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

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

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Differenciálegyenletek december 13.

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Differenciálegyenletek

Differenciálegyenletek

Matematika III. harmadik előadás

3. Lineáris differenciálegyenletek

differenciálegyenletek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Bevezetés a zika matematikai egyenleteibe

r a sugara, h a magassága a hengernek a maximalizálandó függvényünk a V (r, h) = πr 2 h. Az érintkezési pontokban x 2 + y 2 = r 2 és z = h/2.

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

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

5. fejezet. Differenciálegyenletek

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

6. Differenciálegyenletek

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

1. Bevezetés Differenciálegyenletek és azok megoldásai

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

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

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

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

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

2014/2015. tavaszi félév

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Differenciálegyenletek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Differenciálegyenletek Oktatási segédanyag

Közönséges differenciálegyenletek

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

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

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

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

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

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

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Közönséges differenciálegyenletek

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

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 =,

Többváltozós függvények Feladatok

8. előadás. Kúpszeletek

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

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

Serret-Frenet képletek

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Dierenciálhányados, derivált

Differenciaegyenletek a differenciálegyenletek

Matematika A1a Analízis

A brachistochron probléma megoldása

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!

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

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Függvények vizsgálata

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

Analízis 1. tárgyban tanult ismeretekre épül, tehát ismertnek tekintjük

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

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.

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

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Az elméleti mechanika alapjai

Segédanyag az A3 tárgy gyakorlatához

11. gyakorlat megoldásai

Reakciókinetika és katalízis

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

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Differenciálegyenlet rendszerek

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

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

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

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)

11. gyakorlat megoldásai

Matematika A3 1. ZH+megoldás

3. Elsőrendű differenciálegyenletek

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

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)

2. sillabusz a Többváltozós függvények kurzushoz

Differenciál egyenletek

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

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

1. Az előző előadás anyaga

Óravázlatok: Matematika 2.

Differenciálegyenletek a mindennapokban

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

3. előadás Stabilitás

Tananyag. Amikor ez nem sikerül (vagy nem érdemes előállítani a megoldás képletét, mert pl. nagyon

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

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

Műszaki matematika 1

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

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

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

Átírás:

Közönséges differenciálegyenletek Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait. Célunk a függvény meghatározása Egyetlen független változó közönséges differenciálegyenletről beszélünk. y = y(x), y dy dx, y = dy dx = d 2 y dx,, y (n) = d n y 2 dx n Többváltozós függvény és legalább két különböző változó szerinti derivált parciális differenciálegyenlet. z = z(x, y), másodrendű parciális derivált z x zx, 2 z x y = zxy, 2 z y 2 zyy

explicit alak y = f (x, y) y = f (x, y, y )... y (n) = f (x, y, y,..., y (n 1) ) implicit alak F (x, y, y ) = 0 F (x, y, y, y ) = 0 y(x) =?... F (x, y, y,..., y (n) ) = 0 y = f (x, y), I = (a, b), y C 1 (I ) y az I -n értelmezett folytonosan deriválható (sima) függvény.

Mire jó? keressük a mennyiségi összefügést x és y között folytonos kapcsolatot képzelünk el csak a változásuk kapcsolatáról tudunk mondani valamit x y példa: populáció növekedés n n t

Példa Súrlódó közegben, homogén gravitációs térben, függőleges (a gravitációs tér erővonalaival párhuzamos) irányban mozgó részecske: m dv dt = mg γv, v a részecske sebessége, m a tömege, g a gravitációs gyorsulás, γ a közegellenállási együttható. v(t) =? Explicit és implicit formában: v = γv mg, illetve v + γv + mg = 0.

Példa Egy elektromosan töltött és fonállal rögzített golyót függőleges irányú és időben változó erősségű elektrosztatikus térbe helyezünk. Írjuk fel a mozgás differenciálegyenletét, feltételezve, hogy a fonal mindig kifeszült állapotban van (sugárirányú sebessége nulla). l a fonal hossza, m a részecske tömege, q a töltése, E(t) az ismert elektromos térerősség: ahonnan ml d 2 θ = (qe(t) mg) sin θ, dt2 ( θ g + qe(t) ) sin θ = 0. l ml

Példa Áramkör: feszültségforrás (E(t)), egy ohmikus ellenállás (R), egy tekercs (L) és egy kondenzátor C van sorbakötve. U R, U L, U C a három feszültségesés. Kirchhoff második törvénye értelmében V (t) = U R (t) + U L (t) + U C (t). (1) U R = RI, U L = L di dt, du C dt = I C, LI + RI + I C = f, f (t) = V (t)

Példa y = y, y =? y = Ce x = ±e x x 0.

Példa y = x, y =? y = x 2 2 + C

Példa x + yy = 0, y =? y = x y yy = 1 2 ( y 2) = x x 2 + y 2 = C

y = f (x, y) egyenlet általános megoldása az y = y(x, C) függvénycsalád. C-tetszőleges állandó. Az egyenlet megoldását egy állandó erejéig tudjuk meghatározni. Amennyiben a talált megoldásban nem szerepel egy állandó, amit folytonosan lehet változtatni partikuláris megoldás Egy plusz feltétel kiróvásával rögzíthető a C integrálási állandó és egyértelműsíthető a megoldás pl. kezdeti feltétel = Cauchy-feltétel: y(x 0 ) = y 0 Létezési és unicitási tétel Az y = f (x, y) egyenletre vonatkozóan ha az f függvény és f / y folytonos valamely x a, y b téglalapon belül, akkor az egyenletnek létezik egyértelmű y(x, C) típusú megoldása a x h a intervallumon.

Elsőrendű differenciál egyenletrendszer 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). y 1(x), y 2(x),..., y n(x) =?

Y = F(x, Y) Y : I R R n, F : I R R n R n n dimenzióban értelmezett differenciálegyenlet. Ennek megoldása Y = Y(x, C), C R n azaz A Cauchy feltétel azaz y i = y i (x, C 1, C 2,..., C n), i = 1, 2,..., n Y(x 0) = Y 0 y i (x 0) = y i0, i = 1, 2,... n

Egy n-ed rendű differenciálegyenlet visszavezethető egy n darab elsőrendű diffenciálegyenletre. Legyen y (n) = f (x, y, y,..., y (n 1) ) Vezessük be az y 1, y 2,..., y n függvényeket a következőképpen: y 1(x) = y(x) y 2(x) = y (x) y 3(x) = y (x)... y n(x) = y (n 1) (x) y 1 = y 2, y 2 = y 3,... y n = f n(x, y 1, y 2,..., y n). Kezdeti feltételek y 10 y 1(x 0) = y(x 0) y 0 y 20 y 2(x 0) = y (x 0) y 0 y 30 y 3(x 0) = y (x 0) y 0 y n0 y n(x 0) = y (n 1) (x 0) y (n 1) 0

Példa Egy N anyagi pontból álló mechanikai rendszer: ( d 2 r i m i dt = F 2 i t, r 1,..., r N ; dr1 dt,..., dr ) N dt Tekintsük az, i = 1, N. (x a) 2 + (y b) 2 = r 2, a, b R, r R + (2) körcsaládot. Egyedüli paraméter a sugár Kétszer deriválva az egyenletet: x a + (y b)y = 0, 1 + y 2 + (y b)y = 0. A fenti két egyenletből kifejezhetők az x a és y b mennyiségek. Ezeket behelyettesítve (2)-be az y (1 + y 2 ) 3/2 = 1 r

Példa A másodfokú síkgörbék általános egyenlete: ax 2 + 2bxy + cy 2 + 2dx + 2ey + f = 0, a, b, c, d, e, f R Ha c 0 és γ = b 2 ac 0 (ellipszis, hiperbola vagy metsző egyenesek), y = αx + β ± γx 2 + 2δx + ɛ, y = γɛ δ 2 (γx 2 + 2δx + ɛ) 3/2, vagy (y ) 2/3 = γx 2 + 2δx + ɛ (γɛ δ 2 ) 2/3. [ (y ) 2/3] = 0. Ha γ = 0 (parabola vagy párhuzamos egyenesek), akkor y = αx + β ± 2δx + ɛ, (y ) 2/3 = 2δx + ɛ δ 4/3, [ (y ) 2/3] = 0.

Szétválasztható változójú differenciálegyenletek y (x) = dy = f (x) dy = f (x)dx dx y = f (x)dx + C y(x 0) = y 0 = F (x 0) + C C = y 0 F (x 0) y(x) = F (x) + (y 0 F (x 0)) Példa y y 0 = F (x) F (x 0) = x x 0 f (ξ)dξ y = 3 sin x, y(0) = 1, y(x) =? x y(x) = 1 + 3 sin ξdξ = 1 3(cos x 1) = 3 cos x + 4 0

y = g(y) dy dx = g(y) dy = dx x = G(y) + C g(y) dy G(y) = g(y) Példa y(x) = G 1 (x C) y = 2y, y(0) = 1 dy y log y = 2x + C = 2dx y(x) = e C e 2x = Ce 2x 1 = Ce 0 C = 1 y(x) = e 2x

y = f (x)g(y) Példa dy dx = f (x)g(y), y dy g(y) = f (x)dx y 0 dη g(η) = x x 0 y(x0) = y0 f (ξ)dξ y = 3 y x dy dx = 3 y 3 x y 3 dy 3 + dx y 3 = 0 x y 0 2 η2/3 x dη dξ 3 + η 3 = 0 x 0 ξ y + 3 x y 0 2 ξ2/3 = 0 x 0 y 2/3 + x 2/3 = y 0 2/3 + x 0 2/3 = C

Elsőrendű homogén differenciálegyenletek y(x) helyett az u(x) függvényt ( y y ) = f x y x = u(x) y(x) = xu(x) y = u + xu (3) u + xu = f (u) u du dx = f (u) u x du f (u) u = dx x u-ban, x-ben szétválasztható egyenlet megoldjuk u(x)-ben visszahelyettesítjük a (3)-be.

Példa y = y 3 x 3 = y xy 2 x x 2 y 2 y x = u y = xu y = u + xu = u 1 u 2 x du dx = 1 u 2 u 2 du = dx x u3 3 = log x + C ec x = e u 3 /3 u 3 = 3(C + log x) u = 3 3(C + log x) y(x) = x 3 3(C + log x)

Sajátos eset: y = f ( ) ax + by = f a + b y x cx + dy c + d y x y x = u y = xu y = u + xu = f x du dx = f f ( ) a + bu u c + du du ( ) = dx a + bu x u c + du ( a + bu(x) c + du(x) )

Általánosabban: ( ) y a1x + b 1y + c 1 = f a 2x + b 2y + c 2 x = ξ + x 0, x 0 =? y = η + y 0, y 0 =? Úgy kell megválasztani a transzformációt, hogy a c 1 és c 2 tűnjön el, azaz a 1ξ + b 1η + a 1x 0 + b 1y 0 + c 1 a1ξ + b1η a 2ξ + b 2η + a 2x 0 + b 2y 0 + c 2 a 2ξ + b 2η a 1x 0 + b 1y 0 + c 1 = 0 x0 =... y0 =... a 2x 0 + b 2y 0 + c 2 = 0 ( ) a1ξ + b 1η = f a 2ξ + b 2η y = dy dx = dη dξ = f a 1 + b 1 η ξ a 2 + b 2 η ξ Az η ξ = u változó cserét alkalmazva η = ξu η = u + ξu tehát : ξu = f ( ) a1 + b 1u u u(ξ) =.... a 2 + b 2u

Példa y = 4x y + 7 4x0 y0 + 7 = 0, 2x0 + y0 1 = 0; x0 = 1, y0 = 3; 2x + y 1 y = η+y 0 = η+3, x = ξ+x 0 = ξ 1; η = dη dξ = 4ξ η 2ξ + η = 4 η ξ 2 + η ; ξ ξu = 4 u 4 3u u2 u = = ξ du 2 + u 2 + u dξ dξ u 2 +3u 4 = (u+4)(u 1) dξ ξ = 2 + u (u + 4)(1 u) du = A = 2 5, B = 3 5 dξ ξ = 1 5 ξ 5 = ( 2du u + 4 + 3du 1 u 1 (u + 4) 2 (1 u) 3 C ξ5 (u+4) 2 (1 u) 3 = C ξ 5 ξ = 2 + u 4 3u u du 2 ( A u + 4 + B 1 u η ξ = u, η = ξu ) du A+4B ) ln ξ = 2 5 ln u+4 3 ln 1 u 5 ( ) 2 ( η ξ + 4 1 η ) 3 = C ξ (η + 4ξ) 2 (ξ η) 3 = C (y 3 + 4(x + 1)) 2 (x + 1 y + 3) 3 = C Az eredmény : (4x + y + 1) 2 (x y + 4) 3 = C.