(t(t),t)=-k*(t(t)-0),t(t)) T(t):=exp(-t*k-C1*k)+0 evalf( solve({t(0)=3.4,t(1)=31.7},[k,c1])) T(t):=exp(-0.05810763081*t+43.3815566*0.05810763081)+0 solve(t(t)=37.0,t) Håkan Strömberg 9 KTH Syd

9.1. MER OM DIFFERENTIALEKVATIONER Exempel 9 separablesol(diff(c(t),t)=-k*c(t),c(t)) C(t):=exp(-k*t-C1*k); evalf( solve({c(0)=1,c(5730)=1/()},[k,c1])) C(t):=exp(-0.000109680943*t); solve(c(t)=0.91,t) Svar. Svar 3. y = x + C y = Ce x Svar 4. Svar 5. cosy = C x3 3 ( ) x y = ln + C Håkan Strömberg 10 KTH Syd