A3 minimumkérdések szóbelire 2016

Hasonló dokumentumok
valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

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

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

Differenciálegyenletek

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

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

3. Lineáris differenciálegyenletek

Differenciálegyenlet rendszerek

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Differenciálegyenletek

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

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

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Matematika III. harmadik előadás

{ } x x x y 1. MATEMATIKAI ÖSSZEFOGLALÓ. ( ) ( ) ( ) (a szorzás eredménye:vektor) 1.1. Vektorok közötti műveletek

Matematika (mesterképzés)

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

Számítási módszerek a fizikában 1. (BMETE90AF35) tárgy részletes tematikája

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

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Többváltozós, valós értékű függvények

Differenciálegyenletek december 13.

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 12. Név: Nept. kód: Idő: 1. f. 2. f. 3. f. 4. f. 5. f. 6. f. Össz.: Oszt.

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Trigonometrikus függvények azonosságai

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Bevezetés az algebrába 2

Boros Zoltán február

Matematika III előadás

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Segédanyag az A3 tárgy gyakorlatához

Differenciálegyenletek

Gyakorlati példák Dr. Gönczi Dávid

17. előadás: Vektorok a térben

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Differenciálegyenletek Oktatási segédanyag

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Matematika III előadás

Skalár: egyetlen számadattal (+ mértékegység) jellemezhető mennyiség. Azonos dimenziójú skalár mennyiségek - mértékegység-konverzió után -

6. Differenciálegyenletek

differenciálegyenletek

T obbv altoz os f uggv enyek integr alja. 3. r esz aprilis 19.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

3. előadás Stabilitás

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

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

Testek. 16. Legyen z = 3 + 4i, w = 3 + i. Végezzük el az alábbi. a) (2 4), Z 5, b) (1, 0, 0, 1, 1) (1, 1, 1, 1, 0), Z 5 2.

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

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)

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

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

Többváltozós, valós értékű függvények

Analízis II. gyakorlat

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Határozatlan integrál

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Differenciál egyenletek

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

Közönséges differenciálegyenletek

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Analízis 1. tárgyban tanult ismeretekre épül, tehát ismertnek tekintjük

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

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 29.

Lineáris Algebra. Tartalomjegyzék. Pejó Balázs. 1. Peano-axiomák

Mátrixok 2017 Mátrixok

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Matematika A1a Analízis

Matematika A1a Analízis

I. Fejezetek a klasszikus analízisből 3

= e i1 e ik e j 1. tenzorok. A k = l = 0 speciális esetben e az R egységeleme. A. e q 1...q s. = e j 1...j l q 1...q s

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

Matematika III előadás

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

Relációk Függvények. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

Átírás:

A3 minimumkérdések szóbelire 2016 Vektoranalízis 1. 1. Duális tér V Hom(V, R), ahol (V, +, λ) vektortér, V elemei pedig ún. lineáris formák, azaz és v φ(v) φ(αv + βw) = αφ(v) + βφ(w) Megjegyzés: homomorfizmus alatt két algebrai struktúra közötti művelettartó leképezést értünk. Pl. ha az egyik struktúrában valamely elemek közt valamilyen reláció áll fenn, akkor ezen elemeiknek képei a másik struktúrában is ebben a relációban állnak. (Endomorfizmus: ha a képhalmaz részhalmaza az alaphalmaznak, pl. Z N) V halmazt természetes módon vektortérré tehetjük a következőképpen: (α + β)v = αv + βv, α, β V (ρ φ)v = ρ φ(v) ρ R, φ V Így (V, +, λ) már vektortér, amit V duális terének is nevezünk. Vektortér és duális terének dimenziója megegyezik. 2. Leképezés adjungáltja, szimmetrikus és antiszimmetrikus leképezés Legyen E = (V, < ; >) adott euklideszi tér (tehát egy olyan vektortér, amiben értelmezve van a skaláris szorzás), és φ: V V egy lineáris leképezés. Ekkor a φ : V V leképezést a φ leképezés adjungáltjának mondjuk, ha v 1, v 2 V esetén < v 1 ; φ(v 2 ) > = < φ (v 1 ) ; v 2 > Idempotens tulajdonság: adjungált adjungáltja az eredeti leképezés, azaz (φ ) = φ. Szimmetrikus leképezés: φ szimmetrikus leképezés, ha adjungáltja önmaga, azaz φ = φ, ekkor < v 1 ; φ(v 2 ) > = < φ(v 1 ) ; v 2 > v 1, v 2 V Antiszimmetrikus leképezés: φ antiszimmetrikus leképezés, ha φ = φ, ekkor < v 1 ; φ(v 2 ) > = < φ(v 1 ) ; v 2 > v 1, v 2 V 3. Mátrix vektorinvariánsa és nyoma (trace, spur) Tekintsük a következő, 3x3-as antiszimmetrikus mátrixnak és a w vektornak a szorzatát: 0 a 12 a 13 w 1 a 12 w 2 + a 13 w 3 [ a 12 0 a 23 ] [ w 2 ] = [ a 12 w 1 + a 23 w 3 ] a 13 a 23 0 w 3 a 13 w 1 a 23 w 2 Egy antiszimmetrikus lineáris transzformáció mindig leírható egy rögzített vektorral való vektoriális szorzatként. Ezt a vektort nevezzük a mátrix vektorinvariánsának. v 1 w 1 v 2 w 3 v 3 w 2 [ v 2 ] [ w 2 ] = [ v 3 w 1 v 1 w 3 ] v 3 w 3 v 1 w 2 v 2 w 1 A w = v w 1

w együtthatóinak meg kell egyeznie, tehát a vektorinvariáns: v 1 v 2 a 23 a 13 v [ ] = [ ] v 3 a 12 A vektorinvariáns csak ortogonális transzformációkkal szemben invariáns. Egy lineáris transzformáció mátrixának főátlójában lévő elemek összege minden KR-ben ugyanannyi, tehát a koordináta-transzformációkkal szemben invariáns. Ezt az összeget a lineáris transzformáció (V 1 = V 2 ) első skalárinvariánsának / nyomának / spurjának / tracejének nevezzük. (És ez a sajátértékek összege.) 4. Gradiens, divergencia, rotáció A gradiens csak skalármező (azaz skalár-vektor függvény) esetében értelmezhető. u: R 3 R grad u = u u u i + j + x y z k A gradienst tehát úgy kapjuk, hogy a skalármezőt az összes változója szerint, külön-külön (parciálisan) lederiváljuk, és egy oszlopvektorba rendezzük. u x u grad u = y u ( z) A gradiens tehát vektormennyiség. Ha bevezetjük az ún. nabla vektort: x = y ( z) Akkor grad u formálisan a nabla vektornak és az u skalármezőnek a szorzataként írható fel: grad u = u Megjegyzés: Skalármező gradiense, illetve vektormező divergenciája és rotációja független a koordinátarendszertől. A divergencia csak vektormező (azaz vektor-vektor függvény) esetében értelmezhető. Eredménye skalármennyiség. v: R 3 R 3 Definíció szerint div v = sp(j v ), tehát v Jakobi-mártixának a nyoma: div v = f 1 x + f 2 y + f 3 z Ahol f i a v vektormező i-edik komponensfüggvénye. Formálisan div v a nabla vektornak és a v vektormezőnek a (skaláris) szorzataként írható fel: div v = v(r) Ha div v = 0, akkor a vektormező forrásmentes. 2

A rotáció szintén csak vektormező (azaz vektor-vektor függvény) esetében értelmezhető. Eredménye viszont vektormennyiség. Definíció szerint 1 2 rotf = 1 2 (Df Df ), ahol Df a derivált mátrix (Jakobi-mátrix), aminek a soraiban az egyes komponensfüggvények gradiensei vannak. Df pedig Df transzponáltja. Formálisan rot v a nabla vektornak és a v vektormezőnek a vektoriális szorzataként írható fel: rot v = v(r) v: R 3 R 3 esetén rot v = f z y f y z f x z f z x f y ( x f x y ) Fontosabb azonosságok, ha x r = ( y) z div r = 3 rot r = 0 Illetve a zérus azonosságok: rotgrad u = 0 divrot v = 0 5. Nabla vektor x = y ( z) Igazából nem vektor, hanem operátor, de vektorként kezelve a legtöbb művelet könnyebben elvégezhető a segítségével. 6. Laplace operátor, harmonikus függvény A Laplace-operátor definíció szerint: = = 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2 Akkor harmonikus például az u skalár-vektor (R 3 R) függvény, ha u = 0 = u = grad u = divgrad u = 0 Tehát kielégíti az ún. Laplace-egyenletet. (Feltétel: legyen kétszeresen differenciálható az u függvény.) 3

Vektoranalízis 2. 1. Skalárpotenciálos vektormező Egy v: V V vektormező skalárpotenciálos, ha u: V R skalármező, hogy v = grad u. (Fizikai) erőtér esetén a vektortér más néven konzervatív, ha ez teljesül. Ekkor u-t v potenciálfüggvényének nevezzük. Feltétel: rot v = 0. (örvénymenteség) Megjegyzés: Ha egy vektormező előáll egy skalármező gradienseként, akkor a vektormező bármely görbe menti skalárértékű vonalintegrálja csak a kezdő- és a végponttól függ, tehát független az úttól. Egy vektortérnek végtelen sok skalárpotenciálja van (a konstans miatt). A skalárértékű vonalintegrál értéke (a munka) a potenciálkülönbséggel egyenlő: B < v(r(t)), r (t) > = u(b) u(a) A A potenciálfüggvénynek a vonalintegrállal kapcsolatban az a szerepe, mint egy egyváltozós függvény határozott integráljával kapcsolatban a primitív függvénynek. 2. Vektorpotenciálos vektormező Egy v: V V vektormező vektorpotenciálos, ha w: V V vektormező, hogy v = rot w, azaz előáll egy másikmező rotációjaként. (w vektor tetszőleges koordinátáját nullának választjuk a megoldás során.) Feltétele: div v = 0. (forrásmenteség) 3. Görbe Legyen I R egy nem feltétlenül korlátos intervallum. Ekkor az r: I R 3 leképezést reguláris görbének hívjuk, ha r immerzió, azaz a derivált leképezése injektív (a képek egyenlőségéből következik az ősképek egyenlősége: φ(a) = φ(b) a = b). 4. Görbe ívhossza A pályasebesség I fölötti integrálját a térgörbe ívhosszának nevezzük: (avagy a sebesség idő szerinti vonalintegrálját) L(r) = r (τ) dτ I Más definíció szerint, amikor egy tetszőleges síkgörbe ívhosszát olyan húrok összegével közelítjük, amik 0-hoz tartanak: Egy y = f(x) egyenlettel adott, szakaszonként sima görbe a x b határok közötti ívhossza: b s = ds = x=a 1 + y 2 A töröttvonalak hosszának az összege is az ívhossz, minden határon túli finomítás esetén: b x=a r(t i ) r(t i 1 ) i 5. Felület Legyen S R 3, ekkor S-t reguláris (szabályos) felületnek mondjuk, ha p S ponthoz létezik p-nek olyan V R 3 környezete, hogy a φ: U R 2 V S leképezés - differenciálható homeomorfizmus (diffeomorfizmus, azaz differenciálható bijekció) - és φ immerzió, azaz a φ q : R 2 R 3 (q pontban) injektív lineáris leképezés φ neve: parametrizáció dx p V S neve: p koordinátakörnyezete 4

6. Felszínszámítás Triangularizáció (felszín lefedése háromszögekkel) helyett kicsi, elemi, érintő paralelogrammákkal közelítjük a felszínt, amik már nem tudnak elválni a felülettől (ez az alapelve). Az ún. skaláris felületelem: ds = r u r v u v Ahol r r és a paramétervonalak P pontbeli érintővektorai. (A felületen a P pontot az u és v u v ún. paramétervonalak metszéseként vettük fel; r a P pontba mutató vektor) A skaláris felületelem a két differenciálvektor által kifeszített elemi paralelogramma területe. Amit, ha minden határon túl finomítunk, akkor a következő integrál megadja a teljes felszínt: S = ds = r u r v dudv T T 7. Stokes-tétel A görbe menti és a felületi integrálok közötti kapcsolatot írja le. Kétdimenziós Newton-Leibnizformulának is szokták nevezni. Legyen F: [a, b] [a, b] R 3 jobbkéz-szabály szerint irányított, parametrizált peremes felület. Továbbá, legyen v: R 3 R 3 legalább egyszer folytonosan differenciálható vektormező, ekkor: < v(r), ds > < rot v, df > G Tehát a G görbe menti vonalintegrál megegyezik az F felületen vett felületi integrállal. df = n Ezáltal is belátható, hogy ha a vektormező örvénymentes, akkor bármely zárt görbe menti integrálja zérus, hiszen, ha rot v = 0, akkor a skalárszorzat nulla a kettős integrálban. Megjegyzések: - kétoldalú, zárt felület legyen adott, amit egy zárt görbe határol - azonos peremmel rendelkező S 1 és S 2 felületek esetén az integrálok megegyeznek - perem nélküli felület esetén nulla a kettős integrál értéke - ha nem irányítható a felület, akkor felbontjuk irányítható részekre - fizikai alkalmazás pl. gerjesztési törvény 8. Gauss-Osztrogradszkij-tétel A felületi integrál és a térfogati integrál között teremt kapcsolatot. Szükséges egy korlátos, zárt felület és egy kifelé mutató normálvektor. Legyen V: [a, b] 3 R 3 irányított, paraméterezett elemi tértartomány és v: R 3 R 3 V-n legalább egyszer differenciálható vektormező, ekkor: F < v(r), df >= div (v(r)) dv F Ahol F a határfelülete V-nek. A tételből látható, hogy forrásmentes (div v = 0) vektortér zárt felületre vett integrálja (avagy átáramlási feleslege) nulla. 9. Green-tételek Legyenek φ, ψ: R 3 R kétszeresen folytonosan differenciálható skalármezők. A Gauss- Osztrogradszkij-tételben vegyük fel a v vektorteret v = φ gradψ alakban. Ekkor div v = v = (φ ψ) = φ ψ + φ ψ = gradφgradψ + φ ψ V 5

Ezt felhasználva kapjuk az első, ún. aszimmetrikus Green-tételt: < φ gradψ, df >= (gradφgradψ + φ ψ) dv F V Az első Green-tételben φ és ψ szerepét felcserélve, és az így kapott egyenletet kivonva az első tétel egyenletéből, a második, ún. szimmetrikus Green-tételt kapjuk: Differenciálegyenletek 1. < φ gradψ ψ gradφ, df > = (φ ψ ψ φ) dv F A differenciálegyenletek a természetben lejátszódó folyamatok, műszaki, fizika és kémiai problémák matematikai leírásának nélkülözhetetlen elemei. 1. Közönséges n-edrendű differenciálegyenlet Differenciálegyenletnek az olyan egyenletet nevezzük, melyben ismeretlen függvények, ezek deriváltjai, valamint független változó(k) fordul(nak) elő. Közönséges: csak egyetlen független (x) változó van benne (nem parciális, ahol több) Rend: az ismeretlen (y, y" ) legmagasabb fokszámú deriváltja V Definíció szerint Legyen y: R R n-szer folytonosan differenciálható függvény, y = y (0), y = y (1),, y (n) deriváltfüggvények szintén folytonosak és jelölje x a független változót! Ekkor az F(x, y, y, y",, y (n) ) = 0 egyenlet az y-ra vonatkozó, n-edrendű, közönséges differenciálegyenlet. (A fenti megadást implicit megadásnak is hívjuk, mivel a legmagasabb fokszámú derivált nem fejezhető ki egyértelműen, expliciten.) 2. Differenciálegyenlet megoldásának típusai (általános, partikuláris, szinguláris) Általános: amely kielégíti a differenciálegyenletet (DE-t) és pontosan annyi, egymástól független, tetszőleges konstanst tartalmaz, ahányad rendű a DE. Az általános megoldás a homogén és az inhomogén rész összege: y á = y H + y IH Partikuláris: amely az általános megoldásból úgy származtatható, hogy az abban szereplő konstansoknak meghatározott értéket adunk. (pl. Cauchy kezdetiérték-feladat) Általánosabban: partikuláris megoldás, ha a megoldásfüggvény legalább 1-gyel kevesebb egymástól független állandót tartalmaz, mint ahányad rendű a DE. Szinguláris: olyan megoldás, amely NEM kapható meg az általános megoldásból az állandók megfelelő választásával. (pl. szeparábilis DE esetén) 3. Cauchy-feladat Más néven kezdetiérték-feladat. Az n-edrendű DE olyan megoldását keressük, amely kielégíti az y(x 0 ) = y 0, y (x 0 ) = y 0,, y (n 1) (x 0 ) = y 0 (n 1) kezdeti feltételt, ahol x 0, y 0, y 0,, y 0 (n 1) adott számok. Egy DE megoldása során meg van adva megfelelő számú peremfeltétel (PF), amikkel az integrálás során feltűnő állandók értéke meghatározható. Annyi PF kell, ahányad rendű a DE. 6

4. Lipschitz-feltétel Ha az f függvény teljesíti a Lipschitz-feltételt az adott tértartományon, akkor a megoldásgörbék nem metszik egymást (azaz létezik egyértelmű megoldás, egy ponton csak egy darab integrálgörbe halad át). Definíció: Az f függvény a D tartományon az y változóra nézve kielégíti a Lipschitz-feltételt, ha létezik M pozitív valós szám, hogy f(x, y 2 ) f(x, y 1 ) M y 2 y 1 (x, y 1 ), (x, y 2 ) D 5. Picard-Lindelöf tétel Ez egyben egzisztencia- és unicitástétel is. Legyen y = f(x, y) egy explicit alakban adott DE, és D = I 1 I 2 nyílt téglalap tartomány, ahol I 1, I 2 nyílt intervallumok és legyen (x 0, y 0 ) D, továbbá I. f folytonos mindkét változójában D-n II. f elégítse ki a Lipschitz-feltételt y változóra D-n. Ekkor: egyértelműen létezik φ: (x 0 ε, x 0 + ε) R függvény, melyre φ (x) = f(x, φ(x)) φ (x 0 ) = y 0 egyaránt teljesül, azaz a φ megoldás egyértelmű. Megjegyzések: - ha f függvényről csak a folytonosságot feltételezzük: Peano-feltétel - hasonlóan a Cauchy-feltételhez (ott I. feltétel ugyanaz, II. feltétel, hogy az f függvény y szerinti parciális deriváltja korlátos D-beli pontban), a Picard-Lindelöf tétel is erősebb, szigorúbb tétel. Hiszen, a tételben elegendő, de nem szükséges feltételek vannak, ezáltal lehet, hogy nem teljesül mindkét feltétel, mégis van egyértelmű megoldás! 6. Iránymező Az iránymező a differenciálegyenlet megoldásairól ad szemléletes képet. Az y = f(x, y) DE megoldása geometriailag a következőképpen szemléltethető. Az f függvény értelmezési tartományának minden egyes (x, y) pontjához rendeljük hozzá a rajta átmenő, y = f(x, y) iránytangensű (meredekségű) egyenesnek (megoldásgörbének) a pontot tartalmazó kicsiny szakaszát. E szakaszok összessége alkotja a differenciálegyenlet iránymezőjét; a szakaszokból elég sokat ábrázolva kapjuk a DE megoldásának geometriai képét. Tehát sok-sok pontban berajzoljuk az érintők egy kicsiny darabját, ezek lesznek a képen is látható vonalelemek, amik összessége az iránymező. Izoklina: az a görbe, amelynek pontjaihoz azonos irányú, vagyis párhuzamos vonalelemek tartoznak. 7

Differenciálegyenletek 2. 1. Szeparábilis és arra visszavezethető DE Definíció: Az olyan y = f(x, y) elsőrendű DE-et, amely y = h(x) g(y) alakra hozható, szeparábilis (változóiban szétválasztható) differenciálegyenletnek nevezzük. Feltesszük, hogy h és g valamely, alkalmas I és J intervallumon folytonosak. Megoldási módszer: dy dx = y = h(x) g(y) 1 dy = h(x)dx g(y) Szinguláris megoldás: ha g(y) = 0, amivel osztani kell Nem szinguláris megoldás: g(y) 0 Szeparábilis differenciálegyenletre visszavezethetőek más DE-ek is u helyettesítéssel, például: y = f(ax + by + c) u ax + by + c u = du dx = a + by = a + b f(u) Illetve y = f (1, y x ) u = y x u = du dx = y x y 1 x 2 = y x y y x 2 = y x x Továbbá, fontos még az is, hogy az elsőrendű, lineáris differenciálegyenleteknek a homogén része is szétválasztható DE-re vezethető vissza. 2. Bernoulli-féle DE Definíció: Az y + p(x) y = q(x) y n (n 0, n 1) alakú, elsőrendű, nemlineáris DE-et Bernoulli-féle differenciálegyenletnek nevezzük, ahol p, q: I R R folytonos függvények. Megoldási módszer: Helyettesítéssel: z(x) = z = y 1 n. z = dz dx = (1 n) y n y ( ) Ahonnan az eredeti DE-et y n -nel leosztva, a ( ) egyenletet pedig (1 n)-nel leosztva és felhasználva a helyettesítést, azt kapjuk, hogy z + (1 n)p(x) z = (1 n)q(x) Ami már egy lineáris DE z-re nézve, tehát megoldható homogén-inhomogén módon. 3. Riccati-féle DE Definíció: Az a(x) y + b(x) y + c(x) y 2 = r(x) alakú elsőrendű, nemlineáris DE-et Riccatiféle differenciálegyenletnek nevezzük, ahol a, b, c, r: I R R folytonos függvények. Megoldási módszer: A Riccati-féle nemlineáris DE integrálással általában nem oldható meg. Akkor, és csak akkor tudjuk integrálással előállítani a megoldását, ha ismerjük egy partikuláris megoldását. Megjegyzések: - Ha r(x) = 0, akkor Bernoulli-féle DE-et kapunk - Ha c(x) = 0, akkor a DE lineáris 8

y(x) = 1 z(x) + y p(x) alakban bevezetett új függvény segítségével z-re már lineáris DE-et kapunk, Vagy y(x) = z(x) + y p (x) típusú helyettesítéssel Bernoulli-típusúra redukálható a Riccati-féle DE. Például: Helyettesítés: y = x + z y = 1 + z, amit visszaírva a DE-be, leegyszerűsödik Bernoulli-ra. 4. Egzakt DE Definíció: Egy P(x, y)dx + Q(x, y)dy = 0 alakú DE-et, melyben P, Q: D R 2 R folytonos függvények, egzakt DE-nek nevezzük, ha P y = Q x folytonosak és egyenlők. Megoldási módszer: Létezik olyan F(x, y), hogy F F = P és x y = Q Ezért a DE megoldása F(x, y) = C alakú (a skalárpotenciál kereséséhez hasonló). Egzaktra visszavezethető: a P(x, y)dx + Q(x, y)dy = 0 alakú DE általában nem egzakt (vagyis a bal oldala nem teljes differenciál), azaz P(x, y) Q(x, y) y x Ilyen esetben kísérletet tehetünk egy olyan M(x, y) 0 függvény megkeresésére, amellyel a differenciálegyenletet beszorozva az új DE már egzakt lesz: ln M(x) = P y Q x dx Q ln M(y) = Q x P y dy P Azt a multiplikátort kell használni, ami csak az egyik változótól függ (amit ki lehet integrálni). 5. Lineáris állandó együtthatós DE Lineáris: melyben az ismeretlen függvény és annak deriváltjai csak első hatványon szerepelnek és ezek szorzatai sem fordulnak elő az egyenletben. (Ellenkező esetben nemlineáris.) Definíció: Az a n y (n) + a n 1 y (n 1) +... + a 1 y + a 0 y = 0 DE-et, ahol a i R, i {0,1, n} n-edrendű (a n 0), állandó (konstans) együtthatós, lineáris differenciálegyenletnek hívjuk. Egy n-edrendű, állandó együtthatós, lineáris differenciálegyenlet megoldásai n-dimenziós, valós vektorteret alkotnak a R fölött. Ezért elegendő n db lineárisan független megoldást megtalálni. Ezeket elemi megoldásoknak, más szóval alaprendszernek nevezzük. 6. Lineárisan független függvényrendszer Legyen y 1, y 2,, y n : (a, b) R; (a, b)-n (n 1)-szer folytonosan differenciálható függvényrendszer. Ez az n db függvény lineárisan független, ha c 1 y 1 (x) + c 2 y 2 (x)+... +c n y n (x) 0 azonosság csakis a c 1 = c 2 =... = c n = 0 esetben áll fenn. Ellenkező esetben a függvények lineárisan függők. 9

7. Wronski-determináns A c i konstans értékek miatt végtelen sok megoldása (alaprendszere) létezne egy n-edrendű differenciálegyenletnek: y(x) = c i y i = c 1 y 1 + c 2 y 2 +... +c n y n A Wronski-determináns segítségével is meg tudjuk állapítani, hogy egy függvényrendszer lineárisan független-e. Az n db valós függvényt lineárisan függetlennek mondjuk, ha az ún. Wronski-determináns nem nulla, és lineárisan függőnek, ha nulla. y 1 y 2 y 3 y n y 1 y 2 y 3 y n.... det W =........ (n 1) (n 1) (n 1) (n 1) y 1 y 2 y 3 y n Tehát ha adott a DE egy alaprendszere, akkor ezzel meg tudjuk határozni, hogy az alaprendszer és annak tetszőleges lineáris kombinációja megoldása-e a differenciálegyenletnek. (Visszafelé nem igaz, lehet, hogy a függvényrendszer lineárisan független, de det W = 0) 8. Differenciálegyenlet-rendszer A következő alakban adott egy elsőrendű differenciálegyenlet-rendszer: y 1 = f 1 (x, y 1, y 2,, y n ) y { 2 = f 2 (x, y 1, y 2,, y n ) y n = f n (x, y 1, y 2,, y n ) Ahol y 1, y 2,, y n a keresendő függvények és x a független változó. Általános alak: x = A x x(t) x = [ y(t) ] nx1 Ahol A az együtthatómátrix és most t a független változó. Egy ilyen DE-rendszer megfeleltethető egy állandó együtthatós n-edrendű, lineáris DE-nek. Az alaphalmaz vagy ún. hipermátrix: Ahol λ n : A sajátértékei És s n : A sajátvektorai Példa X(t) = [e λ 1t s 1 e λ 2t s 2 e λ nt s n ] 1xn x(t) = [ C 1 e t + C 2 e 5t C 1 e t + 3C 2 e 5t] Ha a sajátértékek λ 1 = 5 és λ 2 = 1 És a sajátvektorok s 1 = [ 1 1 ] és s 2 = [ 1 3 ] Komplex sajátértékek esetén x(t) = C 1 [e λt cosβt v 1 e λt sinβt v 2 ] + C 2 [e λt cosβt v 2 e λt sinβt v 1 ] 10