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

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

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

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

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

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

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

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

Del I. Modul 1. Betrakta differentialekvationen

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

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

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

dy dx = ex 2y 2x e y.

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

(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.

Dagens teman. Linjära ODE-system av ordning 1:

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

= = i K = 0, K =

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Pepe Winkler tel

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

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

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

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

Lösningsförslag, preliminär version 0.1, 23 januari 2018

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

, 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.

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

Lösningsforslag till tentamen i SF1624 den 22/ e x e y e z = 5e x 10e z = 5(1, 0, 2). 1 1 a a + 2 2a 4

STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

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

v0.2, Högskolan i Skövde Tentamen i matematik

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

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

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

Sammanfattning av ordinära differentialekvationer

Lösningar till tentamen i Transformmetoder okt 2007

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

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

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

ÚÚ dxdy = ( 4 - x 2 - y 2 È Î

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

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

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

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

} + 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),

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

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

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

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

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

Lineära system av differentialekvationer

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.

SF1635, Signaler och system I

ÖVN 2 - DIFFERENTIALEKVATIONER OCH TRANSFORMMETODER - SF1683. Inofficiella mål

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

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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.

Analys av jämviktslägen till differentialekvationer

SF1649, Vektoranalys och komplexa funktioner Tentamen, måndagen den 19 december Lösningsförslag. F n ds,

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

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

x (t) = 2 1 u = Beräkna riktnings derivatan av f i punkten a i riktningen u, dvs.

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

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

TMV036 Analys och linjär algebra K Kf Bt, del C

AB2.8: Laplacetransformation av derivator och integraler. Differentialekvationer

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Lördagen den 5 juni, 2010 DEL A

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,

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

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

Lösningar till tentamen i Matematik II, 5B1116, 5B1136 för Bio. E,I,K,ME, Media och OPEN, tisdagen den 13 april 2004.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

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

Linjära differentialekvationer av andra ordningen

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

= ( 1) xy 1. x 2y. y e

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Torsdag, 17 mars 2016

ODE av andra ordningen, och system av ODE

A dt = 5 2 da dt + A 100 =

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

6. Temperaturen u(x) i positionen x av en stav uppfyller värmeledningsekvationen. u (x) + u(x) = f(x), 0 x 2, u(0) = 0 u(2) = 1,

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

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.

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

Preliminärt lösningsförslag till del I, v1.0

Lösningsförslag till tentamen i SF1683, Differentialekvationer och Transformmetoder (del 2) 4 april < f,g >=

SF1635, Signaler och system I

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

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

Transkript:

Institutionen för matematik, KTH Serguei Shimorin SF6, Differentialekvationer I Tentamen, torsdagen den 7 januari 26 Lösningsförslag Del I Moduluppgift En liter av lösningen som innehåller 2 gram av kemiska ämnet A blandas med en liter av annan lösning som innehåller 5 gram av ämnet B Ämnena A och B reagerar och bildar ett nytt ämne C enligt formeln A + B C Reaktionen sker så att 2 massenheter av A och massenhet av B bildar massenheter av C Antar att massverkans lag gäller vilket innebär att reaktionshastigheten är proportionell mot produkten av koncentrationerna för de ämnena som reagerar (a Bestäm differentialekvation för massa C(t av ämnet C (b Rita fasporträtt av ekvationen erhållen i (a Bestäm ekvationens kritiska punkter och undersök dem m av på stabilitet (c Skissa lösningskurva som visar funktionen C(t Ange begynnelsevärdena och asymptoten av kurvan Lösning (a För att bilda c gramm av ämnet C används 2 c gram av ämnet A och c gram av ämnet B Om C(t är massa av ämnet C i tidsmoment t, då massan av ämnet A i samma tidsmoment blir 2 2 C(t och massan av ämnet B blir 5 C(t Eftersom volym av blandning av lösningarna är konstant (2 liter, detta ger oss ekvation dc(t = γ (2 2 (5 dt C(t C(t, där γ är någon positiv konstant (b Högerled av erhållen ekvation är positivt då C(t < eller C(t > 5 och det är negativt då < C(t < 5 Detta innebär att fasporträtt är en rät linje (C-axeln och pilarna är riktade till höger på intervaller C < och C > 5 och de är riktade till vänster på intervallet < C < 5 Kritiska punkter är C = samt C = 5 Enligt undersökningen ovan är punkten C = stabil och punkten C = 5 är instabil (c Enligt uppgiften, begynnelsevärdet är C( = Från fasporträtt avgör vi att lösningen C(t är växande och den konvergerar mot värdet C = då t Lösningskurvan blir då en växande kurva som börjar i origo och som har horizontal asymptot C = Moduluppgift 2 Undersök system av differentialekvationer { x = 2x + y ; y = x y (a Bestäm allmänna lösningen till systemet (b Origo är en kritisk punkt för systemet Vilken typ av fasporträtt har systemet nära origo? Är origo stabil eller instabil? (Du behöver inte rita någon bild

(c För lösningen med begynnelsevillkor x( = 2, y( = 8, bestäm beteendet då t Lösning (a Vi börjar med att bestämma egenvärdena och egenvektorer av matrisen A Karakteristiska ekvationen är = det(a λi = 2 λ λ = λ2 λ 6 Den har rötter λ = och λ 2 = 2 Det är egenvärdena av matrisen ( a Den första egenvektor v = (den som hör till λ b = uppfyller ekvation (A Iv = vilket ger oss ekvation ( a + b = (den andra ekvation för a, b är ekvivalent till den Vi får v = och detta ger oss den första lösningen till ursprungliga systemet ( X (t = e t v = e t ( c Den andra egenvektor v 2 = (den som hör till λ d 2 = 2 uppfyller ekvation (A + 2Iv 2 = vilket ger oss ( ekvation c + d = (den andra ekvation för c, d är samma Vi får v 2 = och detta ger oss den andra lösningen till ursprungliga systemet ( X 2 (t = e 2t v 2 = e 2t Allmänna lösningen är godtycklig linjär kombination av X och X 2 : ( ( X(t = C e t + C 2 e 2t (b Egenvärdena erhålna i (a är reella och de har olika tecknar Detta ger oss att origo är en sadelpunkt Den är instabil (c Vi skall bestämma sådana C och C 2 att ( ( C + C 2 = ( 2 8 Vi ser direkt att C = samt C 2 = 2 Lösningen blir ( X(t = 2e 2t Eftersom e 2t då t, avgör vi att X(t då t

Moduluppgift Undersök integralekvation y(t = t y(se 2(s t ds + U(t 5e t m h av Laplacetransform Här U(t är Heavisides stegsfunktion (a Visa att integralen i högerledet är en faltning av två funktioner Vad är funktionerna som faltas? (b Bestäm Laplacetransform Y (s av lösningen y(t (c Bestäm lösningen y(t Lösning (a Faltning av två funktioner, f(t och g(t är funktionen I vårt fall t f g(t = y(se 2(s t ds = t t f(sg(t sds y(se 2(t s ds = y(t e 2t (b Beteckna Y (s = L{y}(s och Laplace-transformera ekvationen: ( Y (s = Y (s s + 2 + e5 e 5s s Y (s = e5 e 5s s + 2 s Y (s = e 5 e 5s s + 2 (s + (s (c y(t = L {Y } För att beräkna invers Laplacetransform använder vi först partiellbråkuppdelning: Detta ger oss Invers Laplacetransform ger oss s + 2 (s + (s = / s + + 5/ s Y (s = e 5s e5 s + + 5 e5 e 5s s y(t = e5 e (t 5 U(t 5 + 5 e5 e (t 5 U(t 5 Bestäm en styckvis deriverbar kontinuerlig lösning till begynnelsevärdesproblem { dy 2x, x < ; + xy = f(x, y( =, där f(x = dx, x Lösning Vi löser först ekvationen y +xy = 2x med begynnelsevillkor y( = Det är en linjär ekvation Den har integrerande faktorn µ(x = e x dx = e x2 /2

Efter multiplikation med integrarende faktorn blir ekvationen d ( y(xe x2 /2 = 2xe x2 /2 dx Integreringen ger oss y(xe x2 /2 = 2e x2 /2 + C Insättningen av begynnelsevillkor ger oss C = varav y(x = 2 e x2 /2 Det är lösningen på intervallet [, ] Vi observerar att y( = 2 e /2 Nu söker vi lösningen på intervallet [, Den uppfyller ekvation y +xy = och begynnelsevillkor y( = 2 e /2 Ekvationen har lösningen y(x = De x2 /2 Konstanten D erhålls från begynnelsevillkor: D = 2e /2 Alltså lösningen på intervallet [, är y(x = (2e /2 e x2 /2 (2p 5 (a Klassificiera med avseende på stabilitet de kritiska punkterna till ett plant autonomt system svarande mot den icke-linjära differentialekvationen x (t µx (t + x (t µx(t =, (2p för alla positiva värdena av parametern µ Du behöver inte ange typ av fasporträtt eller rita någon bild (b Samma fråga som (a men nu är µ = En skiss får användas i motiveringen Lösning (a Vi skriver om ekvationen som x = µx (t x (t + µx(t och vi övergår till ekvivalenta systemet { x = y; Det är ett autonomt system y = µy x + µx Vi söker nu kritiska punkter till det Dem är lösningar av ekvationer y =, µy x + µx = Insättningen av y = till den andra ekvationen ger oss x + µx = varav x = eller x = ± µ Alltså får vi tre kritiska punkter: (, ; ( µ, ; ( µ, Nu undersöker vi Jakobimatris J av högerled av ekvationer Vi får ( J = x 2 + µ µ I kritiska punkten (, får vi J = ( µ µ Karakteristiska polynom är λ 2 µλ µ och egenvärdena är λ,2 = ( µ ± µ 2 2 + µ

Ett av egenvärdena är positivt vilket visar att origo är en instabil kritisk punkt I både övriga kritiska punkter (± µ, får vi J = ( 2µ µ Karakteristiska polynomet är λ 2 µλ + 2µ och egenvärdena är λ,2 = 2 ( µ ± µ 2 8µ Om < µ < 8, får vi två komplexa egenvärden Både har reeldel µ/2 som är positiv Detta innebär att kritiska punkter är instabila Om µ = 8, får vi dubbelt egenvärde λ = Positivt egenvärdet visar att kritiska punkter är instabila även i detta fall Till slut, om µ > 8, får vi två olika positiva egenvärdena och kritiska punkter igen blir instabila Svar av (a: kritiska punkter är (, ; ( µ, ; ( µ, och alla tre är instabila (b Vi börjar på samma sätt som i fråga (a Vi kommer till autonoma systemet { x = y; y = x Det enda kritiska punkten är origo och Jakobimatris i origo är ( J = Den har dubbelt egenvärde λ = och i detta fall lineariseringen ger oss inget svar om stabilitet Vi använder nu fasplan metoden Vi delar den andra ekvationen med den första och vi får dy dx = y = x x y Det är en separabel ekvation som ger oss ekvationer av banor till systemet Vi skriver om sista ekvationen som y dy = x dx och integreringen ger oss y 2 /2 = x / + C eller 2y 2 + x = C För varje C >, det är en ekvation av en sluten kurva i x, y-planet Detta innebär att fasporträtt av ursprungliga systemet består av slutna kurvor kring origo Detta visar att origo är en stabil kritisk punkt (p 6 Funktioner y (x = 2+x 2 +x, y 2 (x = +x, y (x = +x+x löser inhomogena differentialekvationen y (x + p(xy (x + q(xy(x = g(x (a Bestäm den allmänna lösningen till homogena ekvationen y (x + p(xy (x + q(xy(x = (p (b Använd variation av parametrar metoden och lös annan inhomogen ekvation y (x + p(xy (x + q(xy(x = x 2, där p(x och q(x är samma som tidigare

Lösning (a Vi observerar att skilnader y y 2 och y y 2 löser den homogena ekvationen Vi har y y 2 = + x 2 och y y 2 = x För att visa att funktionerna x och + x 2 utgör ett fundamentalt system av lösningar räcker det att visa att de funktioner är linjärt oberoende Men ekvationen C x + C 2 ( + x 2 = kan uppfyllas endast om C = och C 2 = vilket visar att funktionerna är linjärt oberoende Alltså, den allmänna homogena lösningen har form där C, C 2 är godtyckliga konstanter y h (x = C x + C 2 ( + x 2, (b Vi söker lösningen i form y = xu (x + ( + x 2 u 2 (x, där u och u 2 är två obekanta funktioner Vi har y = xu + ( + x 2 u 2 + u + 2xu 2 Enligt variation av parametrar metoden sätter vi första krav att xu +(+x 2 u 2 = Vi får då y = u + 2xu 2 och detta ger oss Insättningen till ekvationen ger oss y = u + 2xu 2 + 2u 2 (u + 2xu 2 + u (p + qx + u 2 (2 + 2xp + ( + x 2 q = x 2 Eftersom funktionerna x och + x 2 är homogena lösningar, får vi p + qx = och 2 + 2xp + ( + x 2 q = och sista ekvationen blir u +2xu 2 = x 2 Vi får alltså system av två ekvationer för u och u 2: { xu + ( + x 2 u 2 = ; u + 2xu 2 = x 2 Det har lösningar u = + x 2 och u 2 = x Vi får u = x + x / + C samt u 2 = x 2 /2 + C 2 Detta ger oss svar y(x = x(x + x / + C + ( + x 2 ( x 2 /2 + C 2 7 Undersök systemet X = AX, där A = ( 2 (2p (p (p (a Bestäm två linjärt oberoende lösningar av systemet; (b Ange en fundamentalmatris av systemet; (c Lös systemet tillsammans med begynnelsevillkor ( 2 X( =

(a Matrisen A har ett dubbelt ( egenvärde ( λ = λ 2 = Vi får ( en egenvektor V ur relationen (A IV = V =, vi tar V = Motsvarande ( lösningen till systemet är X = e t Den andra lösningen har formen ( X 2 = (V t + ( P e t där P är en( lösning till (A IP = V Vi får system: P =, och tar P = Den ( t + andra lösningen är alltså X 2 = (V t + P e 2t = e t t ( e t (t + e (b En fundamentalmatris är Φ(t = t e t (c Den allmänna lösningen är X(t = Φ(tC = C X + C 2 X 2 (där C = ( C C 2 är ( 2 en vektor av konstanter Vi söker en C sådan att X( = Φ(C = Med Φ som ovan har vi: Φ(C = ( ( C C 2 te t = ( 2 ( (2 te t vilket ger C =, C 2 = Den sökta lösningen är X(t = ( te t, 8 Lös Laplaces ekvation 2 u x 2 randvillkor + 2 u y 2 = i rektangeln < x < π, < y < med u x (, y = ; u (π, y = ; u(x, = ; u(x, = cos(2x x Lösning Vi söker först produktlösningar i form u(x, y = F (xg(y Homogena radvillkor u u (, y = och (π, y = ger oss villkor F ( = och F (π = Villkor x x u(x, = ger oss G( = Insättningen av u(x, y = F (xg(y till Laplaces ekvation ger oss F (xg(y + F (xg (y = och division med F (xg(y ger ekvationen F (x F (x = G (y G(y Eftersom vänsterledet beror endast på variabeln x och högerledet beror endast på variabeln y ekvationen uppfylls endast när både leden är samma konstant Vi får således två ekvationer F (x F (x = λ; G (y G(y = λ Nu undersöker vi tre olika möjligheter för konstanten λ

Fall : λ = α 2 > Ekvationen F (x = α 2 F (x har allmän lösning F (x = Ce αx +De αx Undersökning av randvillkor F ( = F (π = ger oss C = D = vilket innebär att detta fall ger oss endast triviala losningen u(x, y = Fall 2: λ = Ekvationen F (x = ger oss F (x = Dx + C och randvillkor F ( = F (π = ger D = d v s F (x = C Den andra ekvationen G (y = ger oss G(y = A + By och ransvillkor G( = ger A = d v s G(y = By Alltså, i fallet λ = produktlösningen är u(x, y = A y (där A = CB är en konstant Fall λ = α 2 < Ekvationen F (x = α 2 F (x har lösningen F (x = C cos(αx + C 2 sin(αx Randvillkor F ( = F (π = ger C 2 = och α = n =, 2, där n är positiva heltal Alltså F (x = C n cos(nx Den andra ekvationen G (y = α 2 G(y ger oss G(y = B e αy + B 2 e αy och villkor G( = ger B 2 = B Alltså för α = n får vi G(y = B n (e ny e ny och produktlösningen är (här A n = B n C n u(x, y = A n cos(nx ( e ny e ny Nu använder vi oss av superpositionsprincipeln Summa av produktlösningar har utseendet u(x, y = A y + A n cos(nx ( e ny e ny n= Vi skall nu välja koefficienter A n så att det sista villkor u(x, = cos(2x uppfylls Insättning av y = till formeln för u(x, y ger oss A + A n cos(nx ( e n e n = cos(2x n= Den likheten är möjlig om A = /; A 2 = e 2 e 2 och A n = då n, n 2 Hela lösningen blir då u(x, y = y cos(2x (e2y e 2y e 8 e 8