DIFFERENCIAEGYENLETEK, MINT A MODELLEZÉS ESZKÖZEI AZ ISKOLAI MATEMATIKÁBAN



Hasonló dokumentumok
Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek numerikus megoldása

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

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Helyi tanterv Német nyelvű matematika érettségi előkészítő. 11. évfolyam

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Egy mozgástani feladat

Differenciaegyenletek

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Matematika gyógyszerészhallgatók számára. A kollokvium főtételei tanév

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Differenciálegyenletek

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

A matematikai feladatok és megoldások konvenciói

Az osztályozó, javító és különbözeti vizsgák (tanulmányok alatti vizsgák) témakörei matematika tantárgyból

Parciális differenciálegyenletek numerikus módszerei számítógépes alkalmazásokkal Karátson, János Horváth, Róbert Izsák, Ferenc

Matematika 9. nyelvi előkészítő évfolyam. 1 óra/hét (37 óra) Kiselőadások tartása, interjúk készítése (matematikatörténeti

Az éjszakai rovarok repüléséről

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek

MATEMATIKA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Az inga mozgásának matematikai modellezése

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

A fűrészmozgás kinetikai vizsgálata

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

MATEMATIKA I. RÉSZLETES ÉRETTSÉGI VIZSGAKÖVETELMÉNY A) KOMPETENCIÁK

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

Középszintű érettségi feladatsorok és megoldásaik Összeállította: Pataki János; dátum: november. I. rész

11. Sorozatok. I. Nulladik ZH-ban láttuk:

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

Válogatott fejezetek a matematikából

Egyenletek, egyenlőtlenségek grafikus megoldása TK. II. kötet 25. old. 3. feladat

Bevezetés a kaotikus rendszerekbe

Matematika szintfelmérő dolgozat a 2018 nyarán felvettek részére augusztus

Szélsőérték-számítás

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

Exponenciális és logaritmikus kifejezések Megoldások

Differenciaegyenletek a differenciálegyenletek

Tóth János - Simon L. Péter - Csikja Rudolf. Differenciálegyenletek feladatgyűjtemény

Runge-Kutta módszerek

Gauss-Seidel iteráció

2014/2015. tavaszi félév

11. modul: LINEÁRIS FÜGGVÉNYEK

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Szélsőérték feladatok megoldása

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Sorozatok II.

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

MATEMATIKA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ

Az áprilisi vizsga anyaga a fekete betűkkel írott szöveg! A zölddel írott rész az érettségi vizsgáig még megtanulandó anyag!

MATLAB. 8. gyakorlat. Differenciálegyenletek

Lineáris algebra numerikus módszerei

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Poncelet egy tételéről

Differenciálegyenletek december 13.

MATEMATIKA évfolyam. Célok és feladatok. Fejlesztési követelmények

MATEMATIKA A és B variáció

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Számsorozatok Sorozat fogalma, példák sorozatokra, rekurzív sorozatokra, sorozat megadása Számtani sorozat Mértani sorozat Kamatszámítás

Matematika emelt szint a évfolyam számára

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

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

Tartalom. Matematikai alapok. Termékgyártási példafeladat. Keverési példafeladat Szállítási példafeladat Hátizsák feladat, egészértékű feladat

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

Érettségi előkészítő emelt szint évf. Matematika. 11. évfolyam. Tematikai egység/fejlesztési cél

JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Matematika. Emelt szintű feladatsor pontozási útmutatója

Függvények Megoldások

Gauss-eliminációval, Cholesky felbontás, QR felbontás

Differenciálegyenletek megoldása Laplace-transzformációval. Vajda István március 21.

MATEMATIKA TANTERV Bevezetés Összesen: 432 óra Célok és feladatok

A mechanika alapjai. A pontszerű testek kinematikája. Horváth András SZE, Fizika és Kémia Tsz szeptember 29.

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

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

HELYI TANTERV MATEMATIKA tanításához Szakközépiskola évfolyam

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

3. Lineáris differenciálegyenletek

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

MATEMATIKA ÍRÁSBELI VIZSGA május 5.

2. Interpolációs görbetervezés

TIMSS Tanári kérdőív Matematika. online. 8. évfolyam. Azonosító címke

Osztályozóvizsga követelményei

Differenciálegyenletek a mindennapokban

12. előadás. Egyenletrendszerek, mátrixok. Dr. Szörényi Miklós, Dr. Kallós Gábor

FELVÉTELI VIZSGA, július 17.

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

TANMENET ... Az iskola fejbélyegzője. a matematika tantárgy. tanításához a 9. a, b osztályok számára

MATEMATIKA Emelt szint évfolyam

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

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

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) 2. forduló feladatainak megoldása

Differenciaegyenletek

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI VIZSGA ÁLTALÁNOS KÖVETELMÉNYEI

MATEMATIKA EMELT SZINTŰ SZÓBELI VIZSGA TÉMAKÖREI (TÉTELEK) 2005

Osztályozóvizsga és javítóvizsga témakörei Matematika 9. évfolyam

Átírás:

DIFFERENCIAEGYENLETEK, MINT A MODELLEZÉS ESZKÖZEI AZ ISKOLAI MATEMATIKÁBAN KOVÁCS ZOLTÁN 1. Bevezetés A természeti jelenségeket sokszor differenciálegyenletekkel lehet leírni: a vizsgált mennyiség például az idő függvénye, s erre a függvényre valamilyen differenciálegyenletet lehet felírni. Ezek közelítő megoldása differenciaegyenletek segítségével a középiskolás matematikai ismereteket nem haladja meg, így lehetővé válik a való életből vett bonyolultabb problémák matematikai modellezése. A differenciaegyenletek megoldásában, pontosabban a vizsgált mennyiség diszkrét időpontokban vett sorozatának előállítására, használhatunk akár komputeralgebrai eszközöket, akár táblázatkezelő alkalmazásokat. Mindkét esetben lehetőségünk van a grafikus reprezentációra is. Ebben a munkában a Maxima komputeralgebrai rendszert használom, wxmaxima 0.8.2 interfésszel. A teljes munkalapok elérhetők a honlapomon: zeus.nyf.hu/~kovacsz/maxima. A differenciaegyenletek középiskolás alkalmazása már a hetvenes években felvetődött az irodalomban. Lothar Berg [2] munkája 1982-ben magyarul is megjelent (Másodrendű differenciaegyenletek, Középiskolai szakköri füzet, Tankönyvkiadó, 1982), de a szerzőnek több német nyelvű munkája is megelőzte ezt (pl. [1]). Ezekben a munkákban főleg fizikai alkalmazások szerepeltek. A technológia alkalmazása új lendületet adhat ennek a lehetőségnek ([3]). A matematik tanítása során sokszor felteszik a tanárnak a kérdést: ezt minek tanuljuk? A való életből vett problémák tárgyalása a matematika tanításának egyik kulcskérdése: az igazi motivációt sok tanuló számára ez jelenti, tartalmat ad annak az idézetnek, amelyet sok szaktanterem falán láttam kiírva: A természet a matematika nyelvén szól hozzánk. 2. Kezdetiérték probléma numerikus megoldása A következő kezdetiérték problémát akarjuk numerikusan megoldani: (1) y = f(t,y), y(t 0 ) = y 0 a [t 0, b] intervallumon. Numerikus megoldáson azt értjük, hogy a megoldást véges sok pontban approximáljuk. Ezek a pontok pl. (2) (t 0,y 0 ), (t 0 + t,y 1 ), (t 0 + 2 t,y 2 ),... (t 0 + n t,y n ), ahol t = b t 0 n. Az y (t k ) derivált értéket a következő differenciával helyettesítjük: y (t k ) y k+1 y k t 1

2 KOVÁCS ZOLTÁN Ami azt jelenti, hogy (1) helyett áttérünk a (3) y k+1 = y k + tf, y(t 0 ) = y 0 differenciaegyenletre. A kritikus pont f argumentuma (3) jobb oldalán. Használhatjuk az f(t k,y k ) (első pont módszer), f(t k+1,y k+1 ) (hátsó pont módszer), értékeket, ezek átlagát (szimmetrikus módszer) vagy akár a [t k, t k+1 ] intervallumon vett több értéknek az átlagát is. Az első pont módszer szerint (4) y k+1 = y k + tf(t k,y k ), t k = t 0 + k t, a hátsó pont módszer szerint (5) y k+1 = y k + tf(t k+1,y k+1 ), t k+1 = t 0 + (k + 1) t, míg a szimmetrikus módszer szerint (6) y k+1 = y k + t 1 2 (f(t k,y k ) + f(t k+1,y k+1 )). A továbbiakban a hátsó pont módszerrel nem foglalkozunk. Az első pont módszer egy egyszerű rekurziót határoz meg, azaz a kezdeti értékek alapján a keresett (2) sorozatot elő tudjuk állítani. A szimmetrikus módszer implicit egyenletet ad y k+1 - re. Ha ennek megoldása elemi függvényekkel nehéz vagy nem lehetséges, akkor y k+1 -t az első pont módszer szerint közelítjük: (7) y k+1 = y k + t 1 2 (f(t k+1,y k + tf(t k,y k )) + f(t k,y k )). A differenciálegyenletek numerikus megoldásának fentebb vázolt módszerét Eulermódszernek is nevezik. A következőekben példákkal illusztrálom a módszert. 3. Korlátozott növekedés Jelölje y(t) egy populáció egyedeinek számát. Semmilyen populáció nem növekedhet korlátlanul, korlátozást jelenthet az élelem hiánya, a szűk territórium, stb. Tegyük fel, hogy egy territórium B egyedszámot tud fenntartani és a populáció növekedése a B y különbséggel arányos. (Minél inkább megközelíti a populáció a maximális egyedszámot, annál kisebb a növekedés.) Ezt a növekedési folyamatot a y t = K(B y), y(0) = y 0 differencia egyenlet írja le, ahol K > 0 statisztikusan meghatározott arányossági tényező. Az egyenletet az első pont módszerrel megoldva: y k+1 = y k + t(b y k ) A sorozat előállításásnak Maxima kódja K = 0, 4, B = 2500 paraméterértékekkel, x 0 = 150 induló egyedszámmal, t = 0, 1 választása mellett 200 diszkrét időpontban: K:0.40$ B:2500$ jobb_oldal(y):=float(k*(b-y))$ dt:0.1$ N:200$

DIFFERENCIAEGYENLETEK... 3 2500 x0=150 x0=1000 2000 1500 x 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 t 1. ábra. Korlátozott növekedés különböző induló egyedszámnál y0:150$ list:[[0,y0]]$ y:y0$ for i:1 thru N-1 do(y:y+dt*jobb_oldal(y), list:append(list, [[(i+1)*dt,y]]))$ A grafikon kirajzolása: plot2d([ discrete,list], [style,[points,3,1,3]], [xlabel,"t"],[ylabel,"y"]); Az 1. ábrán a grafikont különböző induló egyedszámmal készítettem el (150 és 1500). Talán meglepő, hogy tízszeres induló populációszám alig jelent különbséget a territórium teljes benépesítésének idejében. 4. Lineáris harmonikus oszcillátor Az egydimenziós mozgásegyenlet az egység tömegű anyagi pontra: (8) x = v, v = F ahol v a sebesség, F az egység tömegű anyagi pontra ható erők összege (m = 1). Ha az anyagi pont egyetlen rugó hatása alatt mozog, akkor a rugó erőtörvényét az F = K x Hook-törvény írja le. Az egyenlet megoldására a szimmetrikus módszert

4 KOVÁCS ZOLTÁN alkalmazzuk (9) x k+1 = x k + t 1 2 (v k + v k+1 ) v k+1 = v k + t 1 2 (F k + F k+1 ). Az implicit egyenletet elkerülendő v k+1 -t az első pont módszerrel közelítjük: (10) x k+1 = x k + t 1 2 v k + t 1 2 (v k + tf k ) = x k + tv k + 1 2 t2 F k. v k kiküszöböléséhez alkalmazzunk index transzformációt: (11) x k+2 = x k+1 + tv k+1 + 1 2 t2 F k+1. Kivonva egymásból az (10) és (11) egyenleteket: x k+2 = 2x k+1 x k + t (v k+1 v k ) + 1 2 t2 (F k+1 F k ). Helyettesítsük be v k+1 v k az (9) egyenletből: A Hook-törvényt beírva: x k+2 = 2x k+1 x k + t 2 F k+1. (12) x k+2 = x k + (2 t 2 K)x k+1. Az x k sorozatra ismét egy rekurzív szabályt kaptunk, de most a sorozat egy elemét a két előtte lévő elmből kapjuk meg. Így x 0 mellett szükségünk van x 1 értékére is, melyet a (10) egyenletből kapjuk Részlet a Maxima kódból: x 1 = x 0 + tv 0 1 2 t2 Kx 0. force(x):=float(-k*x)$ nx1:float(x0+v0*dt+1/2*dt^2*force(x0))$ listb:[[0,x0],[dt,nx1]]$ for i:1 thru N do( listb:append(listb, [[(i+1)*dt,2*listb[i+1][2]-listb[i][2]+ force(listb[i+1][2])*dt^2]]))$ A 4. ábrán ugyanazon kezdeti feltételek mellett az itt nem részletezett (de az olvasó által könnyen levezethető) első pont módszer és a szimmetrikus módszer eredménye látható. Az első pont módszer mint modell nyilvánvalóan nem elfogadható, mert az enegiamegmaradás törvénye nem teljesül. Megjegyzendő, hogy a Hook-törvény esetén (9)-ből az x k sorozat az első pont módszer alkalmazása nélkül is kifejezhető, mert egy egyszerű lineáris egyenletrendszert kapunk.

DIFFERENCIAEGYENLETEK... 5 6 elso pont szimmetrikus 4 2 0 x -2-4 -6-8 0 2 4 6 8 10 12 t 2. ábra. Harmonikus lineáris oszcillátor. Hivatkozások [1] Lothar Berg. Mechanik ohne Differentialgleichungen verwirklicht durch diskrete Modelle. Wissenschaft und Fortschritt, 28:146 149, 1978. [2] Lothar Berg. Differenzengleichungen zweiter Ordnung mit Anwendungen. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1979. [3] Zoltán Kovács. Difference equations as a modelling tool in school mathematics. In Proceedings of the IMEM 2009 Congress, Spisska Kapitula, ISBN 978-80-8084-471-4, pages 586 594, Catholic University in Ruzemberok, 2009. online: http://zeus.nyf.hu/ kovacsz/shortpub/index.html. Nyíregyházi Főiskola, Matematika és Informatika Intézet, 4401 Nyíregyáza, Pf. 166 E-mail address: kovacsz@nyf.hu