Forelesning 1: Integrasjon. Separable differensiallikninger.



Like dokumenter
Forelesninger i MET2214 Matematikk valgfag ved Handelshyskolen BI

Forelesning 2: Førsteordens lineære differensiallikninger

MAT 1001, Høsten 2009 Oblig 2, Løsningsforslag

Differensjalligninger av førsteorden

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

Institutt for Samfunnsøkonomi. Utlevering: Kl. 09:00 Innlevering: Kl. 14:00

og variasjon av parameterene Oppsummering.

EKSAMEN I EMNET Mat Grunnkurs i Matematikk I - LØSNING Mandag 15. desember 2014 Tid: 09:00 14:00

MA1410: Analyse - Notat om differensiallikninger

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

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

Sigbjørn Hals. Nedenfor har vi tegnet noen grafer til likningen y = C, der C varierer fra -2 til 3, med en økning på 1.

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 Vår 2013

Krasjkurs MAT101 og MAT111

Lær å bruke CAS-verktøyet i GeoGebra 4.2

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Løsningsforslag til underveisvurdering i MAT111 vår 2005

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

Løsningsskisser - Kapittel 6 - Differensialligninger

Obligatorisk oppgave i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Forelesning 14 Systemer av dierensiallikninger

EKSAMEN. Ingeniør- og Fleksibel ingeniørutdanning.

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

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

ELE Matematikk valgfag

y = x y, y 2 x 2 = c,

Lineære differensiallikninger.

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 30. august 2011

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

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

Eksamen R2 høst 2011, løsning

Kapittel 2. Antiderivering. 2.1 Derivasjon

Differensialligninger

Løsningsforslag. 3 x e. g(x) = 1 + x4 x 2

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

TMA4100 Matematikk1 Høst 2009

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Fasit, Separable differensiallikninger.

a) Ved avlesning på graf får man. Dermed er hastighet ved tid sekund lik.

Fasit og løsningsforslag til Julekalenderen for mellomtrinnet

Areal - difflikninger - arbeid Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Ubestemt integrasjon.

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 10

Løsningsforslag: Eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Løsningsskisser til oppgaver i Kapittel Integrerende faktor

1 Mandag 1. februar 2010

er et er et heltall. For eksempel er 2, 3, 5, 7 og 11 primtall, mens 4 = 2 2, 6 = 2 3 og 15 = 3 5 er det ikke.

UNIVERSITETET I OSLO

Difflikninger med løsningsforslag.

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

Definisjoner og løsning i formel

<kode> Grunnleggende matematikk for ingeniører Side 1 av 5

Sammendrag R mai 2009

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Løsningsforslag AA6524/AA6526 Matematikk 3MX Elever/Privatister 6. desember eksamensoppgaver.org

Separable differensiallikninger.

Optimal kontrollteori

Forord. Molde, august Per Kristian Rekdal. Copyright c Høyskolen i Molde, 2011.

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

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

MAT jan jan jan MAT Våren 2010

Uendelige rekker. Konvergens og konvergenskriterier

TMA4140 Diskret matematikk Høst 2011 Løsningsforslag Øving 7

Mer om likninger og ulikheter

Fasit - Oppgaveseminar 1

UNIVERSITETET I OSLO

MAT1030 Forelesning 30

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Uttrykket 2 kaller vi en potens. Eksponenten 3 forteller hvor mange ganger vi skal multiplisere grunntallet 2 med seg selv. Dermed er ) ( 2) 2 2 4

ECON2200: Oppgaver til plenumsregninger

Forelesning 9 mandag den 15. september

Matematikk 1 (TMA4100)

1 OPPGAVE 2 OPPGAVE. a) Hva blir kontobeløpet den 2. januar 2040? b) Hvor mye penger blir det i pengeskapet den 2. januar 2040?

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

Vekst av planteplankton - Skeletonema Costatum

Fremdriftplan. I går. I dag. 2.5 Uendelige grenser og vertikale asymptoter 2.6 Kontinuitet

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

Matematikk 1. Oversiktsforelesning. Lars Sydnes November 25, Institutt for matematiske fag

arbeid - massesenter - Delvis integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

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

Oppsummering MA1101. Kristian Seip. 23. november 2017

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

9 + 4 (kan bli endringer)

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

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

Kapittel 4: Differensiallikninger

Rekker, Konvergenstester og Feilestimat

Institutt for Samfunnsøkonomi

Oppfriskningskurs i matematikk 2008

Løsning IM

Derivasjon ekstremverdier Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

EKSAMEN. Hans Petter Hornæs og Britt Rystad

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

Eksamen R2, Høst 2012

Sammendrag kapittel 9 - Geometri

OPPGAVE 1 LØSNINGSFORSLAG

Transkript:

Forelesning 1: Integrasjon. Separable differensiallikninger. Trond Stølen Gustavsen 12. januar, 2010 Innhold Anbefalt lesning 1 1.1. Kort repetisjon av integrasjon 1 1.2. Hva er en differensiallikning? 3 1.3. Separable differensiallikninger 5 Referanser 6 På Blackboard finner du pensum og informasjon om kurset. Anbefalt lesning. Denne forelesningen dekker avsnittene 1 og 2 i [OEBY]. I tillegg er det viktig å repetere integrasjon, se for eksempel kapittel 6 i [BOST]. 1.1. Kort repetisjon av integrasjon. I denne forelesningen skal vi lære om differensiallikninger, men for å forstå differensiallikninger er det viktig å kunne derivere og integrerer. Eksempel 1. Regn ut dt (1) y(t) = 100e 2t (2) y(t) = ln(2t) (3) y(t) = (2t + 3) 4 i følgende tilfeller Løsning. (1) dt = y (t) = 100e 2t ( 2t) = 200e 2t (2) dt = y (t) = 1 2t 2 = 1 t (3) dt = y (t) = 4(2t + 3) 3 2 = 8(2t + 3) 3 1

For å løse differensiallikninger er det nødvendig å kunne integrere. Husk at integrasjon er det motsatte av derivasjon. I det neste eksempelet repreteres noen av de viktigste teknikkene. Eksempel 2. Regn ut integralene: (1) x 13 dx (2) (t 3 + 2t 3)dt (3) xe x dx (4) (x 2 + 1) 8 2xdx Løsning. (1) x 13 dx = 1 13+1 x13+1 + C = 1 14 x14 + C (2) (t 3 + 2t 3)dt = 1 4 t4 + t 2 3t + C (3) For å beregne xe x dx bruker vi formelen for delvis integrasjon uv dx = uv u vdx, og vi velger u = x og v = e x. Siden den deriverte til e x er e x, får vi v = e x og u = 1. Dermed får vi xe x dx = xe x 1 e x dx = xe x e x + C. (4) For å beregne (x 2 + 1) 8 2xdx, bruker vi substitusjon. Vi setter u = x 2 + 1, og fra dette får vi du dx = 2x. Det siste kan skrives som du = 2xdx. Dermed får vi (x 2 + 1) 8 2xdx = u 8 du = 1 9 u9 + C = 1 9 (x2 + 1) 9 + C. 2

1.2. Hva er en differensiallikning? La y være en økonomisk variabel som for eksempel nasjonalprodukt eller oljeproduksjon. Noen ganger kan man sette opp modeller for slike variable. Slike modeller kan lede til en eller flere differensiallikninger som inneholder variabelen y. Man tar i betraktning at variabelen y (nasjonalprodukt eller liknende) endrer seg etter som tiden går. Med andre ord er y en funksjon y(t) av tiden t. Her er altså t uavhengig variabel mens y er en avhengig variabel. Vi bruker ofte notasjonen ẏ for å betegne den deriverte av y med hensyn på t, eller med andre ord: ẏ = dt Eksempel 3. Betrakt funksjonen y = y(t) = 100e 2t hvor y altså er en funksjon av tiden t. Den deriverte av y med hensyn på t er Vi ser altså at vi har sammenhengen ẏ = 100e 2t ( 2) = 2y. ẏ = 2y. Dette er en sammenheng mellom funksjonen y og den deriverte av funksjonen. Dette er et eksempel på en differensiallikning, og y = y(t) = 100e 2t er en løsning av denne differensiallikningen. Definisjon 4. En differensiallikning er en likning som forbinder en ukjent funksjon med en eller flere av de deriverte til funksjonen. Her er noen eksempler på differensiallikninger: Eksempel 5. (1) ẏ = ay der a er en konstant. (2) ẏ + 3y = 4 (3) ẋ + 2x = 5x 2 Alle likningene i eksemplet over, er det vi kaller første ordens ordinære differensiallikninger. Eksempel 6. Vis at y = Ce 2t +4 (hvor C er en konstant) er en løsning av differensiallikningen ẏ + 2y = 8. Løsning. Deriverer vi y = Ce 2t + 4, får vi Av dette får vi ẏ = Ce 2t ( 2t) = 2Ce 2t. ẏ + 2y = 2Ce 2t + 2(Ce 2t + 4) = 2Ce 2t + 2Ce 2t + 8 = 8. Dermed ser vi at likningen er tilfredstilt. Vi ser altså at både y = 2e 2t + 4 (her er C = 2) og y = 3e 2t + 4 er løsninger av ẏ + 2y = 8. Siden vi får en løsning for hvert valg av konstanten C, er det uendelig mange løsniger av differensiallikningen ẏ + 2y = 8. 3

Definisjon 7. Mengden av alle løsninger av en differensiallikning, kalles den generelle løsningen av likningen. En spesiell løsning av en differensiallikning kalles for en partikulærløsning av likningen. Eksempel 8. Den generelle løsning av ẏ + 2y = 8, er y = Ce 2t + 4 og y = 3e 2t + 4 er en partikulærløsning av ẏ + 2y = 8. Veldig ofte er man ute etter å finne en partikulærløsning som tilfrestiller en initalbetingelse. Eksempel 9. Finn partikulærløsningen av som tilfredstiller initialbetingelsen y(0) = 2. ẏ + 2y = 8 Løsning. Den generelle løsningen er y = Ce 2t + 4. Setter vi t = 0, får vi y(0) = Ce 2 0 + 4 = C + 4 Fra y(0) = C + 4 = 2, konkluderer vi at C = 2. Dermed er partikulærløsningen som tilfredstiller y(0) = 2 gitt ved y(t) = 2e 2t + 4. 4

1.3. Separable differensiallikninger. Veldig mange differensiallikninger er umulig å løse. I dette kurset skal vi imidlertid se på noen få typer differentiallikninger hvor det er mulig å finne en løsning. Definisjon 10. En differensiallikning som kan skrives som ẏ = F (t, y) der F (t, y) er en eller annen funksjon i variablene y og t, kalles for en første ordens ordinær differensiallikning. Vi sier at differensiallikningen er separabel dersom ẏ = f(t)g(y) der f(t) og g(y) er funksjonener i en variabel. (Her kan altså funksjonen F (t, y) = f(t)g(y) skrives som et produkt av to fuksjoner i en variabel.) Vi kommer snart til å lære hvordan vi kan løse separable differensiallikninger. Eksempel 11. Avgjør hvilke av følgende diffrensiallikninger som er separable. (1) ẏ = yt (2) ẏ = y + t (3) ẏ = yt + 2t (4) ẏ = yt 2 + y 2 t 2 Løsning. (1) Denne likningen er separabel siden ẏ = f(t)g(y) med f(t) = t and g(y) = y. (2) Denne likningen er ikke separabel. (3) Siden likningen kan skrives ẏ = t(y + 2), så er denne likningen separabel. (4) Siden ẋ = t 2 (x + x 2 ), er likningen separabel. Vi vil nå forklare hvordan man kan løse en separabel diffrensiallikning. (1) Skriv likningen som dt = f(t)g(y). (2) Separer slik at vi får den avhengige variablen på hvenstre side og den uavhangige på høyre side: g(y) = f(t)dt (3) Integrer g(y) = f(t)dt Eksempel 12. Finn den generelle løsningen av differensiallikningen ẏ = 2t 3y 2 5

Løsning. Vi kan skrive differensiallikningen som dt = 2t 1 3y 2. Vi separerer og får 3y 2 = 2tdt. Ved å integrere får vi 3y 2 = 2tdt = y 3 = t 2 + C. Tar vi tredjeroten på hver side, får vi y = 3 t 2 + C. Referanser [BOST] Bjørnestad, Olsson, Søyland, Tolcsiner, Matematikk for økonomi og samfunnsfag, 6. utgave, Høgskoleforlaget AS, (2004). [BJOE] Bjørnestad, H. Variasjonsregning - en enkel innføring [ROSS] Ross, S. M., Probability models, 9. edition, Academic Press, (2007) [OEBY] Øby, E. H., Differential equations - quick and dirty 6