DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Hasonló dokumentumok
DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

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

3. Lineáris differenciálegyenletek

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Differenciálegyenletek

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

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

Matematika III. harmadik előadás

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

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

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Differenciálegyenletek

Differenciaegyenletek

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Differenciálegyenletek december 13.

Differenciálegyenletek Oktatási segédanyag

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

x a x, ha a > 1 x a x, ha 0 < a < 1

6. Differenciálegyenletek

Differenciálegyenlet rendszerek

Határozatlan integrál

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

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

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Differenciaegyenletek a differenciálegyenletek

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

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

Polinomok maradékos osztása

A differenciálegyenlet általános megoldása az összes megoldást tartalmazó halmaz.

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)

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

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

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

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

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

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Differenciálegyenletek

Segédanyag az A3 tárgy gyakorlatához

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

8. Egyenletek, egyenlőtlenségek, egyenletrendszerek II.

5. fejezet. Differenciálegyenletek

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

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

Példatár Lineáris algebra és többváltozós függvények

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

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

Matematika (mesterképzés)

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

ALGEBRAI KIFEJEZÉSEK, EGYENLETEK

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

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Lineáris egyenletrendszerek

Határozatlan integrál (2) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Matematika A3 1. ZH+megoldás

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Bevezetés az algebrába 2

3. előadás Stabilitás

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

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

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

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

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Abszolútértékes és gyökös kifejezések Megoldások

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

= λ valós megoldása van.

I. feladatsor i i i i 5i i i 0 6 6i. 3 5i i

I. Fejezetek a klasszikus analízisből 3

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Intergrált Intenzív Matematika Érettségi

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

Elemi függvények. Matematika 1. előadás. ELTE TTK Földtudomány BSc, Környezettan BSc, Környezettan tanár október 4.

Elemi függvények. Matematika 1. előadás. ELTE TTK Földtudomány BSc, Környezettan BSc, Környezettan tanár 3. előadás. Csomós Petra

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

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Kalkulus. Komplex számok

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Differenciaegyenletek

Egyváltozós függvények 1.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Tartalomjegyzék. 3. Elsőfokú egyenletek és egyenlőtlenségek Elsőfokú egyenletek Valós szám abszolút értéke...

Matematika A1a Analízis

6. ELŐADÁS DIFFERENCIÁLSZÁMÍTÁS II. DIFFERENCIÁLÁSI SZABÁLYOK. BSc Matematika I. BGRMA1HNND, BGRMA1HNNC

Fourier sorok február 19.

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

a) A logaritmus értelmezése alapján: x 8 0 ( x 2 2 vagy x 2 2) (1 pont) Egy szorzat értéke pontosan akkor 0, ha valamelyik szorzótényező 0.

Matematika A1a Analízis

Határozatlan integrál, primitív függvény

Numerikus módszerek 1.

2018/2019. Matematika 10.K

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

Magasabbfokú egyenletek

Átírás:

BSC MATEMATIKA II. MÁSODRENDŰ LINEÁRIS DIFFERENCIÁLEGYENLETEK BSc. Matematika II. BGRMAHNND, BGRMAHNNC MÁSODRENDŰ DIFFERENCIÁLEGYENLETEK Egy explicit közönséges másodrendű differenciálegyenlet általános alakja a következő: y" x f x, y x, y ' x ahol a jobb oldal, tehát az f függvény az R 3, tehát a háromdimenziós tér egy T tartományában van értelmezve. Ennek megoldása során elvileg két alkalommal integrálunk, tehát adódik a megoldás során két integrációs konstans: C 1 és C. Így az általános megoldás ugyancsak végtelen sok függvény, de ezek a függvények két szabad paramétertől függenek, y = y(x, C 1, C ) tehát ebben az esetben az általános megoldás egy kétparaméteres függvénysereg. 1

MÁSODRENDŰ DIFFERENCIÁLEGYENLETRE VONATKOZÓ CAUCHY-FELADAT Egy másodrendű differenciálegyenlet általános megoldása két független integrációs állandót tartalmaz. Ezek meghatározásához két kezdeti feltételre van szükség. A kezdeti érték probléma alakja szokás szerint a következő: 0 y0; ; y" x f x, y x, y ' x ; y x y x y 0 1 Előírjuk tehát, hogy a megoldásfüggvény haladjon át az (x 0, y 0 ) ponton és ebben a pontban a megoldásfüggvény érintőjének a meredeksége legyen y 1. PÉLDÁK MÁSODRENDŰ DIFFERENCIÁLEGYENLETRE 1. A harmonikus rezgőmozgás differenciálegyenlete: D y" y 0; m. A csillapított rezgőmozgás differenciálegyenlete: D k y" y ' y 0;, m m 3. A gerjesztett (és csillapított) rezgőmozgás differenciálegyenlete: D k F y" y ' y f sin t;,, f m m m 0 0 0

MÁSODRENDŰ ÁLLANDÓ EGYÜTTHATÓJÚ LINEÁRIS DIFFERENCIÁLEGYENLET Másodrendű állandó együtthatójú lineáris differenciálegyenletnek nevezzük az ay + by + cy = g(x) differenciálegyenletet, ahol a,b,c R, a 0, g(x), x I pedig folytonos függvény. Megjegyzés: Ha az együtthatók nem állandók hanem függvények, tehát az egyenlet alakja y" f x y ' f x y g x ; 1 akkor nem létezik általános módszer a megoldás előállítására! A MÁSODRENDŰ ÁLLANDÓ EGYÜTTHATÓJÚ HOMOGÉN LINEÁRIS DIFFERENCIÁLEGYENLET MEGOLDÁSA Megoldandó az ay + by + cy = 0, a,b,c R, a 0 másodrendű homogén lineáris differenciálegyenlet. Az elsőrendű eset megoldását alapul véve, megpróbáljuk a másodrendű egyenletet kielégíteni egy y( x) e x alakú próbafüggvénnyel. A kérdés nyilván az, hogy létezik-e olyan λ valós vagy komplex szám, amelyre ez a függvény megoldása a homogén egyenletnek. 3

A KONSTANS MEGHATÁROZÁSA A próbafüggvényt kétszer kell deriválni: x x x y( x) e ; y'( x) e ; y"( x) e Ha ezeket a deriváltakat helyettesítjük az ay + by + cy = 0, a,b,c R, a 0 differenciálegyenletbe, és az egyenletet elosztjuk a nullától különböző e λx tényezővel, akkor az alábbi algebrai másodfokú egyenletet kapjuk. aλ + bλ + c = 0 Ezt az egyenletet a homogén lineáris differenciálegyenlet karakterisztikus egyenletének nevezzük. A HOMOGÉN RENDSZER MEGOLDÁSAINAK SZERKEZETE Tegyük fel, hogy az y 1 (x) és y (x) függvények az I intervallumon olyan megoldásai az y + f 1 (x) y + f (x) y = 0 (x I) differenciálegyenletnek, amelyekre teljesül, hogy egyik sem konstansszorosa a másiknak. Ekkor tetszőleges C 1, C R állandók esetén a y há (x) = C 1 y 1 (x) + C y (x) függvény a differenciálegyenlet megoldása, és fordítva a differenciálegyenlet minden megoldása előállítható ilyen alakban. Ez tehát az egyenlet általános megoldása (Ez az állítás akkor is igaz, ha az együtthatók nem állandók!) 4

A KARAKTERISZTIKUS EGYENLET DISZKRIMINÁNSA POZITÍV 1. eset: D = b 4ac > 0. Ekkor két különböző valós gyök létezik: b D b D 1 ; ; a a ekkor a két megoldás 1x x 1( ) ; ( ) y x e y x e Az egyenlet általános megoldása: 1x x 1 1 y( x) C e C e ; C, C R A KARAKTERISZTIKUS EGYENLET DISZKRIMINÁNSA ZÉRUS. eset: D = b 4ac = 0. Ekkor két egybeeső valós gyök létezik: b ; a ekkor egyszerű helyettesítéssel igazolható, hogy a két megoldás x 1 y ( x) e ; y ( x) xe x Az egyenlet általános megoldása pedig: x x 1 1 y( x) C e C xe ; C, C R 5

A KARAKTERISZTIKUS EGYENLET DISZKRIMINÁNSA NEGATÍV 3. eset: D = b 4ac < 0. Ekkor két konjugált komplex gyök létezik: b D b 1 D b i D 1 i a a a ekkor az Euler-formula szerint komplex függvény adódik megoldásként x ix x ix y( x) e e e e x x x e cosx i sin x e cosx i e sin x Ennek a komplex függvénynek mind a valós mind a képzetes része megoldás. Az egyenlet általános megoldása pedig: x x x y x C e cosx C e sinx e C cosx C sin x ; C, C R 1 1 1 PÉLDÁK Oldjuk meg az alábbi másodrendű állandó együtthatójú homogén lineáris differenciálegyenleteket. 1. y y 15y 0;. 9y 6y y 0; 3. y 4y 9y 0; 6

FELADATOK MEGOLDÁSA Megoldások: 1. y y 15y 0; A karakterisztikus egyenlet: 15 0; Megoldások: 3, 5; 1 Az általános megoldás : y C e C e ; C, C R;. 9y 6y y 0; 3x 5x 1 1 A karakterisztikus egyenlet: 9 6 1 0; Megoldás: 1 3; 1 1 x x 3 3 Az általános megoldás : y C e C xe ; C, C R; 3. y 4y 9y 0; 1 1 A karakterisztikus egyenlet: 4 9 0; Megoldások: 5 i; 1, x Az általános megoldás : y e C1 cos 5x C sin 5 x ; C1, C R; AZ INHOMOGÉN LINEÁRIS DIFFERENCIÁLEGYENLET MEGOLDÁSÁNAK SZERKEZETE Alaptétel: Tegyük fel, hogy az hogy az y 1 (x) és y (x) függvények az I intervallumon olyan megoldásai az ay + by + cy = 0 (xi) homogén lineáris differenciálegyenletnek melyek közül egyik sem konstansszorosa a másiknak. Az y ip (x) függvény pedig legyen az ay + by + cy = g(x) (x I) inhomogén lineáris differenciálegyenlet egy tetszőleges partikuláris megoldása. Ekkor tetszőleges C 1, C R állandók esetén az y iá (x) = C 1 y 1 (x) + C y (x) + y ip (x) függvény az inhomogén differenciálegyenlet megoldása, és fordítva a differenciálegyenlet minden megoldása előállítható ilyen alakban. Tehát ismét igaz, hogy y iá (x) = y há (x) + y ip (x) 7

AZ INHOMOGÉN EGYENLET EGY PARTIKULÁRIS MEGOLDÁSÁNAK ELŐÁLLÍTÁSA A próbafüggvény módszere (vagy kísérletező módszer): Olyan próbafüggvényt választunk, amely hasonlít a jobboldali g(x) függvényre és tartalmaz szabad paramétereket. Ez utóbbiakat az egyenletbe történő helyettesítéssel határozzuk meg. A módszer akkor használható, ha a jobb oldalon polinom, exponenciális (hiperbolikus) függvény, trigonometrikus függvény, vagy ilyenek szorzata áll. A JOBB OLDALON N-ED FOKÚ POLINOM ÁLL Keressük egy partikuláris megoldását az n n1 n n1 1 0 n ay" by ' cy a x a x... a x a ; a, a 0 egyenletnek. 1. Ha c 0, akkor kereshetjük a megoldást n n 1 y x q x A x A x... A x A ip n n n1 1 0 alakban.. Ha c = 0 de b 0 akkor a megoldás alakja n n1 n... y x x A x A x A x A xq x ip n n1 n 0 n 3. Ha pedig c = b = 0, akkor a megoldás alakja n n 1 n... y x x A x A x A x A x q x ip n n1 n 0 n 8

A JOBB OLDALON EGY N-ED FOKÚ POLINOMNAK ÉS EGY EXPONENCIÁLIS FÜGGVÉNYNEK A SZORZATA ÁLL Keressük egy partikuláris megoldását az 1 1 1 0 x n n x n n n n ay" by ' cy p x e a x a x... a x a e ; a, a 0 egyenletnek. Ha az exponenciális függvény α kitevője nem gyöke a homogén egyenlet karakterisztikus polinomjának, azaz k a b c 0 akkor létezik megoldás az alábbi alakban: 1 1... 1 0 x n n x ip n n n y x q x e A x A x A x A e EXPONENCIÁLIS REZONANCIA Ha az exponenciális függvény α kitevője egyszeres vagy kétszeres gyöke a homogén egyenlet karakterisztikus polinomjának ( Egyszeres ill. kétszeres rezonancia ). Ekkor a karakterisztikus polinomok gyöktényezős alakja rendre: és k a b c a k a b c a a Ekkor létezik megoldás rendre az alábbi alakban. 1 1 1 0 1 1... 1 0 x n n x ip n n n y x x q x e x A x A x... A x A e ; x n n x ip n n n y x x q x e x A x A x A x A e ; 9

A JOBB OLDALON EGY POLINOM FÜGGVÉNYNEK, EGY EXPONENCIÁLIS FÜGGVÉNYNEK ÉS EGY KOSZINUSZ /SZINUSZ FÜGGVÉNYNEK A SZORZATA ÁLL Keressük egy partikuláris megoldását az egyenleteknek. 1 1 1 0 1 1 1 0 x n n x n n n n ay" by ' cy p x e cos x a x a x... a x a e cos x; a, a 0; x n n x n n n n ay" by ' cy p x e sin x a x a x... a x a e sin x; a, a 0 Ha az α + iβ és α iβ komplex szám nem gyöke a homogén egyenlet karakterisztikus polinomjának, akkor létezik megoldás az alábbi alakban x cos y x e Q x x R x sinx ip n n alakban, ahol Q n (x) és R n (x) n-ed fokú polinomok. TRIGONOMETRIKUS REZONANCIA Ha az α + iβ és α iβ komplex szám gyöke a homogén egyenlet karakterisztikus polinomjának ( szinuszos rezonancia ), akkor létezik megoldás az alábbi alakban x cos y x xe Q x x R x sinx ip n n alakban, ahol Q n (x) és R n (x) n-ed fokú polinomok. (Másodrendű egyenlet esetében nem létezik kétszeres szinuszos rezonancia, mert egy valós együtthatójú egyenlet gyökei mindig konjugált komplex számok, kétszeres komplex gyök esetén a fokszám legalább 4 kell, hogy legyen.) 10

PÉLDÁK Oldjuk meg az alábbi másodrendű állandó együtthatójú inhomogén lineáris differenciálegyenleteket. 3 1. 9y 1y 4y 4 x ;. y y y x ; 3. y 6y 9y 1sin x; x 4. y y 6y 10 e ; 5. y 6y 9y ch 3 x; x 6. y y 5y 8e 10x 1; 7. y 9y sin 3 x; Az 1. és. feladat megoldása előadáson. FELADATOK MEGOLDÁSA 3.Feladat : y 9y sin 3 x; 1.lépés : y 9y 0; A karakterisztikus egyenlet: 9 0; Megoldás: 3i 0 3 i; Az általános megoldás : y C cos3x C sin 3 x; C, C R; 1 1.lépés : a próbafüggvény (trigonometrikus rezonancia esete) : y x Ax cos3x Bxsin 3 x; y A cos3x B sin 3x 3Ax sin 3x 3Bx cos3 x; y 3A sin 3x 3B cos3x 3Asin 3x 3B cos3x 9Ax cos3x 9Bx sin 3 x; Helyettesítve, majd rendezve csökkenő hatványok szerint: y 9y 6A sin 3x 6B cos3x 9Ax cos3x 9Bx sin 3x 9 Ax cos3x Bx sin 3x sin 3 x; 6Asin 3x 6B cos3x sin 3 x; A két oldalon az együtthatóknak rendre meg kell egyezni. Ebből adódik, hogy: A= 1 6; B=0; ip ip Tehát a partikuláris megoldás: y x y x 1 6 xcos3 x; Az általános megoldás: y x C cos3x C sin 3x 1 6 x cos3 x; C, C R; ip ip 1 1 11

ÚTMUTATÁS A FELADATOK MEGOLDÁSÁHOZ Útmutatás: x 4. y y 6y 10 e ;, 3 miatt egyszeres exponenciális rezonancia. 1 x Próbafüggvény : yip x Axe ; Általános megoldás: y x C e C e xe ; iá x 3x x 1 ÚTMUTATÁS A FELADATOK MEGOLDÁSÁHOZ Útmutatás: 5. y 6y 9y 1sin x; Nincs rezonancia. 3x 3x y x C e C xe x x Próbafüggvény : y x Asin x B cos x; ip Általános megoldás: 0, 4 4sin 3cos ; iá 1 1

ÚTMUTATÁS A FELADATOK MEGOLDÁSÁHOZ Útmutatás: x 6. y y 5y 8e 10x 1; Nincs rezonancia. Ha a jobboldal többtagú, akkor minden taghoz külön-külön keresünk próbafüggvényt. x Próbafüggvény : y x Ae Bx C; ip x x Általános megoldás: y x e C cos x C sin x e x iá 1 3 ; 5 ÚTMUTATÁS A FELADATOK MEGOLDÁSÁHOZ Útmutatás: 4x 7. y 8y 16y 4e 16 x; 1, 4 miatt kétszeres exponenciális rezonancia. Ha a jobboldal többtagú, akkor minden taghoz külön-külön keresünk próbafüggvényt. 4x Próbafüggvény : yip x Ax e Bx C; 4x 4x 4x 1 Általános megoldás: yiá x C1e Cxe x e x ; 13