MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Like dokumenter
MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Differensjalligninger av førsteorden

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Repitisjon av Diverse Emner

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

e x = 1 + x + x2 2 + R 2(x), = e 3! ( 1) n x n = n! n=0 y n+1 = y 0 + f(t, y n (t)) dt 1 dt = 1 + x (1 + t) dt = 1 + x x2

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

NTNU. TMA4100 Matematikk 1 høsten Løsningsforslag - Øving 12. Avsnitt Ved Taylors formel (med a = 0) har vi at. 24 For x < 0 har vi at

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 10

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Løsningsforslag, eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

UNIVERSITETET I BERGEN

Løsningsskisser til oppgaver i Kapittel Integrerende faktor

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, V08

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN, MAT 1001, HØSTEN (x + 1) 2 dx = u 2 du = u 1 = (x + 1) 1 = 1 x + 1. ln x

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, VÅR 09

Differensialligninger

Differensiallikninger Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag eksamen i TMA4100 Matematikk desember Side 1 av 7

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

R2 - kapittel 5 EF og 6 ABCD

TMA4110 Matematikk 3 Høst 2010

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

Fasit til eksamen i emnet MAT102 - Brukerkurs i matematikk II Mandag 21.september 2015

UNIVERSITETET I BERGEN

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

3.1 Første ordens lineære difflikninger. y + f(x)y = g(x) (3.1)

UNIVERSITETET I BERGEN

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I MA0001 BRUKERKURS A Tirsdag 14. desember 2010

Oppsummering MA1101. Kristian Seip. 23. november 2017

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT1050, vår 2019

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

MAT Vår Oblig 2. Innleveringsfrist: Fredag 23.april kl. 1430

NTNU Institutt for matematiske fag. TMA4100 Matematikk 1 høsten Løsningsforslag - Øving 8. Oppgave 1. Oppgave 2

Løsningsskisser - Kapittel 6 - Differensialligninger

Heldagsprøve R

Difflikninger med løsningsforslag.

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

d) Vi skal nne alle lsningene til dierensialligningen y 0 + y x = arctan x x pa intervallet (0; ). Den integrerende faktoren blir R x e dx = e ln x =

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsning av utvalgte øvingsoppgaver til Sigma R2 kapittel 5

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Som vanlig er enkelte oppgaver kopiert fra tidligere års løsningsforslag. Derfor kan notasjon, språk og stil variere noe fra oppgave til oppgave.

TMA4100 Matematikk 1, 4. august 2014 Side 1 av 12. x 2 3x +2. x 2

Eksamen IRF30014, høsten 15 i Matematikk 3 Løsningsforslag

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Institutt for Samfunnsøkonomi

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Mandag 29. mai 2000, kl Løysingsforslag:

UNIVERSITETET I OSLO

Prøveeksamen i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

Separable differensiallikninger.

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit, Separable differensiallikninger.

EKSAMEN I MATEMATIKK 1000

MA forelesning

Løsningsforslag: Eksamen i Brukerkurs for informatikere MA 0003, onsdag 30. november 2005

UNIVERSITETET I OSLO

Oppfriskningskurs Sommer 2019

Løsningsforslag til eksamen i TMA4105 matematikk 2,

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2015

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag eksamen i TMA4123/25 Matematikk 4M/N

EKSAMEN BOKMÅL STEMMER. DATO: TID: OPPG. SIDER: VEDLEGG: 3 desember :00-13: FAGKODE: IR Matematikk 1

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

Løsningsforslag til Eksamen i MAT111

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Areal - difflikninger - arbeid Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

SIF5025: Differensiallikninger og dynamiske systemer

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TMA4165 DIFFERENSIALLIGNINGER OG DYNAMISKE SYSTEMER

3x + 2y 8, 2x + 4y 8.

MA0002 Brukerkurs i matematikk B. Eksamen 28. mai 2016 Løsningsforslag. Oppgave 1

SIF5005 Matematikk 2, 13. mai 2002 Løsningsforslag

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag MA000 Brukerkurs i matematikk B Vår 016 Separable og førsteordens lineære differensialligninger En differensialligning er separabel hvis den kan skrives på formen y x) = fy)gx). 0.1) En differensialligning er førsteordens lineær hvis den kan skrives på formen y x) + px)yx) = qx). 0.) Strategi for å løse separable differensialligninger. Ettersom = y x) = fy)gx), har vi formelt at = gx). Variablene er separert og integrering gir F y) := fy) = gx) =: Gx) 1 der F y) er en antiderivert til fy) og Gx) er en antiderivert til gx). Invertér funksjonen F. Dvs. løs ligningen F y) = Gx) med hensyn på y. Dette vil gi den generelle løsningen til 0.1): yx) := F 1 Gx)). fy) Strategi for å løse førsteordens lineære differensialligninger. Gjør følgende: 1. Finn en antiderivert, µx), til px).. Derivér uttrykket yx)e µx) med hensyn på x. Dette vil gi d yx)e µx)) = y e µ + ye µ µ = y e µ + ye µ p = y + py)e µ = qe µ.. februar 016 Side 1 av 8

Altså er yx)e µx) = qx)e µx), eller yx) = e µx) qx)e µx). 1 Løs differensialligningen y = 3 a) som en førsteordens lineær differensialligning. b) som en separabel differensialligning. c) Finn den unike løsningen til differensialligningen som har en graf som går igjennom punktet x, y) = 0, 1). Løsning: a) Vi ser at differensialligningen står på standardformen y + py = q der px) = og qx) = 3. Vi setter µx) = x slik at µ = p og beregner d yeµ ) = d ye x ) = y e x + ye x ) = y y)e x = 3e x. Dermed er ye x = 3e x = 3 e x + C og vi deler med e x på begge sider og finner at generell løsning er yx) = Ce x 3. b) Differensialligningen kan omskrives til så = 3 + y, 3 + y =.. februar 016 Side av 8

Vi integrerer og finner at x + C 1 = = 1, SUB: u = 3 + y, du = 3 + y du u = 1 ln u = 1 ln 3 + y. ln 3 + y = x + C, 3 + y = e x+c, 3 + y = C 3 e x der C 3 = ±e C. Altså er yx) = Ce x 3 som er den samme klassen av funksjoner som vi fant i oppgave a). c) Vi skal altså løse initialverdiproblemet IVP) y = 3, y0) = 1. Generell løsning er yx) = Ce x 3, så når x = 0 er Dvs. C = 1/ og løsningen blir da 1 = y0) = Ce 0 3 = C 3. yx) = ex 3. Løs initialverdiproblemet + y cos x = xe sin x, yπ) = 0. Løsning: Dette er en førsteordens lineær differensialligning der px) = cos x og qx) = xe sin x. Vi setter µx) = sin x og finner at d ye sin x ) = y e sin x + ye sin x cos x = y + y cos x)e sin x = xe sin x e sin x = x.. februar 016 Side 3 av 8

Så ye sin x = x = x + C. INIT: 0 = yπ)e sin π = π + C C = π og vi har at løsningen er yx) = x π )e sin x. 3 Finn den generelle løsningen til differensialligningen dn dt + N t = 1 t. Løsning: Igjen er ligningen førsteordens og lineær med pt) = /t og qt) = 1/t. Vi setter µt) = ln t = ln t og finner at d Ne ln t) = d dt dt Nt ) = N t + Nt = N + N t = 1 t t = 1. ) t Så Nt = dt og den generelle løsningen er dermed gitt ved = t + C Nt) = 1 t + C t. 4 Finn en funksjon y slik at og y 1) = 1/. xy x) = yx) + x 3 Løsning: Initialbetingelsen er gitt ved x = 1 så hvis vi antar at x < 0, kan vi dele på x og skrive differensialligningen på standard form y y x = x. februar 016 Side 4 av 8

der px) = 1/x og qx) = x. En antiderivert til p er µx) = ln x = ln x), fordi x < 0 = ln 1 ). x Dermed er d ye ln x) ) 1 = d y ) x = y x y = x y y ) 1 x x og INIT: 1 = y 1) 1 Dermed oppfyller funksjonen betingelsene i oppgaven. y x = = x 1 x = x. x = 1 x + C. = 1 1 + C C = 1. yx) = 1 x3 x Kapittel 8.: Likevektspunkter og deres stabilitet La oss si vi har en differensialligning på formen = gy) 0.3) der g er en gitt funksjon. Hva kan man si om egenskapene til løsningene av 0.3) uten å løse differensialligningen? Det er klart at hvis g har et nullpunkt i ŷ, dvs. gŷ) = 0, så vil den konstante funksjonen yx) ŷ 0.4) være en løsning av 0.3) begge sider i 0.3) er alltid lik null). Vi sier da at funksjonen 0.4) er en likevektsløsning av 0.3). Det er også klart at grafen til en løsning av 0.3) vil stige hvis g er positiv og grafen vil synke hvis g er negativ. En viktig egenskap til likevektsløsningene er deres stabilitet. Dette avgjøres ikke av likevektsløsningen selv, men av løsninger med en graf som starter nær ŷ: Anta at vi er gitt. februar 016 Side 5 av 8

en initialbetingelse yx 0 ) = y 0 der y 0 er et tall nær likevektspunktet ŷ. Vi sier at ŷ er en stabil likevektsløsning hvis løsningen til initialverdiproblemet vil fortsette å nærme seg ŷ. Vi sier at ŷ er en ustabilt likevektsløsning hvis løsningen fjerner seg fra ŷ. Følgende teorem gjør det enkelt å kategorisere et likevektsløsninger. Teorem 1. En likevektsløsning ŷ til differensialligningen 0.3) er stabilt hvis g ŷ) < 0. En likevektsløsning er ustabilt hvis g ŷ) > 0. 8.: Anta at = 4 y)5 y). a) Finn likevektsløsningene til denne differensialligningen. b) Tegn grafen til som en funksjon av y og bruk grafen til å drøfte stabiliteten til likevektsløsningene. c) Beregn egenverdiene se def. i boken) til hver likevektsløsning og avgjør stabiliteten til likevektsløsningene. Løsning: a) Vi har at = gy) der gy) = 4 y)5 y). Vi finner likevektsløsningene der gy) = 0, dvs. y 1 x) 4 og y x) 5. Litt om notasjon: Vi skriver ofte yx) 4 istedet for yx) = 4 når vi ønsker å presisere at funksjonen y er definert til å være den konstante funksjonen yx) = 4 for alle x. Uttrykket yx) = 4 kan misforstås som en ligning i x. Jeg vil ikke være konsekvent med dette.) b) Som vi ser av figur 1, har g nullpunkter i y 1 = 4 og y = 5. Hvis y < 4 så er g positiv og y g 1 0 1 y 1 = 4 y = 5 y Figur 1: Grafen av g har to nullpunkter stige og gå mot 4. Hvis 4 < y < 5 så er g negativ og y vil synke og, igjen, gå mot 4. Altså, y 1 x) = 4 er en stabil likevektsløsning.. februar 016 Side 6 av 8

Hvis y > 5 så er g positiv og y vil stige å gå bort fra 5. Altså, y x) = 5 er en ustabil likevektsløsning. c) Vi finner egenverdiene til likevektsløsningene: Vi har at gy) = 4 y)5 y) = y 9y+0, så g y) = y 9. Dette gir at og λ 1 = g y 1 ) = y 1 9 = 1 < 0 λ = g y ) = y 9 = 1 > 0 som bekrefter at y 1 x) = 4 er en stabil likevektsløsning og at y x) = 5 er en ustabil likevektsløsning. 8.:6 Anta at Nt) er størrelsen av en populasjon ved tiden t. N tilfredsstiller differensialligningen dn dt = N 1 N ) 9N =: gn). 0.5) 50 5 + N a) Tegn grafen til g. b) Finn likevektsløsningene til 0.5). c) Bestem stabiliteten til likevektsløsningene. Løsning: a) Vi tegner grafen vha. MATLAB: g 6 4 0 N 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 Figur : Grafen til g b) Ifølge figur, ser det ut til at 0.5) har likevektsløsninger y 1 x) = 0, y x) = 5 og y 3 x) =. februar 016 Side 7 av 8

40. Vi kan bekrefte det ved regning: gn) = N 1 N 50 = N = N ) 1 N 50 9 9N 5 + N ) 5 + N 505 + N) N5 + N) 450 505 + N) = NN 45N + 00) 505 + N) NN 5)N 40) = 505 + N) og dermed er gn) = 0 N = 0, N = 5 eller N = 40. c) Ifølge figur og samme analyse som i oppgave 8.: b), ser det ut til at y 1 og y 3 er stabile, mens y er ustabil. Også dét kan bekreftes ved regning: så g N) = 1 N 5 95 + N) 9N 5 + N) = 1 N 5 45 5 + N) g 0) = 1 45/5 = 4/5 < 0. g 5) = 1 5/5 45/10 = 7/0 > 0. g 40) = 1 40/5 45/45 = 8/45 < 0.. februar 016 Side 8 av 8