Differenciálegyenletek december 13.

Hasonló dokumentumok
Differenciálegyenletek

5. fejezet. Differenciálegyenletek

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Matematika III. harmadik előadás

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

3. Lineáris differenciálegyenletek

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciálegyenletek

y + a y + b y = r(x),

2.1. Másodrendű homogén lineáris differenciálegyenletek. A megfelelő másodrendű homogén lineáris differenciálegyenlet általános alakja

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

2.1. Másodrendű homogén lineáris differenciálegyenletek. A megfelelő másodrendű homogén lineáris differenciálegyenlet általános alakja

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

differenciálegyenletek

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

Segédanyag az A3 tárgy gyakorlatához

Differenciálegyenletek Oktatási segédanyag

Definíció Függvényegyenletnek nevezzük az olyan egyenletet, amelyben a kiszámítandó ismeretlen egy függvény.

(1 + (y ) 2 = f(x). Határozzuk meg a rúd alakját, ha a nyomaték eloszlás. (y ) 2 + 2yy = 0,

Differenciálegyenletek

6. Differenciálegyenletek

Polinomok maradékos osztása

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

(!), {z C z z 0 < R} K (K: konv. tart.) lim cn+1

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Reakciókinetika és katalízis

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Az elméleti mechanika alapjai

3. előadás Stabilitás

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Megoldások MATEMATIKA II. VIZSGA (VK) NBT. NG. NMH. SZAKOS HALLGATÓK RÉSZÉRE (Kérjük, hogy a megfelelő szakot jelölje be!

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Differenciál egyenletek (rövid áttekintés)

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

Határozatlan integrál

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

1. Bevezetés Differenciálegyenletek és azok megoldásai

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Matematika A3 1. ZH+megoldás

(x + 1) sh x) (x 2 4) = cos(x 2 ) 2x, e cos x = e

Differenciaegyenletek a differenciálegyenletek

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Közönséges differenciálegyenletek megoldása Mapleben

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

1. feladatsor, megoldások. y y = 0. y h = C e x

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

HÁZI FELADATOK. 2. félév. 1. konferencia Komplex számok

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Differenciaegyenletek

Matematika A1a Analízis

A brachistochron probléma megoldása

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Bevezetés az algebrába 2

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

3. Elsőrendű differenciálegyenletek

2.7. Fourier-sor Gyakorló feladatok... 84

Feladatok megoldásokkal az első gyakorlathoz (differencia- és differenciálhányados fogalma, geometriai és fizikai jelentése) (x 1)(x + 1) x 1

Differenciálegyenlet rendszerek

Matematika (mesterképzés)

Analízis 1. tárgyban tanult ismeretekre épül, tehát ismertnek tekintjük

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

Közönséges differenciálegyenletek

Differenciálegyenletek megoldása Laplace-transzformációval. Vajda István március 21.

Dierenciálegyenletek felállítása és megoldása zikai példákon keresztül

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

Debreceni Egyetem. Kalkulus II. példatár. Gselmann Eszter

Parciális dierenciálegyenletek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Irányításelmélet és technika I.

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Közönséges differenciálegyenletek

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

Fizika 1 Mechanika órai feladatok megoldása 7. hét

Matematika mérnököknek 2. Ismétlés Numerikus dierenciálás Diegyenletek Fourier Matlab Projekt Desc Linkek

MATLAB. 8. gyakorlat. Differenciálegyenletek

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Átírás:

Differenciálegyenletek 2018. december 13.

Elsőrendű DE Definíció. Az elsőrendű differenciálegyenlet általános alakja y = f (x, y), ahol f (x, y) adott kétváltozós függvény. Minden y = y(x) függvény, amire ez teljesül: a DE megoldása. y : I IR, ahol I IR intervallum, y (x) = f (x, y(x)) xɛi.

DE és kezdeti érték együtt: Cauchy feladat ahol x 0 és y 0 adott számok. y = f (x, y) y(x 0 ) = y 0, Nincs általános megoldás, amely tetszőleges f (x, y) esetén alkalmazható.

Két megoldható alaptípus: Szeparábilis = szétválasztható változójú. f (x, y) = α(x) β(y) Szeparábilis DE: y = α(x) β(y). Lineáris. f (x, y) = ay + b, a = a(x), b = b(x) Lineáris DE: y = ay + b.

Lineáris differenciálegyenlet Elsőrendű DE: y = f (x, y). Lineáris Differenciál Egyenlet általános alakja: y = ay + b a = a(x), b = b(x) ahol a(x), b(x) adott függvények.

y = ay + b Ha a, bɛir, akkor már meg tudjuk oldani: y = ay + b y = a A változókat szétválasztottuk. (dy/dx) y + (b/a) = a ( y + b ) a Kiintegrálva ln y + (b/a) = ax + C. A megoldás y = (b/a) + ce ax.

Példa. y = 2y + 3. y = 2(y 3 2 ) (dy/dx) y (3/2) = 2 Kiintegrálva 1 dy = ln y (3/2), y (3/2) ( 2)dx = 2x. Az általános megoldás y = 3 2 + ce 2x.

LDE Lineáris Differenciál Egyenlet LDE általános eset: y = ay + b ahol a = a(x), b = b(x) ahol a(x), b(x) adott függvények. a = a(x) és b = b(x) esetén MÁSKÉPP. Ha b(x) 0, akkor a DE homogén Ha b(x) 0, akkor a DE inhomogén.

Homogén LDE y = ay, a = a(x). Állítás. A homogén LDE általános megoldása: y(x) = ce A(x), cɛir ahol A(x) = a(x)dx, az a függvény egyik primitív függvénye.

A Cauchy feladat: Homogén LDE és kezdeti feltétel y = a(x)y y(x 0 ) = y 0 Konkrét primitív függvényt használunk: A(x) = x x 0 a(t)dt. Ekkor a kezdeti érték feladat megoldása x x a(t)dt y(x) = y 0 e 0.

Állandó együtthatós homogén LDE Speciális eset: y = ay, y(x 0 ) = y 0 ahol a(x) a konstans, és x 0, y 0 adott számok. A Cauchy feladat megoldása y(x) = y 0 e a(x x 0).

Inhomogén LDE. y = ay + b Tétel. A LDE megoldásainak struktúrája: 1. Ha y 1 a homogén LDE mo-a és y 2 az inhomogén LDE mo-a y 1 + y 2 az inhomogén LDE mo-a. 2. Ha y 1 és y 2 az inhomogén LDE mo-a y 1 y 2 a homogén LDE mo-a

Következmény Ha a homogén egyenlet általános megoldása y h,a. Az inhomogén egyenlet partikuláris megoldása y i,p. Ekkor az inhomogén egyenlet általános megoldása y i,a = y h,a + y i,p Feladat: Az inhomogén egyenlet EGYETLEN (tetszőleges) megoldása?

Inhomogén LDE. y = ay + b A homogén egyenlet megoldása y = ce A(x), ahol cɛir, A = a. Az inhomogén egyenlet megoldását így keressük: y = u(x)e A(x), u = u(x) =? (c u(x)), konstans helyett függvény. Ekkor a DE baloldala y = u e A + ua e A = u e A + u a e A. Másrészt, a DE jobboldala ay + b = a u e A + b. Összehasonlítva a két egyenletet: u e A + u a e A = a u e A + b

u e A + u a e A = a u e A + b Ebből egyszerűsítve u e A = b u = be A u(x) = b(x)e A(x) dx Az inhomogén DE partikuláris mo-a: y(x) = e A(x) b(x)e A(x) dx Az inhomogén DE általános megoldása: ) y(x) = e (c A(x) + b(x)e A(x) dx }{{}}{{} az első tag a homogén egyenlet általános megoldása, a második az inhomogén egyenlet egy konkrét megoldása.

Egy példa y = xy x. a(x) = x, b(x) = x A megoldás több lépcsőben történik. 1. lépés A homogén egyenlet megoldása. A(x) = az általános megoldás a(x)dx = y h (x) = ce x2 2, cɛir ( x)dx = x2 2,

y = xy x 2. lépés Az inhomogén egyenlet megoldása. y ih = ue x2 2, u =? Összehasonlítva: y ih = u e x2 2 + ue x2 2 ( x) = xy x = x ue x2 2 x u e x2 2 + ue x2 2 ( x) = x ue x2 2 x u(x) = e x2 2. Az inhomogén egyenlet egyik megoldása. ( ) y ih = e x2 2 e x2 2 = 1

3. lépés Az általános megoldás. Eddigi eredmények: y h (x) = ce x2 2, cɛir y ih (x) = 1 Az inhomogén egyenlet általános megoldása y(x) = ce x2 2 1 cɛir

Ellenőrzés. y(x) = ce x2 2 1 cɛir A DE baloldala: A DE jobboldala: x y(x) x = x Ezek valóban megegyeznek. y (x) = ce x2 2 ( x) ( ) ce x2 2 1 x = x ce x2 2

Példa: y = 2 x y + 4x y(1) = 2 Itt a(x) = 2 x, b(x) = 4x 1. lépés A homogén egyenlet megoldása. x x ( A(x) = a(t)dt = 2 ) dt = 2 ln(x) = ln(x 2 ), t az általános megoldás 1 1 y h (x) = ce ln(x 2) = c x 2, cɛir

y h (x) = c x 2, cɛir 2. lépés Az inhomogén egyenlet megoldása. y ih = u 1 x 2, u =? Az általános képlet szerint u(x) = b(x)e A(x) dx Most tehát egy konkrét megoldásra u(x) = 4x e 2 ln(x) dx = Az inhomogén egyenlet egyik megoldása. 4x 3 = x 4 y ih = x 4 1 x 2 = x2.

3. lépés Az általános megoldás. Eddigi eredmények: y h (x) = c x 2, cɛir y ih (x) = x 2 Az inhomogén egyenlet általános megoldása y alt (x) = c x 2 + x2.

Az általános megoldás: y alt (x) = c x 2 + x2. 4. lépés A kezdeti érték feladat megoldása y(1) = c + 1 = 2 c = 1 A feladat megoldása y(x) = 1 x 2 + x2

Rezgőmozgás fizikai leírása m tömegű részecske (rugó) az x tengely mentén mozog. A t időpillanatban a kitérés: x(t). A mozgást x = x 0 -ból indul t = 0 időpontban. A pillanatnyi sebesség: ẋ(t), a pillanatnyi gyorsulás: ẍ(t). A ható erők az alábbiak: 1. rugóerő: kx (a kitéréssel arányos, azzal ellentétes irányú), 2. közegellenállási erő: rẋ (a pillanatnyi sebességgel arányos, azzal ellentétes irányú), 3. külső gerjesztés: f (t) (pl. meglökjük időközönként)

A Newton-törvény szerint: az eredő erők összege mẍ = kx rẋ + f. Az x(t) mozgást leíró differenciálegyenlet tehát mẍ + rẋ + kx = f. Ebben az esetben a független változó t, a függő változó pedig x. Ha f 0 (szabad mozgás), akkor homogén DE-ről beszélünk, Ha f 0 (kényszermozgás), akkor inhomogén DE-t kapunk. A homogén DE megoldását fogjuk meghatározni.

mẍ + rẋ + kx = 0 x(t) =? Első lépésben keressük a megoldást x(t) = e λt alakban. Ekkor x(t) = e λt ẋ(t) = λe λt A fenti öszefüggéseket öszeadva: / k / r ẍ(t) = λ 2 e λt / m. mẍ + rẋ + kx = ke λt + rλe λt + mλ 2 e λt = Ez csak akkor teljesülhet, ha = e λt (mλ 2 + rλ + k) = 0 t. mλ 2 + rλ + k = 0. Ennek a másodfokú egyenletnek a megoldása λ 1,2 = r ± r 2 4mk. 2m

1. eset. r 2 4mk > 0 Ekkor λ 1, λ 2 ɛir gyökök, λ 1 λ 2. Ekkor λ 1, λ 2 < 0. A DE-nek két megoldása is van, x 1 (t) = e λ 1t, x 2 (t) = e λ 2t, és ezek tetszőleges lineáris kombinációja x(t) = c 1 x 1 (t) + c 2 x 2 (t) is kielégíti az egyenletet. Mivel λ 1, λ 2 < 0, a megoldás exponenciális sebességgel tart 0-hoz.

2. eset. r 2 4mk = 0 Akkor a másodfokú egyenletnek kétszeres gyöke van, λ 0 = r 2m. Ekkor láttuk, hogy megoldás: x 1 (t) = e λ 0t. Belátjuk, hogy w(t) = te λ 0t is megoldás. ẇ(t) = e λ 0t + λ 0 te λ 0t ẅ(t) = λ 0 e λ 0t + λ 0 e λ 0t + λ 2 0te λ 0t, így behelyettesítve azt kapjuk, hogy mẅ + rẇ + kw = e λ 0 {t(mλ 2 0 + rλ 0 + k) + 2mλ 0 + r} 0. Az általános megoldás ebben az esetben x(t) = c 1 e λ 0t + c 2 te λ 0t, c 1, c 2 ɛir, és mivel λ 0 < 0, ezért ez is exponenciálisan lecseng.

3. eset. r 2 4mk < 0 Akkor nincs valós gyöke a másodfokú egyenletnek. Formálisan azt írhatjuk, hogy λ 1,2 = µ ± ν 2, ahol: Két megoldás adódik: ν 2 = r2 4mk 4m 2. v 1 (t) = e µt cos(νt) v 2 (t) = e µt sin(νt) Ezek valóban megoldások. Behelyettesítéssel ellenőrizhető.

Fizikai interpretáció. [1-2.] eset. Ha r 2 4mk 0, ekkor r 4mk. Ez azt jelenti, hogy olyan nagy a közegellenállás, hogy a rugó kitérés exponenciálisan csökken. Nagy a közegellenállás: a rugó kitérése exponenciálisan lecseng.

[3.] eset. r < 4mk Akkor kicsi a közegellenállás, és a rugó oszcilláló mozgást fog végezni. Kicsi a közegellenállás: a rugó csillapított rezgőmozgást végez.