Systemer av differensiallikninger

Like dokumenter
Systemer av differensiallikninger

1 Mandag 1. februar 2010

Nå integrer vi begge sider og får på venstre side. der C 1 er en vilkårlig konstant. Høyre side blir. Dette gir. og dermed

Numerisk løsning av differensiallikninger Eulers metode,eulers m

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

Difflikninger med løsningsforslag.

Test, 4 Differensiallikninger

K Andre Ordens Differensialligninger

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

IR Matematikk 1. Eksamen 8. desember 2016 Eksamenstid 4 timer

1 Mandag 22. februar 2010

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 10

MAT feb feb mars 2010 MAT Våren 2010

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

UNIVERSITETET I OSLO

f =< 2x + z/x, 2y, 4z + ln(x) >.

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

UNIVERSITETET I OSLO

Arne B. Sletsjøe. Oppgaver, MAT 1012

UNIVERSITETET I OSLO

a) Ved numerisk metode er det løst en differensiallikning av et objekt som faller mot jorden. Da, kan vi vi finne en tilnærming av akselerasjonen.

1T kapittel 4 Likningssystemer og ulikheter

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

IR Matematikk 1. Utsatt Eksamen 8. juni 2012 Eksamenstid 4 timer

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

UNIVERSITETET I OSLO

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Differensialligninger

UNIVERSITETET I OSLO

MA1410: Analyse - Notat om differensiallikninger

Eksamen R2, Våren 2009

5.5 Komplekse egenverdier

UNIVERSITETET I OSLO

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Prøve i R2. Innhold. Differensiallikninger. 29. november Oppgave Løsning a) b) c)...

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

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

FORELESNINGER I OPTIMAL KONTROLLTEORI (MAT 2310)

UNIVERSITETET I BERGEN

6.6 Anvendelser på lineære modeller

Løsning av utvalgte øvingsoppgaver til Sigma R2 kapittel 5

differensiallikninger-oppsummering

UNIVERSITETET I OSLO

ST1101/ST6101 Sannsynlighetsregning og statistikk Vår 2019

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Eksamensoppgavehefte 2. MAT1012 Matematikk 2: Mer lineær algebra

Eksamen i emnet MAT111/M100 - Grunnkurs i matematikk I Mandag 15. desember 2003, kl (15) LØYSINGSFORSLAG OPPGÅVE 2:

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Onsdag 7. september 2001, kl Løysingsforslag:

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

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

MAT1030 Forelesning 17

Obligatorisk innlevering 3 - MA 109, Fasit

Løsningsforslag, eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

DEL 1 Uten hjelpemidler

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

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 =

5.6 Diskrete dynamiske systemer

Rekurrens. MAT1030 Diskret matematikk. Rekurrens. Rekurrens. Eksempel. Forelesning 16: Rekurrenslikninger. Dag Normann

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

Sammendrag R mai 2009

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 11 Eulers metode. Løsningsforslag

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

Prøve i Matte 1000 BYFE DAFE 1000 Dato: 03. mars 2016 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark. Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver veke 14

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag: Eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

1. (a) Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A =

Høgskolen i Oslo og Akershus. 1 (x 2 + 1) 1/2 + x 1 2 (x2 + 1) 1/2 (x 2 + 1) = x 2x 2 x = = 3 ln x sin x

1 Oppgave 1 Skriveoppgave Manuell poengsum. 2 Oppgave 2 Code editor Manuell poengsum. 3 Oppgave 3 Skriveoppgave Manuell poengsum

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

R2 - Algebra

Eksamen R2 høst 2011, løsning

Eksamen R2, Høst 2012, løsning

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Våren 2012

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

UNIVERSITETET I OSLO

I et eksperiment er det målt følgende sammenheng mellom to størrelser x og y. x Y = ax + b:

Ikke lineære likninger

UNIVERSITETET I OSLO

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

Her er C en funksjon av F

Numerisk matematikk. Det man bør kunne: (og som bør inn i formelsamlingen)

4 Differensiallikninger R2 Oppgaver

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag. og B =

LØSNINGSSKISSE TIL EKSAMEN I FAG SIF august 2001

Egenverdier for 2 2 matriser

Separable differensiallikninger.

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Løsningsforslag eksamen 18/ MA1102

Systemer av første ordens lineære differensiallikninger

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

Heldagsprøve i matematikk. Svar og løsningsforslag

EKSAMEN I EMNET Løsning: Mat Grunnkurs i Matematikk I Mandag 14. desember 2015 Tid: 09:00 14:00

9 + 4 (kan bli endringer)

Fasit, Separable differensiallikninger.

Transkript:

Kapittel 18 Systemer av differensiallikninger I mange fysiske prosesser vil det være flere enn en størrelse som inngår. Disse størrelsene kan være avhengige av hverandre, slik at en endring av en påvirker alle de andre. Et eksempel er en matematisk modell for størrelsen på to repopulasjoner hvor den ene jakter på den andre. Færre ytter gir færre jegere, mens færre jegere fører til økning av ytterestanden, osv. Et annet eksempel er utslipp av en miljøgift i et vassdrag. Konsentrasjonen av gift i hver enkelt innsjø i vassdraget vil avhenge av konsentrasjonen i hver ovenforliggende innsjø. Vi får et koplet system der flere størrelser og deres endring står i gjensidig avhengighetsforhold til hverandre. For å lage matematiske moeller for denne type fenomener trenger vi ikke are en differensiallikning, men et system av differensiallikninger. Vi tenker oss et lite vassdrag som estår av to sjøer med en elv i mellom. Vi har tilførsel av vann fra omgivelsene til egge sjøene, og fra den nederste sjøen renner også vann ut i havet. Vannmengden i de to sjøene er konstant. Ved den øverste sjøen ligger det en farikk som regelmessig slipper ut gift i vannet. Vi kaller mengden av gift i dette vannet for x = x(t). Denne størrelse oppfyller differensiallikningen = c k 1x der c uttrykker den konstante tilførselen av gift, mens k 1 x reflekterer den mengden av forgiftet vann som renner ut av sjøen. Så eveger vi oss ned til den neste sjøen. Mengden av gift i denne sjøen kaller vi y = y(t). Endringen av giftmengden her vil være avhengig av konsentrasjonen av gift i vannet som tilføres fra den øvre sjøen, minus den giften som renner ut i havet. Dette eskrives av likningen = k 1x k y Dette gir oss et system av differensiallikninger. Vi skal se hvordan vi kan hånere slike systemer, åde analytisk og numerisk. 18.1 Lineære systemer med konstante koeffisienter Et lienært system av differensiallikninger er gitt ved = ax + y = cx + Vi gjetter på en løsning for dette systemet, på formen x(t)=c 1 e lt, y(t)=c e lt Setter vi denne løsningen inn i likiningsystemet får vi eller ved å dele ut med e lt lc 1 e lt = ac 1 e lt + C e lt lc e lt = cc 1 e lt + dc e lt lc 1 = ac 1 + C lc = cc 1 + dc Det etyr at vi må finne l, C 1 og C som passer i det lineære likningssystemet. (a l)c 1 + C = 0 cc 1 +(d l)c = 0 Vi har en opplagt løsning, nemlig C 1 = C = 0, men den er vi ikke spesielt interessert i siden den kun gir oss løsningen x = y = 0. Vi multipliserer den første 96

likningen med c, og den andre med (a dem fra hverandre. Det gir (c (a l)(d l))c = 0 l) og trekker Siden vi ikke er interessert i trivielle løsninger antar vi at C 6= 0. Det etyr at c (a l)(d l)=0 som vi omformer til en.gradslikning i l; l (a + d)l +(ad c)=0 Ved å ruke ac-formelen får vi l = a + d ± p (a + d) 4(ad c) = a + d ± p (a d) + 4c Vi kaller det som står under rottegnet for diskriminanten til likningssystemet, og skriver D =(a Det gir oss to løsninger d) + 4c l 1 = a + d + p D, l = a + d p D For hver av disse verdiene av l må vi nå løse likningssystemet Den første likningen gir mens den andre gir (a l)c 1 + C = 0 cc 1 +(d l)c = 0 C = C = (a l) C 1 c (d l) C 1 Men siden vi har regnet ut verdien av l fra likningen c (a l)(d l)=0 følger det at (a l) = c (d l) og de to likningene gir oss samme svar. Før vi går videre med løsningen av differensiallikningssystemet skal vi introdusere det såkalte superposisjonsprinsippet. I matematisk språk sier dette at dersom vi har funnet to løsninger av et system av lineære differensiallikninger, så vil også summen av de to løsningene også være en løsning av systemet. Et fysisk eksempel på dette prinsippet er at ølger kan passere uforandret gjennom hverandre. Hvis vi har to separate kilder som genererer ølger, f.eks. lydølger, så kommer ølgene uforandret ut på den andre siden etter at de har møttes. Nå vi snakker i munnen på hverandre, så lir ikke lydene påvirket av hverandre. Ivårt eksempel etyr dette at vi kan finne de to løsningene hver for seg, for så å legge dem sammen og i parksis finne mange flere løsninger. Teorem 18.1.1. Et lienært system av differensiallikninger gitt ved = ax + y = cx + og hvor 6= 0, har løsninger gitt ved x(t)=ce l 1t + De l t y(t)= (a l 1) Ce l (a l 1t ) De l t hvor C og D er vilkårlige konstanter. Størrelsene l 1 og l er gitt ved hvor D =(a l 1 = a + d + p D, l = a + d p D d) +4c er diskriminanten til likningen. De to konstantene C og D er å etrakte som integrasjonskonstanter og vil alltid li estemt av initialverdiene til systemet, f.eks. gitt ved verdiene x(0) og y(0). Vi skal se på noen eksempler. Eksempel 18.1.1. Betrakt likningssystemet = x + y = 3x y der x(0) =, y(0) = 5. I dette tilfellet har vi a =, = 1, c= 3 og d =. Det gir diskriminanten D =( + ) + 4 1 ( 3)=4 97

Det gir l 1 = + p 4 = 1 l = p 4 som vi setter inn i formelen over og får x(t)=ce t + De t y(t)= Ce t 3De t Setter vi inn for t = 0 får vi x(0)=c + D = y(0)= C 3D = 5 = 1 som gir C = 1 og D = 3. Det gir oss den spesielle løsningen x(t)= 1 et + 3 e t y(t)= 1 et 9 e t Figur 18.1. Vektorfelt med løsningskurve for eksempel 18.1.1 MATLAB-koden til illustrasjonen over er som følger: [x,y]=meshgrid(0:0.5:7,-7:0.5:-1); u = *x + y; v = -3*x - *y; quiver(x,y,u,v); hold on t=linspace(-0.5,.5,100); x1=(1/)*exp(t)+(3/)*exp(-t); x=-(1/)*exp(t)-(9/)*exp(-t); plot(x1,x, r ) Vi skal se på et litt mer komplisert eksempel, der hvor diskriminanten D er negativ, slik at løsning av.gradslikningen ilr komplekse tall. Eksempel 18.1.. Betrakt likningssystemet = x y = x y der x(0) =1, y(0) =. I dette tilfellet har vi a = 1, =, c= og d = 1. Det gir diskriminant Det gir D =( 1 + 1) + 4 ( ) = 16 l 1 = 1 1 + p 16 = 1 + i l = 1 1 p 16 = 1 i som vi setter inn i formelen over og får x(t)=ce ( 1+i)t + De ( 1 i)t y(t)= ice ( 1+i)t + ide ( 1 i)t I dette tilfellet må vi la konstantene C og D være komplekse tall. Vi setter C = E + if og D = G + ih, og ruker samtidig formelen e ix = cosx + isinx. I tillegg har vi at cos( t)=cos(t) og sin( t)= sin(t). Det gir x(t)=(e + if)e t (cos(t)+isin(t)) +(G + ih)e t (cos( t)+isin( t)) = e t ((E + G)cos(t)+( F + H)sin(t)) + ie t ((F + H)cos(t)+(E G)sin(t)) Tilsvarende utregning for y(t) gir y(t)= i(e + if)e t (cos(t)+isin(t)) + i(g + ih)e t (1 i)t (cos( t)+isin( t))e = e t ((F H)cos(t)+(E + G)sin(t)) + ie t (( E + G)cos(t)+(F + H)sin(t)) Vi er kun interessert i reelle løsninger. Det etyr at vi må ha F + H = E G = 0. Dermed får vi x(t)=e t (E cos(t) F sin(t)) y(t)=e t (F cos(t)+e sin(t)) 98

Setter vi inn for t = 0 får vi x(0)=e = 1, y(0)=f = som gir E = 1 og F = 1. Det gir oss den spesielle løsningen x(t)=e t (cos(t) sin(t)) y(t)=e t (cos(t)+sin(t)) størrelsen vokse mot når t vokser. Dersom l 1,l apple 0 vil åde x og y gå mot en fast grense. I alle tilfelle vil (0,0) være en likevektstilstand, siden = = 0 i dette punktet. I det første tilfellet sier vi at vi har en ustail likevektstilstand, siden et lite avvik fra likevektstilstanden vil ringe systemet vekk fra likevektspunktet. Det andre tilfellet kalles en stail likevektstilstand, for der er det motsatte tilfellet. Når diskriminanten er negativ får vi et nokså annerledes forløp. Løsningene av differensiallikningssystemet vil alltid være på formen x(t)=e at (C 1 cos(t)+c sin(t)) y(t)=e at (D 1 cos(t)+d sin(t)) Figur 18.. Vektorfelt med to løsningskurver for eksemplet over MATLAB-koden til illustrasjonen over er som følger: [x,y]=meshgrid(-:0.5:7,-1:0.5:5); u = -x -*y; v = *x -y; quiver(x,y,u,v); hold on t=linspace(-0.5,4,100); x1=exp(-t).*(*cos(*t)-4*sin(*t)); x=exp(-t).*(4*cos(*t)+*sin(*t)); plot(x1,x, r ) streamline(x,y,u,v,6,1); De to eksemplene vi har sett på skiller seg fra hverandre ved fortegnet på diskriminanten. Når diskriminanten er positiv vil vi alltid få en løsning på formen x(t)=c 1 e l 1t +C e l t y(t)=d 1 e l 1t + D e l t Dersom den største av l 1 og l er positiv, og den tilhørende koeffisisenten er forskjellig fra 0, så vil denne for to reelle tall a = a+d og =. Uttrykkene estår av to faktorer, en harmonisk funksjon, og en eksponensialfunksjon. Vi kan etrakte eksponensialfunksjonen som en amplitudefunksjon som estemmer om den harmoniske funksjonen gir oss en sprial som går utover, innover, eller som faktisk stailiserer seg på en fast ane. Et eksempel på det siste er det lineære likningssystemet = = x + y x + y I dette tilfellet har vi D =( 1 1) +4 1 ( )= 4 og l = 1 + 1 ± p 4 Det vil gi oss en løsning på formen p = ±i x(t)=c 1 cost +C sint y(t)=d 1 cost + D sint som eskriver en konstant, elliptisk ane i (x,y)-planet. D 99

edre tilnærminger til funksjonene x i. Vi skal se på noen eksempler som illustrerer at metoden gir gode resultater. Vi etrakter systemet = x y = x y Figur 18.3. En periodisk løsning. 18. Eulers metode I forrige kapittel så vi hvordan vi kunne ruke Eulers metode til å illustrere løsninger av differensiallikninger uten at vi kjenner noen eksplisitt form for løsningene. Vi kan ruke samme framgangsmåte for å illustrere løsningene til mer omfattende differensiallikningssystemer. La 1 = f 1 (x 1,x,...,x m,t) = f (x 1,x,...,x m,t)... m = f m (x 1,x,...,x m,t) være et system av differensiallikninger med initialetingelse x i (0)= i for i = 1,,...,m. Vi etrakter et intervall [0,a] av t-verdier som vi deler opp i n like store deler. Vi setter t j = ja n for j = 0,1,,...,n og definerer og rekursivt x i,0 = x i (0)= i, i = 0,1,,...,m x i, j+1 = x i, j + x 0 i(t j ) a n = x i, j + f i (x i, j,t j ) a n Dette gir oss stykkvis lineære funksjoner definert av knekkpunktene (t j,x i, j ).Når vi øker antall delintervaller n vil disse stykkvis lineære funksjonene gi oss stadig der x(0)=1, y(0)= som vi så på i eksempel 18.1.. Vi skal etrakte intervallet [0,10] som vi deler i n like store deler. I dette tilfelle får vi rekursjonen x j+1 = x j +( x j y j ) 10 n y j+1 = y j +(x j y j ) 10 n Denne algoritmen kan vi enkelt implentere i f.eks. MATLAB på følgende måte: t0=0; tf:10; (definerer intervallet) x0=1; (setter startverdien til x) y0=; (setter startverdien til y) n=1000; (antall delintervaller) h=(tf-t0)/n; (redden av hvert delintervall) t=t0; T=t; (initierer t-kolonnen) x=x0; X=x; (initierer x-kolonnen) y=y0; Y=y; (initierer y-kolonnen) for i=1:n (algoritmen egynner) z=x; x=x+h*(-x-*y); y=y+h*(*z-y); t=t+h; T=[T;t]; X=[X;x]; Y=[Y;y]; end (algoritmen slutter) plot(x,y) (utskrift) 100

Figur 18.4. Utskriften gir oss en illustrasjon av grafen. 101