Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Podobne dokumenty
Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Układy równań i równania wyższych rzędów

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

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

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

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Metoda rozdzielania zmiennych

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Matematyka A kolokwium: godz. 18:05 20:00, 24 maja 2017 r. rozwiązania. ) zachodzi równość: x (t) ( 1 + x(t) 2)

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

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

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Wykład z równań różnicowych

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

1 Równania różniczkowe zwyczajne

1 Równania różniczkowe drugiego rzędu

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

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

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Licencjackie, WDAM, grupy I i II

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

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

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

Wykład z równań różnicowych

Rozwiązywanie równań nieliniowych

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

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

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Matematyka A kolokwium, 27 maja 2015, godz. 18:15 20:10

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Definicje i przykłady

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE zadania z odpowiedziami

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Wykłady z matematyki Liczby zespolone

Równania różniczkowe zwyczajne Zadania z odpowiedziami

Lista nr 1 - Liczby zespolone

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

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

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Funkcje hiperboliczne

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

Równania różniczkowe zwyczajne zadania z odpowiedziami

Wektory i wartości własne

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

In the paper we describe how to introduce the trigonometric functions using their functional characteristics and the Eisenstein series.

EGZAMIN Z ANALIZY II R

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Inżynierskie, WDAM, grupy I i II

Jolanta Pająk Wymagania edukacyjne matematyka w zakresie rozszerzonym w klasie 2f 2018/2019r.

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 5

Wektory i wartości własne

Transmitancje układów ciągłych

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

Układy równań liniowych

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Wstęp do równań różniczkowych

Matematyka dyskretna

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

V. Jednorodne układy równań różniczkowych liniowych o stałych współczynnikach

KLASA II LO Poziom rozszerzony (wrzesień styczeń)

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA III ZAKRES ROZSZERZONY (90 godz.) , x

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

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

RÓWNANIA NIELINIOWE Maciej Patan

Matematyka dyskretna dla informatyków

3. Wykład Układy równań liniowych.

ROZKŁAD MATERIAŁU DO 1 KLASY LICEUM (ZAKRES PODSTAWOWY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Matematyka A kolokwium 26 kwietnia 2017 r., godz. 18:05 20:00. i = = i. +i sin ) = 1024(cos 5π+i sin 5π) =

Wstęp do równań różniczkowych

Równania różniczkowe zwyczajne

Zaawansowane metody numeryczne

MATEMATYKA KLASA II LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCEGO

Zadania do wykładu Jakościowa Teoria Równań Różniczkowych Zwyczajnych

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

Twierdzenia Rolle'a i Lagrange'a

Całkowanie numeryczne

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

MATURA Przygotowanie do matury z matematyki

Wykorzystanie programów komputerowych do obliczeń matematycznych, cz. 2/2

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 3

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

Transkrypt:

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14 Metoda rozwiązywania (Jednorodne równanie różniczkowe liniowe rzędu n o stałych współczynnikach). gdzie a 0,..., a n 1 C. Wielomian charakterystyczny: x (n) (t) + a n 1 x (n 1) (t) +... + a 1 x (t) + a 0 x(t) = 0, (1) F (λ) = λ n + a n 1 λ n 1 +... + a 1 λ + a 0. Załóżmy, że ten wielomian ma pierwiastki λ 1, λ 2,..., λ m o krotnościach k 1,..., k m odpowiednio. Wówczas funkcje postaci: e λ 1t, te λ 1t,..., t k 1 1 e λ 1t e λ 2t, te λ 2t,..., t k 2 1 e λ 2t. e λmt, te λmt,..., t km 1 e λmt tworzą układ fundamentalny rozwiązań równania (1), tzn. jeśli powyższe funkcje oznaczymy jako x 1,..., x n, wtedy każde rozwiązanie x równania (1) jest postaci gdzie c 1, c 2,..., c n C. x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t) +... + c n x n (t), Zadanie 1. Rozwiązać jednorodne równanie różniczkowe: y (7) (t) 3y (6) (t) + 5y (5) (t) 7y (4) (t) + 7y (3) (t) 5y (t) + 3y (t) y(t) = 0. Rozwiązanie. Wielomian charakterystyczny: F (λ) = λ 7 3λ 6 + 5λ 5 7λ 4 + 7λ 3 5λ 2 + 3λ 1 = 0. Widać, że λ = 1 jest pierwiastkiem tego wielomianu. Dzieląc trzy razy przez λ 1 otrzymujemy Zatem F (λ) = (λ 1) 3 (λ 4 + 2λ 2 + 1). F (λ) = (λ 1) 3 (λ + i) 2 (λ i) 2. 1

Pierwiastki wielomianu λ 1 = 1, k 1 = 3, λ 2 = i, k 1 = 2, λ 1 = i, k 1 = 2, zatem układ fundamentalny rozwiązań ma postać: e t, te t, t 2 e t e it, te it e it, te it Zatem każde rozwiązanie możemy zapisać w postaci: gdzie c 1,..., c 7 C. y(t) = c 1 e t + c 2 te t + c 3 t 2 e t + c 4 e it + c 5 te it + c 6 e it + c 7 te it, Ponieważ dla dowolnego t R mamy więc także e it = cos t + i sin t, e it = cos t i sin t, a zatem układem fundamentalnym jest także e t, te t, t 2 e t cos t, sin t, t cos t, t sin t. Komentarz: Funkcję e t można zapisać w postaci szeregu Taylora: e t = n=0 dla dowolnego t R. Powyższego zapisu możemy użyć jako definicji funkcji e z dla z C, mianowicie e z = n=0 Z kryterium Weierstrassa szereg ten jest zbieżny dla każdego z C, czyli funkcja jest dobrze zdefiniowana. W ten sam sposób rozwijając w szereg Taylora funkcje sinus i cosinus możemy otrzymać ich definicje dla dowolnego z C. Okazuje się, że wtedy dla z C t n n! z n n!. e iz = cos z + i sin z, czyli w szczególności dla z = t R otrzymujemy e it = cos t + i sin t. 2

Metoda rozwiązywania (Niejednorodne równanie różniczkowe liniowe rzędu n o stałych współczynnikach). x (n) (t) + a n 1 x (n 1) (t) +... + a 1 x (t) + a 0 x(t) = f(t), (2) gdzie a 0,..., a n 1 C, f : R C. Niech x 1,..., x n będzie fundamentalnym układem rozwiązań oraz x(t) = c 1 x 1 (t) +...+c n x n (t) rozwiązaniem ogólnym rozwiązania jednorodnego. Dowodzi się, że każde rozwiązanie równania (2) jest postaci x(t) = c 1 (t)x 1 (t) +... + c n (t)x n (t), gdzie funkcje c 1,..., c n można wyznaczyć z układu równań c 1(t)x 1 (t) +... c n(t)x n (t) = 0 c 1(t)x 1(t) +... c n(t)x n(t) = 0. c 1(t)x (n 2) 1 (t) +... c n(t)x (n 2) n (t) = 0 c 1(t)x (n 1) 1 (t) +... c n(t)x (n 1) n (t) = f(t) Zadanie 2. Rozwiązać niejednorodne równanie różniczkowe: y (x) 7y (x) + 19y (x) 13y(x) = 13x 3 57x 2 10x + 70. Rozwiązanie. Równanie jednorodne: Wielomian charakterystyczny: y (x) 7y (x) + 19y (x) 13y(x) = 0. F (λ) = λ 3 7λ 2 + 19λ 13. Widać, że λ = 1 jest pierwiastkiem wielomianu, zatem i dalej F (λ) = (λ 1)(λ 2 6λ + 13). F (λ) = (λ 1)(λ 3 2i)(λ 3 + 2i). Pierwiastki równania: λ 1 = 1, k 1 = 1, λ 2 = 3 +2i, k 2 = 1, λ 3 = 3 2i, k 3 = 1. Układ fundamentalny rozwiązań: e x e (3+2i)x e (3 2i)x. 3

Zatem ogólna postać rozwiązania równania jednorodnego dana jest wzorem: y(x) = c 1 e x + c 2 e (3+2i)x + c 3 e (3 2i)x. Szukamy rozwiązania równania niejednorodnego postaci y(x) = c 1 (x)e x + c 2 (x)e (3+2i)x + c 3 (x)e (3 2i)x, gdzie funkcje c 1, c 2, c 3 są dane układem równań c 1(x)e x + c 2(x)e (3+2i)x + c 3(x)e (3 2i)x = 0 c 1(x)e x + c 2(x)(3 + 2i)e (3+2i)x + c 3(x)(3 2i)e (3 2i)x = 0 c 1(x)e x + c 2(x)(3 + 2i) 2 e (3+2i)x + c 3(x)(3 2i) 2 e (3 2i)x = 13x 3 57x 2 10x + 70. Zadanie 3. Rozwiązać równanie różniczkowe: y (t) 2y (t) + y(t) = et t. Rozwiązanie. Rozwiązujemy równanie jednorodne: Wielomian charakterystyczny: y (t) 2y (t) + y(t) = 0. F (λ) = λ 2 2λ + 1 = (λ 1) 2. Pierwiastki λ = 1, k = 2. Zatem układ fundamentalny ma postać: e t, te t. Wzór ogólny rozwiązania równania jednorodnego: gdzie c 1, c 2 C. y(t) = c 1 e t + c 2 te t, Rozwiązujemy równanie niejednorodne. Rozwiązanie ma postać y(t) = c 1 (t)e t + c 2 (t)te t, gdzie funkcje c 1, c 2 spełniają układ równań: c 1(t)e t + c 2(t)te t = 0 c 1(t)e t + c 2(t)(e t + te t ) = et t. Odejmując pierwsze równanie od drugiego otrzymujemy c 2(t)e t = et t, 4

czyli c 2 (t) = ln t + a 2, gdzie a 2 C. Podstawiając c 2 do pierwszego równania otrzymujemy c 1 (t) = t + a 1, gdzie a 1 C. Zatem rozwiązanie ogólne równania niejednorodnego ma postać y(t) = ( t + a 1 )e t + (ln t + a 2 )te t. Zadanie 4. Rozwiązać metodą eliminacji układ równań: u (t) = 3u(t) v(t) + t v (t) = u(t) v(t) + t 2 gdzie u(0) = 3 i v(0) = 1. 8 8 Rozwiązanie. Z pierwszego równania wyznaczamy v v(t) = u (t) 3u(t) + t. (3) Różniczkując otrzymujemy v (t) = u (t) 3u (t) + 1. Podstawiając do drugiego równania otrzymujemy u (t) 3u (t) + 1 = u(t) + u (t) + 3u(t) t + t 2, co daje równanie liniowe niejednorodne u (t) + 4u (t) + 4u(t) = t 2 + t + 1. Rozwiązujemy równanie jednorodne u (t) + 4u (t) + 4u(t) = 0. Wielomian charakterystyczny F (λ) = λ 2 + 4λ + 4 = (λ + 2) 2. Pierwiastki λ = 2, k = 2. Zatem układ fundamentalny e 2t, te 2t. Ogólna postać rozwiązania równania jednorodnego: u(t) = c 1 e 2t + c 2 te 2t (c 1, c 2 C). 5

Rozwiązujemy równanie niejednorodne. Szukamy rozwiązania postaci: u(t) = c 1 (t)e 2t + c 2 (t)te 2t, gdzie funkcje c 1, c 2 spełniają układ równań { c 1 (t)e 2t + c 2(t)te 2t = 0 c 1(t)( 2)e 2t + c 2(t)(e 2t 2te 2t ) = t 2 + t + 1. Można go zapisać w postaci { c 1 (t) + c 2(t)t = 0 2c 1(t) + c 2(t)(1 2t) = ( t 2 + t + 1)e 2t. Mnożąc pierwsze równanie przez 2 i dodając do drugiego otrzymujemy c 2(t) = ( t 2 + t + 1)e 2t, co daje ( c 2 (t) = 1 ) 2 t2 + t e 2t + a 2 (a 2 C). Podstawiając c 2 do pierwszego równania otrzymujemy c 1(t) = (t 3 t 2 t)e 2t i c 1 (t) = ( 1 2 t3 5 4 t2 + 3 4 t 3 8) e 2t + a 1 (a 1 C). Zatem postać ogólna rozwiązania równania niejednorodnego ( 1 u(t) = 2 t3 5 4 t2 + 3 4 8) t 3 ( + = 1 4 t2 + 3 4 t 3 8 + a 1e 2t + a 2 te 2t. Możemy obliczyć pochodną u 1 ) 2 t2 + t t + a 1 e 2t + a 2 te 2t u (t) = 1 2 t + 3 4 2a 1e 2t + a 2 (e 2t 2te 2t ). Podstawiając do (3) otrzymujemy ( v(t) = 1 ) 2 t+3 4 2a 1e 2t +a 2 (e 2t 2te 2t ) 3 ( 1 4 t2 + 3 ) 4 t 3 8 +a 1e 2t +a 2 te 2t +t = 3 4 t2 3 4 t + 3 8 + (( a 1 a 2 )e 2t a 2 te 2t ). 6

Ostatecznie rozwiązanie ogólne ma postać gdzie a 1, a 2 C. u(t) = 1 4 t2 + 3 4 t 3 8 + a 1e 2t + a 2 te 2t v(t) = 3 4 t2 3 4 t + 3 8 + (( a 1 a 2 )e 2t a 2 te 2t ), Biorąc pod uwagę warunki początkowe otrzymujemy: 3 8 = u(0) = 3 8 + a 1 a 1 = 0 1 8 = v(0) = 3 8 a 2 a 2 = 2 8, czyli funkcje spełniające układ równań i warunki początkowe mają postać u(t) = 1 4 t2 + 3 4 t 3 8 + 2 8 te 2t v(t) = 3 4 t2 3 4 t + 3 8 2 8 e 2t 2 8 te 2t. 7