1 Równania różniczkowe zwyczajne liniowe pierwszego rzędu



Podobne dokumenty
2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

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

6 Układy równań różniczkowych. Równania wyższych rzędów.

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Różniczkowalna zależność rozwiązania od warunków początkowych i parametrów

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Grupy. Permutacje 1. (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi.

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

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

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

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Równania różniczkowe wyższych rzędów

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

Równania różniczkowe wyższych rzędów

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

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Układy równań i równania wyższych rzędów

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

Wykład z równań różnicowych

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Przestrzenie wektorowe

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

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

2. Układy równań liniowych

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Kryptografia - zastosowanie krzywych eliptycznych

Przestrzenie liniowe

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Definicje i przykłady

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Logarytmy. Funkcje logarytmiczna i wykładnicza. Równania i nierówności wykładnicze i logarytmiczne.

Równania różniczkowe zwyczajne. 1 Rozwiązywanie równań różniczkowych pierwszego rzędu

Znaleźć wzór ogólny i zbadać istnienie granicy ciągu określonego rekurencyjnie:

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Układy równań i nierówności liniowych

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

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

Układy równań liniowych

Spis treści. Rozdział I. Wstęp do matematyki Rozdział II. Ciągi i szeregi... 44

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

EGZAMIN Z ANALIZY II R

Podstawowe struktury algebraiczne

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

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

5. Algebra działania, grupy, grupy permutacji, pierścienie, ciała, pierścień wielomianów.

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

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

Równania różniczkowe zwyczajne zadania z odpowiedziami

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 12

3. Wykład Układy równań liniowych.

Sprawy organizacyjne. dr Barbara Przebieracz Bankowa 14, p.568

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE zadania z odpowiedziami

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

Układy równań liniowych

WYDZIAŁ PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI KARTA PRZEDMIOTU

Podstawowe struktury algebraiczne

wszystkich kombinacji liniowych wektorów układu, nazywa się powłoką liniową uk ładu wektorów

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

WYDZIAŁ PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI KARTA PRZEDMIOTU

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

Wykład z równań różnicowych

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Chcąc wyróżnić jedno z działań, piszemy np. (, ) i mówimy, że działanie wprowadza w STRUKTURĘ ALGEBRAICZNĄ lub, że (, ) jest SYSTEMEM ALGEBRAICZNYM.

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

Zapisujemy:. Dla jednoczesnego podania funkcji (sposobu przyporządkowania) oraz zbiorów i piszemy:.

Analiza funkcjonalna 1.

Matematyka dyskretna dla informatyków

Analityczna postać równowagi Nasha w postaci sprzężenia zwrotnego w modelu Lanchestera

Algebra abstrakcyjna

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

Analiza matematyczna i algebra liniowa Wprowadzenie Ciągi liczbowe

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

13. Równania różniczkowe - rozwiązywanie

Obliczenia naukowe Wykład nr 6

Transkrypt:

Równania różniczkowe zwyczajne liniowe I-go rzędu 1 1 1 Równania różniczkowe zwyczajne liniowe pierwszego rzędu Równaniem różniczkowym zwyczajnym liniowym pierwszego rzędu nazywamy równanie postaci (RL1) x +a(t)x=h(t), gdziea:i R,h:I R. Równanie(RL1) nazywamy liniowym jednorodnym, gdy h 0. W przeciwnym przypadku równanie nazywamy liniowym niejednorodnym. 1.1 Zagadnienie początkowe dla równania różniczkowego liniowego pierwszego rzędu Twierdzenie 1.1(Twierdzenie o istnieniu i jednoznaczności rozwiązania zagadnienia początkowego dla równania różniczkowego liniowego pierwszego rzędu).jeżelifunkcjeaihsąciągłe,todlakażdegopunktu(,x 0 ) I R istnieje dokładnie jedno rozwiązanie zagadnienia początkowego (RL1-ZP) określone na całym przedziale I. x +a(t)x=h(t) x( )=x 0, Dowód.Załóżmy,żefunkcjaϕ:I Rjestrozwiązaniemzagadnienia początkowego(rl1-zp). Zatem ϕ (t)+a(t)ϕ(t)=h(t) t I. Mnożymyobiestronypowyższejrównościprzeze A(t),gdzie A(t):= t a(s)ds,icałkujemy,otrzymującrównoważnąpostać (e A(s) ϕ (s)+a(s)e A(s) ϕ(s))ds= e A(s) h(s)ds t I, e A(t) ϕ(t) e A() ϕ( )= e A(s) h(s)ds.

1 2 Skompilował Janusz Mierczyński Ponieważe A() =1,poprostychprzekształceniachotrzymujemy (1.1) ϕ(t)=e A(t) x 0 + t e A(s) A(t) h(s)ds dlawszystkicht I. We wszystkich dokonywanych przekształceniach mamy w istocie równoważności, zatem funkcja określona wzorem(1.1) jest rozwiązaniem zagadnienia początkowego(rl1-zp) na I. Z dowodu twierdzenia wynika, że rozwiązanie zagadnienia początkowego (RL1-ZP) można zapisać w postaci ϕ(t)=x 0 exp ( a(s)ds ) + exp ( s a(τ)dτ ) h(s) ds. 1.2 Struktura rozwiązań równania różniczkowego liniowego pierwszego rzędu Rozważmy równanie różniczkowe liniowe jednorodne pierwszego rzędu (RLJ1) x +a(t)x=0, Rozwiązanie równania(rlj1) równe stale zero nazywamy rozwiązaniem trywialnym. Lemat1.2.Załóżmy,żea:I Rjestfunkcjąciągłą.Wówczasdla każdego rozwiązania ϕ( ) zachodzi następująca alternatywa: albo ϕ 0 na I,alboϕ(t) 0dlakażdegot I. Dowód.Wystarczywykazać,żejeśliistnieje Itakie,żeϕ( )=0,to ϕ 0. Istotnie, funkcja ϕ( ) jest rozwiązaniem zagadnienia początkowego x +a(t)x=0 x( )=0. Rzecz jasna, funkcja stale równa 0 też spełnia powyższe zagadnienie początkowe. Zatem, na podstawie jednoznaczności rozwiązania zagadnienia początkowego(twierdzenie 1.1), funkcje te są identyczne. Twierdzenie 1.3. Zbiór wszystkich rozwiązań równania różniczkowego liniowego jednorodnego pierwszego rzędu(rlj1), gdzie a: I R jest funkcją ciągłą, tworzy przestrzeń liniową(nad ciałem liczb rzeczywistych) wymiaru 1.

Równania różniczkowe zwyczajne liniowe I-go rzędu 1 3 Dowód. Oznaczmy zbiór rozwiązań równania(rlj1) przez S. To, że S jest przestrzeniąliniową,jest(niemal)oczywiste.ustalmy I,ioznaczmy przez R odwzorowanie liniowe przyporządkowujące rozwiązaniu ϕ( ) równania(rlj1)jegowartośćw.ztwierdzenia1.1wynika,żerjest różnowartościowe i na, zatem jest izomorfizmem przestrzeni liniowych S i R. Wniosek(Rozwiązanie ogólne równania różniczkowego liniowego jednorodnego pierwszego rzędu). Zbiór wszystkich rozwiązań równania(rlj1) można zapisać w postaci (1.2) ϕ( ;C)=Cϕ 0 ( ), gdziec Rjestdowolnąstałą,zaśϕ 0 jestustalonymnietrywialnym rozwiązaniem równania(rlj1). Wzór(1.2) nazywamy rozwiązaniem ogólnym równania liniowego jednorodnego pierwszego rzędu(rlj1). Rozważmy równanie różniczkowe liniowe niejednorodne pierwszego rzędu (RLN1) x +a(t)x=h(t). Równanie różniczkowe liniowe jednorodne pierwszego rzędu x +a(t)x=0 nazywamy równaniem stowarzyszonym z(rln1). Poniższy wynik jest oczywisty. Twierdzenie 1.4(Rozwiązanie ogólne równania różniczkowego liniowego niejednorodnego pierwszego rzędu). Niech ψ( ) będzie ustalonym rozwiązaniem równania różniczkowego liniowego niejednorodnego pierwszego rzędu(rln1),gdziea:i Rih:I Rsąfunkcjamiciągłymi,iniech ϕ 0 ( )będzieustalonymnietrywialnymrozwiązaniemrównania stowarzyszonego. Wówczas każde rozwiązanie równania różniczkowego liniowego niejednorodnego(rln1) można jednoznacznie zapisać w postaci (1.3) ϕ( ;C)=Cϕ 0 ( )+ψ( ) gdziec R. Wzór(1.3) nazywamy rozwiązaniem ogólnym równania różniczkowego liniowego niejednorodnego pierwszego rzędu. Stosując terminologię z algebry

1 4 Skompilował Janusz Mierczyński liniowej, można powiedzieć, że zbiór rozwiązań równania liniowego niejednorodnego pierwszego rzędu jest przestrzenią afiniczną(nad ciałem liczb rzeczywistych) wymiaru 1. W praktyce, rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego pierwszego rzędu (RLN1) x +a(t)x=h(t) otrzymujesię,mnożącobiejegostronyprzezfunkcjęe A(t),gdzieA( )jest pewną(ustaloną) funkcją pierwotną funkcji a( ). Otrzymujemy e A(t) x (t)+a(t)e A(t) x(t)=e A(t) h(t), d dt (ea(t) x(t))=e A(t) h(t), co po nałożeniu na obie strony całki nieoznaczonej i oczywistych przekształceniach daje x(t)=e A(t) e A(t) h(t)dt. Funkcjęe A( ) nazywamyczynnikiemcałkującymrównania(rln1). Przykład. Znaleźć rozwiązanie ogólne równania różniczkowego liniowego niejednorodnego x +tx=te t2 /2. Mnożącobiestronyrównaniaprzezczynnikcałkującye t2 /2,otrzymujemy (e t2 /2 x) =te t2, co daje e t2 /2 x= 1 2 et2 +C, x= 1 2 et2 /2 +Ce t2 /2. 1.3 Równania różniczkowe Bernoulliego RównaniemróżniczkowymBernoulliego 1 nazywamyrównaniepostaci (RB) x +a(t)x=h(t)x p, p 0,p 1,h 0. 1 JakobBernoulli(1654 1705),matematykifizykszwajcarski

Równania różniczkowe zwyczajne liniowe I-go rzędu 1 5 Fakt1.5.Przypomocypodstawieniau:=x 1 p równanieróżniczkowe Bernoulliego(RB) sprowadza się do równania różniczkowego liniowego niejednorodnego. Uzasadnienie. Różniczkując u po t, otrzymujemy u =(1 p)x p x. Podstawienie powyższego wyrażenia do(rb) daje równanie liniowe niejednorodne u +(1 p)a(t)u=(1 p)h(t). Zauważmy jednak, że niekiedy przy pomocy powyższego podstawienia nie daje się otrzymać wszystkich rozwiązań danego równania Bernoulliego. Aby się o tym przekonać, rozważmy następujące równanie różniczkowe Bernoulliego: (1.4) x =2 x. Łatwo zauważyć, że funkcja 0 dlat (,0] ϕ 1 (t)= t 2 dlat [0, ) jest rozwiązaniem równania(1.4). Podokonaniupodstawieniau= xotrzymujemyrównanieliniowe niejednorodne (1.5) u =1, któregokażderozwiązaniemapostaćt+c,t (, ).Rozwiązaniuϕ 1 równania(1.4) odpowiada rozwiązanie ψ(t) = t równania(1.5), lecz tylko na przedziale[0, ). Zdrugiejstrony,rozwiązanieϕ 2 0równania(1.4)nieodpowiada żadnemu rozwiązaniu równania(1.5).