Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek

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

Matematika A3 1. ZH+megoldás

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

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

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciálegyenletek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

3. Lineáris differenciálegyenletek

5. fejezet. Differenciálegyenletek

Matematika III. harmadik előadás

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

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Differenciálegyenletek

Numerikus Matematika

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

Közönséges differenciálegyenletek megoldása Mapleben

Debreceni Egyetem. Feladatok a Matematika II. tárgy gyakorlataihoz. Határozatlan integrál

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

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

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

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

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

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

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

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

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Többváltozós függvények Feladatok

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

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Baran Ágnes. Gyakorlat Függvények, Matlab alapok

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)

Differenciálegyenletek december 13.

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Matematika A1a Analízis

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

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Függvények Megoldások

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Feladatok megoldásokkal a harmadik gyakorlathoz (érintési paraméterek, L Hospital szabály, elaszticitás) y = 1 + 2(x 1). y = 2x 1.

Differenciálegyenletek

cos 2 (2x) 1 dx c) sin(2x)dx c) cos(3x)dx π 4 cos(2x) dx c) 5sin 2 (x)cos(x)dx x3 5 x 4 +11dx arctg 11 (2x) 4x 2 +1 π 4

MATLAB. 8. gyakorlat. Differenciálegyenletek

1. Oldja meg a z 3 (5 + 3j) (8 + 2j) 2. Adottak az A(1,4,3), B(3,1, 1), C( 5,2,4) pontok a térben.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

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

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Határozatlan integrál

1. Bevezetés Differenciálegyenletek és azok megoldásai

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Numerikus matematika

I. feladatsor. 9x x x 2 6x x 9x. 12x 9x2 3. 9x 2 + x. x(x + 3) 50 (d) f(x) = 8x + 4 x(x 2 25)

HÁZI FELADATOK. 1. félév. 1. konferencia A lineáris algebra alapjai

Bevezetés az algebrába 2

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

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.

Differenciálegyenletek megoldása Laplace-transzformációval. Vajda István március 21.

Feladatok matematikából 3. rész

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Baran Ágnes. Gyakorlat Halmazok, függvények, Matlab alapok. Baran Ágnes Matematika Mérnököknek Gyakorlat 1 / 34

5 1 6 (2x3 + 4) 7. 4 ( ctg(4x + 2)) + c = 3 4 ctg(4x + 2) + c ] 12 (2x6 + 9) 20 ln(5x4 + 17) + c ch(8x) 20 ln 5x c = 11

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

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

Függvények vizsgálata

Differenciálegyenletek a mindennapokban

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

MATLAB. 6. gyakorlat. Integrálás folytatás, gyakorlás

Matematika III előadás

Baran Ágnes. Gyakorlat Komplex számok. Baran Ágnes Matematika Mérnököknek Gyakorlat 1 / 16

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

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

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

MATLAB. 5. gyakorlat. Polinomok, deriválás, integrálás

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

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

6. Differenciálegyenletek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

11. gyakorlat megoldásai

Szélsőérték feladatok megoldása

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

Numerikus matematika

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

differenciálegyenletek

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

1. Határozzuk meg, hogy mikor egyenlő egymással a következő két mátrix: ; B = 8 7 2, 5 1. Számítsuk ki az A + B, A B, 3A, B mátrixokat!

ANALÍZIS II. Példatár

Átírás:

Matematika Mérnököknek 2. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Gyakorlat Differenciálegyenletek Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 1 / 42

Numerikus differenciálás Matlab-bal Példa Tegyük fel, hogy az f (x) = sin(3x) x függvény értékei h = 0.001 lépésközzel adottak a [0.1, 2π] intervallumon. Deriváljuk numerikusan a függvényt! Ábrázoljuk az eredményt a függvény tényleges deriváltjával közös ábrán. Megoldás. A derivált közeĺıtésére például a következő differenciahányadost használhatjuk (ahol h > 0, kicsi érték): f (x) f (x + h) f (x) h Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 2 / 42

Használjuk a Matlab diff függvényét. Ha y egy n elemű vektor, akkor diff(y) egy (n 1) elemű vektor, az y szomszédos koordinátáinak a különbségeit tartalmazza: diff(y)=[y(2)-y(1), y(3)-y(2),..., y(n)-y(n-1)] Ha adott az alappontok x vektora, és az alappontokban felvett függvényértékek y vektora, akkor d1=diff(y)./diff(x) a differenciahányadosok vektora. >> h=0.001; >> x=0.1:h:2*pi; >> y=sin(3*x)./x; >> d1=diff(y)./diff(x); >> figure; plot(x(1:end-1),d1) Megj.: Mivel most az alappontok ekvidisztánsak használhattuk volna a d1=diff(y)/h; utasítást is. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 3 / 42

h=0.001; x=0.1:h:2*pi; y=sin(3*x)./x; d1=diff(y)./diff(x); figure; plot(x(1:end-1),d1) 2 1 0-1 -2-3 -4 0 1 2 3 4 5 6 7 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 4 / 42

Az f függvény deriváltja: f (x) = 3 cos(3x) x sin(3x) x 2 Számítsuk ki ennek értékeit az x-ben adott helyeken, és ábrázoljuk az előző ábrán: >> fd1=3*cos(3*x)./x-sin(3*x)./x.^2; >> hold on; plot(x,fd1); hold off Kiszámíthatjuk mekkora a legnagyobb eltérés a d1 és fd1 elemei között. (Vigyázzunk, a d1 vektor eggyel kevesebb elemet tartalmaz, mint az fd1.) >> max(abs(fd1(1:end-1)-d1)) Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 5 / 42

h=0.001; x=0.1:h:2*pi; y=sin(3*x)./x; d1=diff(y)./diff(x); figure; plot(x(1:end-1),d1) fd1=3*cos(3*x)./x-sin(3*x)./x.^2; hold on; plot(x,fd1); hold off 2 d1 fd1 1 0-1 -2-3 -4 0 1 2 3 4 5 6 7 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 6 / 42

Feladat (1) Differenciáljuk az f (x) = sin(3x) x függvényt numerikusan úgy, hogy h értékét változtatjuk (pl. h = 0.01, h = 0.005, h = 0.001), és számítsuk ki a legnagyobb eltérést a derivált pontos értékétől. (2) Tegyük fel, hogy az f (x) = sin( 100 x ) függvény értékei h = 0.001 lépésközzel adottak a [0.5, 2π] intervallumon. Deriváljuk numerikusan a függvényt! Ábrázoljuk az eredményt a függvény tényleges deriváltjával közös ábrán. Magyarázzuk meg az eltérést a sin(3x) x fv-nél látottakhoz képest. (3) Tegyük fel ismét, hogy az f (x) = sin( 100 x ) függvény értékei h = 0.001 lépésközzel adottak a [0.5, 2π] intervallumon. Deriváljuk numerikusan a függvényt! A derivált közeĺıtését számoljuk a f (x) = lim h 0 f (x + h) f (x h) 2h összefüggés alapján. Mit tapasztalunk? Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 7 / 42

A második derivált közeĺıtése Matlab-bal Alkalmazzuk a diff függvényt kétszer egymás után. h=0.001; x=0.1:h:2*pi; y=sin(3*x)./x; d1=diff(y)./diff(x); d2=diff(d1)./diff(x(1:end-1)); figure; plot(x(1:end-2),d2) Másik lehetőség: használhatjuk a másodrendű differenciákat előálĺıtó diff(y,2) utasítást (ez ugyanaz, mint diff(diff(y))). Ekkor (felhasználva, hogy x-ben az alappontok most h lépésközzel követik egymást) h=0.001; x=0.1:h:2*pi; y=sin(3*x)./x; d2=diff(y,2)/h^2; figure; plot(x(1:end-2),d2) Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 8 / 42

Példák differenciálegyenletekkel megoldható feladatokra 1. Példa Egy tartályban 100 liter, 10 kg sót tartalmazó oldat van. A tartályba folyamatosan vizet vezetünk be, 5 litert percenként (feltételezzük, hogy a befolyó víz keverés következtében egyenletesen oszlik el a tartály egészében). A keverék ugyanilyen sebességgel folyik ki. Mennyi só marad a tartályban 1 óra múlva? Megoldás: y(t): a t-edik időpillanatban a tartályban lévő só mennyisége t idő alatt mennyit változik a só mennyisége? (Azaz mivel egyenlő y(t + t) y(t)?) A t-edik időpillanatban 5 liter oldatban 5 100y(t) kg só van. 5 Ha t elegendően kicsi, a tartályból t idő alatt 100y(t) t só távozik. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 9 / 42

Példák differenciálegyenletekkel megoldható feladatokra Az egyenlet: y(t + t) y(t) = 1 20 y(t) t, azaz Ha t 0, akkor A KDE megoldása: y(t + t) y(t) t y (t) = 1 20 y(t). y(t) = C e 1 20 t, = 1 20 y(t) ahol a C konstanst az y(0) = 10 kezdeti feltételből határozzuk meg: y(0) = C e 1 20 0 = C = 10, tehát y(t) = 10 e 1 20 t, és y(60) = 10 e 3 0.5 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 10 / 42

Iránymező Ha az előbb feĺırt y (t) = 1 20 y(t) egyenlet y(t) megoldása áthalad a sík (t 0, y 0 ) pontján, akkor ott a meredeksége 1 20 y 0. Rácsozzuk be a sík egy tartományát, és minden rácspontban rajzoljuk be a meredekséget megadó nyilat: 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 11 / 42

Iránymező Rajzoljuk rá az ábrára az y(0) = 10 kezdeti feltételhez tartozó megoldást: 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 12 / 42

Iránymező Ha a kezdeti feltétel y(0) = 7, illetve y(0) = 13 lenne: 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 13 / 42

Iránymező Matlab-bal A quiver függvény segítségével: Ha [T,Y] tartalmazza azokat a pontpárokat ahonnan a vektorokat indulnak, [dt,dy] a vektorok koordinátáit, akkor >> quiver(t,y,dt,dy) kirajzolja az iránymezőt. Általánosan az y (t) = f (t, y(t)) egyenlet iránymezeje: >> [T Y] = meshgrid(mint:stepsize:maxt, miny:stepsize:maxy); >> dy = f(t,y); >> dt = ones(size(dy)); >> quiver(t,y,dt,dy); Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 14 / 42

Példa Rajzoltassuk ki az y (t) = 1 20y(t) KDE iránymezejét a [0, 15] [0, 15] tartományban.,,rácsozzuk be a tartományt, mindkét irányban valamilyen, most pl. 1-es lépésközzel: >> t=0:15; y=0:15; >> [T,Y]=meshgrid(t,y); Ekkor T és Y is 16 16-os mátrix: T = 0 1... 14 15 0 1... 14 15. 0 1... 14 15 Y = 0 0... 0 0 1 1 1 1. 15 15... 15 15 (A T és Y mátrixokat,,egymásra helyezve megkapjuk az összes lehetséges (t i, y j ) párt) Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 15 / 42

A [T,Y] minden eleméhez álĺıtsuk elő a vektorokat: >> dy=-y/20; >> dt=ones(size(dy)); Rajzoltassuk ki az iránymezőt: >> quiver(t,y,dt,dy); Összefoglalva: >> t=0:15; y=0:15; >> [T,Y]=meshgrid(t,y); >> dy=-y/20; >> dt=ones(size(dy)); >> quiver(t,y,dt,dy); Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 16 / 42

Feladat (a) Rajzoltassa ki az y = x + y + 2 KDE iránymezejét a [ 4, 4] [ 6, 6] tartományon. (b) Ellenőrizze, hogy az y(x) = x 3 + k e x függvény (ahol k konstans) megoldja az egyenletet. (c) Rajzoltassa rá az iránymezőre az y(0) = 0, y(0) = 3, y(0) = 5 kezdeti feltételekhez tartozó megoldást. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 17 / 42

6 4 2 0-2 -4-6 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 18 / 42

Példák differenciálegyenletekkel megoldható feladatokra 2. Példa Egy csónak mozgása a víz ellenállásának hatására lassul. A csónak kezdősebessége 1.5 m/s, 4 s múlva pedig 1 m/s sebességgel halad. Mikorra csökken a sebessége 1 cm/s-ra, ha a víz ellenállása egyenesen arányos a csónak sebességével? Megoldás: v(t): a csónak sebessége a t-edik másodpercben (m/s) A KDE: v (t) = k v(t) A peremfeltételek: v(0) = 1.5 és v(4) = 1. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 19 / 42

Példák differenciálegyenletekkel megoldható feladatokra A KDE megoldása: Felhasználva a peremfeltételeket: v(t) = C e kt. v(0) = C e k 0 = C = 1.5, v(4) = 1.5 e k 4 = 1 = k = 1 4 ln 1 1.5 = 0.1014 Tehát a megoldás: v(t) = 1.5 e 0.1014t Mikor lesz a sebesség 1 cm/s, azaz 0.01 m/s? 0.01 = 1.5 e 0.1014t = t = 1 0.01 ln 0.1014 1.5 = 49.415 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 20 / 42

Szimbolikus megoldás Matlab-bal Példa Oldjuk meg az előző példában megjelenő differenciálegyenletet a Matlab dsolve függvényével! A dsolve(eqn) utasítással a szimbolikus alakban adott eqn egyenletet oldhatjuk meg. Az v (t) = k v(t) egyenletet szeretnénk megoldani, ehhez először definiáljuk a k és v(t) szimbolikus mennyiségeket: >> syms k v(t) Adjuk meg szimbolikusan az egyenletet: >> eqn= diff(v,t)==k*v Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 21 / 42

Szimbolikus megoldás Matlab-bal A megoldás a dsolve függvénnyel: >> dsolve(eqn) ans= C1*exp(k*t) A C1 konstans meghatározásához a v(0) = 1.5 feltételre is szükségünk van. >> syms k v(t); >> eqn= diff(v,t)==k*v; >> cond1= v(0)==1.5; >> dsolve(eqn,cond1) ans= (3*exp(k*t))/2 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 22 / 42

Feladatok (1) Egy test 10 perc alatt 100 C fokról 60 C fokra hűlt le. A környező levegő hőmérsékletét konstans 20 C foknak tekinthetjük. Mikor hűl le a test 25 C fokra, ha a test hűlésének sebessége egyenesen arányos a test és az őt körülvevő levegő hőmérsékletének különbségével? (2) Keressük meg azokat a görbéket, melyek esetében bármely érintőnek az x-tengellyel vett metszéspontja fele akkora, mint az érintési pont x-koordinátája. (3) Egy 10 liter vizet tartalmazó edénybe literenként 0.3 kg sót tartalmazó oldat folyik be folyamatosan 2 liter/perc sebességgel. Az edénybe belépő folyadék összekeveredik a vízzel és a keverék 2 liter/perc sebességgel kifolyik az edényből. Mennyi só lesz az edényben 5 perc múlva? (3) Egy 200 m 3 térfogatú szobában 0.15% szén-dioxid van. A ventillátor percenként 20 m 3 0.04% CO 2 tartalmú levegőt fúj a helyiségbe, Mennyi idő múlva csökken a szoba levegőjében a CO 2 mennyiség a harmadára? Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 23 / 42

Differenciálegyenletek osztályozása Feladat Válassza ki az alábbi egyenletek közül a közönséges, illetve a parciális differenciálegyenleteket! (a) x x x = y t 1, (b) x x x = cos(t) (c) y t y = 0 (d) aẍ = ẋ (e) T = kt (f) 1 z + 2 z = 2 1 z (g) x cos(t)x + x = e x Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 24 / 42

Differenciálegyenletek osztályozása Feladat Melyik lineáris és melyik nem az alábbi egyenletek közül? A nemlineáris esetben melyik a nemlinearitást okozó tag? (a) y = x + y + 2 (b) x xt 2 = 3t 3 (c) y y 2 x + x = 0 (d) x = x cos(t) + t 2 (e) x te x + sin(t) = 0 (f) u (1 + t) = u cos(t) u e t Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 25 / 42

Egyszerűen integrálható feladatok Feladat Adja meg a következő egyenletek általános megoldását! (a) x = sin(t) (b) y = 1 1+x (c) y = x + 2 (d) u = t(t + 1) (e) x = e t 3 (f) y = (2t + 1) 3 (g) x = cos(t) + t 2 e t Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 26 / 42

Szeparábilis differenciálegyenletek Feladat Oldja meg az alábbi egyenleteket, illetve kezdetiérték problémákat! (a) x = t x (b) y = e y+2 (c) u = u(u + 1) (d) y = 1 y és y(0) = 2 (e) y = x2 y+2 (f) (1 + x)yy = 1 (g) 3u + cos(x)u 2 = 0 és u(0) = 1 (h) t(t 1)x + x(x 1) = 0 Feladat Az előző feladatban szereplő egyenleteket oldja meg a Matlab dsolve függvényével! Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 27 / 42

Lineáris inhomogén differenciálegyenlet Példa Oldjuk meg az x(y y) = e x differenciálegyenletet! Megoldás: Az egyenletet átrendezve az y = y + ex x, x 0 inhomogén lineáris differenciálegyenletet kapjuk. Oldjuk meg az y = y homogén egyenletet! Ennek megoldása az y = C e x függvény, ahol C konstans. Konstans variálás: tekintsük a konstanst x-től függőnek: y = C(x) e x Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 28 / 42

Lineáris inhomogén differenciálegyenlet Helyettesítsünk vissza az eredeti egyenletbe: C (x) e x + C(x) e x }{{} y x = C(x) e } {{ } y + ex x Innen azaz ahol K konstans. A megoldás tehát: C (x) e x = ex x = C (x) = 1 x, C(x) = ln x + K, y = (ln x + K)e x Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 29 / 42

Lineáris inhomogén differenciálegyenlet Feladatok Oldja meg az alábbi egyenleteket! (1) y = x + y + 2 (2) xy 2y = 2x 4 (3) x 2 y + xy + 1 = 0 (4) y = 2x(x 2 + y) Feladat Oldja meg az előző egyenleteket a Matlab dsolve függvényével! Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 30 / 42

Bernoulli-féle differenciálegyenlet Példa Oldjuk meg az y + 2y = y 2 e x differenciálegyenletet. Megoldás: Az egyenlet y + g(x)y + h(x)y α = 0 alakú Bernoulli egyenlet (g(x) 2, h(x) = e x, α = 2), az y = 0 triviális megoldás. Szorozzuk meg az egyenletet (1 α)y α = y 2 -nal: y y 2 2 y = ex Legyen z = y 1 α = y 1. Ekkor z = y 2 y és Ez egy inhomogén lineáris egyenlet. z 2z = e x Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 31 / 42

A z 2z = 0 homogén egyenlet megoldása: z = C e 2x A konstans variálása: amiből azaz z = C e 2x + 2C e 2x C } e 2x + {{ 2C e 2x } 2 C }{{ e 2x } = e x = C e 2x = e x z z C = e x Az inhomogén egyenlet megoldása: Tehát az eredeti egyenlet megoldásai y = = C = e x + K z = e x + Ke 2x 1 e x + Ke 2x és y = 0 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 32 / 42

Bernoulli egyenlet Példa Oldjuk meg az előző y + 2y = y 2 e x Bernoulli egyenletet a Matlab dsolve függvényével. Megoldás. >> syms y(x) >> eqn=diff(y)+2*y==y^2*exp(x); >> dsolve(eqn) ans = 0 exp(-2*x)/(c5 + exp(-x)) Tehát 2 megoldást kaptunk: y 0 és y = Utóbbinak a számlálóját és a nevezőjét is e 2x -szel szorozva megkapjuk az 1 általunk kiszámolt megoldást: y =. Ce 2x +e x e 2x. C+e x Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 33 / 42

Bernoulli egyenlet Feladat Oldja meg az alábbi egyenleteket! (a) xy 2 y = x 2 + y 3 (b) y = y 4 cos(x) + y tan(x) (c) x 2 y + xy + y = 0 Feladat Oldja meg az előző egyenleteket a Matlab dsolve függvényével. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 34 / 42

Riccati egyenlet Példa Oldjuk meg az y = (2t 1)y + (1 t)y 2 t egyenletet, ha tudjuk, hogy y p 1 megoldás. Megoldás: Az egyenlet egy y = q 0 (t) + q 1 (t)y + q 2 (t)y 2 alakú ú.n. Riccati egyenlet: y = (2t 1) y + (1 t) y 2 }{{}}{{}}{{} t q 1 (t) q 2 (t) q 0 (t) Ha ennek ismert egy y p partikuláris megoldása, akkor tetszőleges y megoldás előáll y = u + y p alakban, ahol u a következő Bernoulli egyenlet megoldása: u = (q 1 (t) + 2q 2 (t)y p )u + q 2 (t)u 2 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 35 / 42

Ez az egyenlet most a következő alakú: u = (2t 1 + 2(1 t) 1)u + (1 t)u 2, azaz u = u + (1 t)u 2 A Bernoulli egyenlet megoldása: szorozzuk meg az egyenletet u 2 -vel: u 2 u = u 1 + t 1 Legyen z = u 1, ekkor z = u 2 u, és az egyenlet z = z + t 1, ami egy lineáris inhomogén egyenlet z-re. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 36 / 42

Oldjuk meg a z = z homogén egyenletet! Ennek megoldása: z = Ce t Konstans variálással oldjuk meg az inhomogén egyenletet: így azaz z = C e t Ce t C } e t {{ Ce t } = } Ce {{ t } +t 1 z z C e t = t 1 C = (t 1)e t C = te t 2e t + K így az inhomogén egyenlet megoldása: z = t 2 + Ke t Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 37 / 42

Az inhomogén egyenlet megoldása: z = t 2 + Ke t Ebből a Bernoulli egyenlet megoldása: u = 1 z = 1 t 2 + Ke t Így a Riccati egyenlet általános megoldása: y = u + y p = 1 t 2 + Ke t + 1 Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 38 / 42

Riccati egyenlet Példa Oldjuk meg az előző y = (2t 1)y + (1 t)y 2 t egyenletet a Matlab dsolve függvényével. Megoldás: >> syms y(t) >> eqn = diff(y)==(2*t - 1)*y + (1 - t)*y^2 - t; >> dsolve(eqn) ans = 1 exp(t)/(c6 + exp(t)*(t - 2)) + 1 e Két megoldást kaptunk: y 1 és y = t C+e t (t 2) + 1. Utóbbiban a tört számlálóját és nevezőjét e x -szel szorozva éppen az előbb kiszámolt megoldást kapjuk. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 39 / 42

Riccati egyenlet Feladat Oldja meg a következő Riccati egyenleteket a megadott partikuláris megoldások segítségével (a) y (x) + 2y(x)e x y 2 (x) = e 2x + e x, (b) y (x) y(x) x = y 2 (x) + 1 x 2, y p (x) = 1 x y p (x) = e x Feladat Oldja meg az előző egyenleteket a Matlab dsolve függvényével. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 40 / 42

Állandó együtthatós, másodrendű, közönséges, differenciálegyenletek Feladat Oldja meg a következő egyenletek közül a homogéneket kézzel illetve Matlabbal, az inhomogén egyenleteket Matlabbal! Utóbbi esetben ellenőrizze deriválással, hogy a kapott megoldás kielégíti-e az egyenletet! (a) y (x) y (x) 2y(x) = 0, (b) y (x) 4y (x) + 5y(x) = 0, (c) y (x) + 6y (x) + 9y(x) = 0, y(0) = 1, y (0) = 1, (d) y (x) + 3y (x) + 2y(x) = e 3x, (e) y (x) 2y (x) 3y(x) = e 4x, (f) y (x) y (x) = 2e x x 2, (g) y (x) 3y (x) + 2y(x) = sin x, (h) y (x) + 2y (x) 3y(x) = 0, (i) y (x) + y (x) 6y(x) = 5e 2x, y(0) = 0, y (0) = 1. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 41 / 42

Magasabb rendű egyenletek Feladat Írja át a következő magasabb rendű egyenleteket ekvivalens, egyenletrendszerekre! (a) y (x) y (x) = 0, y(0) = 3, y (0) = 1, y (0) = 1, (b) y (4) (x) y(x) = 0, (c) 2xy (x) + y (x) = 0, (d) 2y(x)y (x) = y (x), (e) y (x) = (y (x)) 2 y(x), (f) y (x) 8y(x) = 0, (g) y (4) (x) + 2y (x) + y(x) = 0, (h) y (x) 3y (x) + 3y (x) y(x) = 0, (i) xy (x) y (x) xy (x) + y(x) = 0. Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba Matematika Mérnököknek 2. 1.-2. Gyakorlat 42 / 42