Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

Podobne dokumenty
Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Układy równań i równania wyższych rzędów

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Wiele obiektywnych prawidłowości przyrodniczych udaje się zapisać w postaci równości formalnej

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 5

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

1 Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. Małgorzata Wyrwas

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Równania różniczkowe wyższych rzędów

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Temat wykładu: Równania różniczkowe. Anna Rajfura, Matematyka na kierunku Biologia w SGGW 1

Równania różniczkowe zwyczajne

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Analiza Matematyczna część 5

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

1. Równanie różniczkowe pierwszego rzędu

Równania różniczkowe

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Równania różniczkowe

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

26. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE DRUGIEGO RZĘDU

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

Równania różniczkowe zwyczajne

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Wykład z równań różnicowych

1 Elementy logiki i teorii mnogości

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

25. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE PIERWSZEGO RZĘDU. y +y tgx=sinx

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

Definicje i przykłady

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 3

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

1. Wielomiany Podstawowe definicje i twierdzenia

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Wstęp do równań różniczkowych

Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu, cd

Rozdział 9. Funkcja pierwotna. 9.1 Funkcja pierwotna

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Wykład 12 i 13 Macierz w postaci kanonicznej Jordana , 0 A 2

Całka nieoznaczona wykład 7 ( ) Motywacja

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

1 + x 1 x 1 + x + 1 x. dla x 0.. Korzystając z otrzymanego wykresu wyznaczyć funkcję g(m) wyrażającą liczbę pierwiastków równania.

Matematyka dyskretna dla informatyków

III. Funkcje rzeczywiste

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

Równania różnicowe. Dodatkowo umawiamy się, że powyższy iloczyn po pustym zbiorze indeksów, czyli na przykład 0

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Matematyka dyskretna

Równania poziom podstawowy (opracowanie: Mirosława Gałdyś na bazie = Rozwiąż układ równań: (( + 1 ( + 2 = = 1

Przestrzenie wektorowe

Lista nr 1 - Liczby zespolone

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Funkcje charakterystyczne zmiennych losowych, linie regresji 1-go i 2-go rodzaju

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Wersja testu A 18 czerwca 2012 r. x 2 +x dx

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

Wielomiany podstawowe wiadomości

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Całki nieoznaczone

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

1 Wiadomości wstępne z równań różniczkowych Podstawowe definicje Interpretacja geometryczna równania rzędu pierwszego...

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Wstęp do analizy matematycznej

Zadania egzaminacyjne

Transkrypt:

Wykład 14 i 15 Równania różniczkowe Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie F (x, y, y, y,..., y (n) ) = 0 (1) gdzie: y = y(x) niewiadoma funkcja zmiennej rzeczywistej x; n N najwyższy rząd pochodnej funkcji y(x); F funkcja określona na pewnym zbiorze D R n+2 o wartościach w R. Definicja 2. Całką szczególną (ozn.cs, in. rozwiązaniem szczególnym) równania różniczkowego (1) na przedziale X nazywamy każdą funkcję spełniającą to równanie w każdym punkcie przedziału X. Definicja 3. Warunkiem początkowym dla równania (1) nazywamy układ równości y(x 0 ) = y 0, y (x 0 ) = y 1,..., y (n 1) (x 0 ) = y n 1 (2) gdzie liczby x 0, y 0, y 1,..., y n 1, zwane wartościami początkowymi, są dane. Definicja 4. Całka ogólna (ozn. CO) równania różniczkowego (1) jest to tak duża rodzina rozwiązań szczególnych tego równania, aby dla każdych wartości początkowych dla których istnieje rozwiązanie istniało rozwiązanie z tej rodziny. Uwaga 1. Rozwiązać równanie różniczkowe oznacza znaleźć jego całkę ogólną. Uwaga 2. Całka ogólna nie musi zawierać wszystkich całek szczególnych tego równania. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Równanie różniczkowe pierwszego rzędu dy dx = f(x) h(y) gdzie f - funkcja określona i ciągła na przedziale (a ; b), zaś h - funkcja określona i ciągła na przedziale (c ; d), h(y) 0 dla y (c ; d), nazywamy równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych. Twierdzenie 1. Wzór h(y)dy = f(x)dx + C, gdzie C R, a całki po obu stronach oznaczają dowolnie ustalone funkcje pierwotne funkcji h i f, określa całką ogólną równania dy dx = f(x) h(y), która przy założeniach jak wyżej zawiera wszystkie rozwiązania tego równania.

Równania różniczkowe liniowe rzędu n 1 Niech n 1 będzie dowolną liczbą naturalną. Równanie różniczkowe y (n) + p n 1 (x)y (n 1) +... + p 1 (x)y + p 0 (x)y = f(x) (3) gdzie p k, k = 0, 1,..., n 1 oraz f są to dane funkcje ciągłe na pewnym przedziale, nazywamy równaniem różniczkowym liniowym rzędu n. Jeżeli wszystkie funkcje p k, k = 0, 1,..., n 1, są stałe na tym przedziale, to jest to równanie o stałych współczynnikach. Jeżeli f(x) 0, to równanie nazywamy jednorodnym(rj), a w przeciwnym przypadku niejednorodnym(rn). Metoda rozwiązania RN wiedzie przez rozwiązanie RJ, które otrzymujemy z RN zastępując w nim funkcję f przez funkcję tożsamościowo równą zeru y (n) + p n 1 (x)y (n 1) +... + p 1 (x)y + p 0 (x)y = 0. (4) Wyznaczenie CO równania liniowego pierwszego rzędu Równanie liniowe jednorodne pierwszego rzędu ma postać y + p(x)y = 0 Funkcja y 0 jest CS tego równania, a dla y 0 równanie jest równaniem o zmiennych rozdzielonych. CO tego równania ma postać y(x) = C exp( p(x)dx), C R gdzie p(x)dx = P (x) oznacza dowolnie ustaloną funkcję pierwotną funkcji p na danym przedziale. Układ podstawowy całek Definicja 5. Układ całek szczególnych y 1 (x), y 2 (x),..., y n (x) równania (4) w przedziale X nazywamy układem podstawowym całek (ozn.upc) tego równania, jeśli wyznacznik (wrońskian) W (x) = y 1 (x) y 2 (x)... y n (x) y 1(x) y 2(x)... y n(x)............ y (n 1) 1 (x) y (n 1) 2 (x)... y (n 1) (x) n 0 Twierdzenie 2. Jeżeli funkcje y 1 (x), y 2 (x),..., y n (x) tworzą UPC równania (4), to n y = C k y k (x) k=1 gdzie C k R, k = 1,..., n, jest CO tego równania.

Wyznaczanie układu podstawowego całek dla równania liniowego o stałych współczynnikach Poszukujemy rozwiązań RJ y (n) + p n 1 y (n 1) +... + p 1 y + p 0 y = 0 (5) p k R, k = 0, 1,..., n 1, w postaci funkcji wykładniczej e rx, gdzie r jest liczbą zespoloną. Wstawiając tę funkcję i jej kolejne pochodne do równania (5) otrzymujemy równanie algebraiczne, zwane równaniem charakterystycznym, r n + p n 1 r n 1 +... + p 1 r + p 0 = 0. (6) n = 1. Równanie liniowe pierwszego rzędu jednorodne o stałych współczynnikach ma postać y + py = 0, p R a odpowiadające mu równanie charakterystyczne jest równaniem pierwszego stopnia r + p = 0. (7) Funkcja y = e px jest CS równania (7), zatem CO tego równania przedstawia wzór y = Ce px, C R Wyznaczanie układu podstawowego całek dla równania liniowego drugiego rzędu Równanie liniowe jednorodne drugiego rzędu o stałych współczynnikach ma postać y + py + qy = 0 (8) a odpowiadające mu równanie charakterystyczne jest równaniem kwadratowym r 2 + pr + q = 0. (9) 1. > 0. Równanie (9) ma dwa różne pierwiastki rzeczywiste r 1 i r 2. Funkcje e r 1x, e r 2x tworzą układ podstawowy całek równania (8), a CO tego równania przedstawia wzór y = C 1 e r 1x + C 2 e r 2x, C 1, C 2 R. 2. = 0. Równanie (9) ma jeden podwójny pierwiastek rzeczywisty r. Funkcje e rx, xe rx tworzą układ podstawowy całek równania (8), a CO tego równania przedstawia wzór y = (C 1 + C 2 x) e rx, C 1, C 2 R. 3. < 0. Równanie (9) ma dwa różne pierwiastki zespolone sprzężone r 1 = α+jβ, r 2 = α jβ. Funkcje y 1 (x) = e αx cos βx, y 2 (x) = e αx sin βx tworzą układ podstawowy całek równania (8), a CO tego równania przedstawia wzór y = e αx (C 1 cos βx + C 2 sin βx), C 1, C 2 R.

Wyznaczanie CO równania niejednorodnego Dla znalezienia CORN stosujemy metodę przewidywań lub metodę uzmienniania stałych (metoda uniwersalna). Wykorzystujemy przy tym twierdzenie: Twierdzenie. CORN=CORJ+CSRN Metoda przewidywań Metodę przewidywań stosujemy, gdy 1. dla wszystkich k =0, 1,..., n 1 funkcje p k (x) p k, p k R, 2. funkcja f jest postaci f(x) = e αx (W 1 (x) cos βx + W 2 (x) sin βx), gdzie W i (x), i = 1, 2 są wielomianami zmiennej x. CSRN przewidujemy w postaci: przy czym x k e αx (V 1 (x) cos βx + V 2 (x) sin βx), i) V i (x), i = 1, 2 są wielomianami zmiennej x i st(v 1 ) = st(v 2 ) = max( st(w 1 ),st(w 2 )), ii) liczba całkowita k 0 jest równa krotności pierwiastka α + jβ w równaniu charakterystycznym (6). Metoda uzmienniania stałej dla n = 1 CO równania y + p(x)y = 0 określona jest wzorem: y = C e P (x), C R P (x) dowolnie ustalona funkcja pierwotna funkcji p(x). Metoda uzmienniania stałej polega na tym, że we wzorze na całkę ogólną równania jednorodnego stałą C zastępujemy taką nieznaną funkcją C(x), aby funkcja C(x) e P (x) była rozwiązaniem równania y + p(x)y = f(x) (10) Zakładając, że taka funkcja C(x) istnieje, otrzymujemy po wstawieniu do równania (10) (f(x) C(x) = ) e P (x) dx + C 1, gdzie C 1 R CORN równania (10) określona jest wzorem: y(x) = C 1 e P (x) + e P (x) (f(x) e P (x) ) dx, C 1 R całka występująca we wzorze rozumiana jest jako dowolna, lecz ustalona funkcja pierwotna.

Metoda uzmienniania stałych dla n = 2 CO równania y + p(x)y + q(x)y = 0 określona jest wzorem: y = C 1 y 1 (x) + C 2 y 2 (x), C 1, C 2 R, {y 1, y 2 } = UP C Metoda uzmienniania stałych polega na zastąpieniu stałych C 1, C 2 we wzorze na CORJ funkcjami C 1 (x), C 2 (x) takimi, żeby funkcja C 1 (x)y 1 (x) + C 2 (x)y 2 (x) była rozwiązaniem równania y + p(x)y + q(x)y = f(x) (11) Pochodne C 1(x), C 2(x) wyznaczamy z układu równań { C 1 (x)y 1 (x) + C 2(x)y 2 (x) = 0 C 1(x)y 1(x) + C 2(x)y 2(x) = f(x) C 1 (x) = C 1 (x) = 0 y 2 (x) f(x) y 2(x) W (x) y 1 (x) 0 y 1(x) f(x) W (x) dx + C 1, C 1 R, dx + C 2, C 2 R. W (x) oznacza wrońskian; całki dowolnie ustalone funkcje pierwotne CORN równania (11) określona jest wzorem y = C 1 (x)y 1 (x) + C 2 (x)y 2 (x).