Teorem 12.8: Anta f \: R^2 \to R er kontinuerlig, t_0, y_0 \in R og \delta>0. Anta videre at det finnes en K>0 med K\delta<1 slik at

Like dokumenter
(ii) g = (f B)^{-1} \: V \to B \subset R^m er deriverbar med Dg(f(u)) = (Df(u))^{-1} \: R^m \to R^m for alle u i B.

En følge i en lukket delmengde av R^m kan altså ikke konvergere mot en vektor utenfor den lukkede delmengden.

For å vise at et metrisk rom (X, d) er komplett må vi vise at enhver Cauchy-følge (x_n)_n i (X, d) konvergerer mot en grense x i X.

OPPGAVESETT MAT111-H16 UKE 43. Oppgaver til seminaret 28/10

der hver f_i \: E \to R er deriverbar i x, for 1 \le i \le p. Vi kan skrive likningen \epsilon(x, h) = (\epsilon_1(x, h), \dots, \epsilon_p(x, h)).

Løsningsforslag øving 6

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

Definisjon 10.14: La V være et reelt vektorrom og N \: V \to R en funksjon. Vi skriver x = N(x) og sier at N er en norm på V dersom følgende holder:

Differensjalligninger av førsteorden

Matematikk 1 (TMA4100)

Løysingsforslag Eksamen MAT111 Grunnkurs i Matematikk I Universitetet i Bergen, Hausten 2016

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

4 ( ( ( / ) 2 ( ( ( / ) 2 ( ( / 45 % + 25 ( = 4 25 % + 35 / + 35 ( = 2 25 % + 5 / 5 ( =

Finne løsninger på ligninger numerisk: Newton-Raphson metoden og Fikspunktiterasjon MAT111, høsten 2017

EKSEMPLER TIL ETTERTANKE MAT1100 KALKULUS

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

UNIVERSITETET I OSLO

5.5 Komplekse egenverdier

Differensiallikninger definisjoner, eksempler og litt om løsning

INVERST FUNKSJONSTEOREM MAT1100 KALKULUS

Forelesning 1: Integrasjon. Separable differensiallikninger.

UNIVERSITETET I BERGEN

Differensiallikninger Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

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

Løsningsforslag. e n. n=0. 3 n 2 2n 1. n=1

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 16./17. november 2015

Logaritmer og eksponentialfunksjoner

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Egenverdier og egenvektorer

5.8 Iterative estimater på egenverdier

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

Oblig 1 - MAT Oppgave 1. Fredrik Meyer. Vi lar α > 1 og x 1 > α. Vi definerer en følge (x n ) ved. x n+1 = α + x n 1 + x n.

Eksamensoppgavehefte 2. MAT1012 Matematikk 2: Mer lineær algebra

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 26./28. november 2013

MAT Grublegruppen Uke 36

Løsningsforslag til eksamen i MAT 1100, H06

4.1 Vektorrom og underrom

UNIVERSITETET I BERGEN

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 39. Oppgaver til seminaret 29/9

Sammendrag R1. Sandnes VGS 19. august 2009

UNIVERSITETET I OSLO

MA1103. Partiellderivert, derivert og linearisering

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Oppgavesett. Kapittel Oppgavesett 1

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Universitetet i Agder Fakultetet for teknologi og realfag Institutt for matematiske fag. Eksamen MA desember Lykke til!

MA oppsummering så langt

Øving 6 Tallfølger og differenslikninger

Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

ELE Matematikk valgfag

Ikke lineære likninger

Oppgaver og fasit til seksjon

Notat om Peanos aksiomer for MAT1140

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

9. mai 2019 MAT Oblig 2 - Løsningsforslag

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 17./18. november 2014

MAT1140: Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

DEL 1. Uten hjelpemidler. Oppgave 1 (3 poeng) Oppgave 2 (5 poeng) Oppgave 3 (4 poeng) S( x) 1 e e e. Deriver funksjonene. Bestem integralene

6 Numeriske likningsløsere TMA4125 våren 2019

Krasjkurs MAT101 og MAT111

4.4 Koordinatsystemer

Optimal kontrollteori

Oppgaveark Uke 37 (07/09-11/09) MAT111 - H09

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

NOTAT OM UNIFORM KONTINUITET VEDLEGG TIL BRUK I KURSET MAT112 VED UNIVERSITETET I BERGEN

n=0 n=1 n + 1 Vi får derfor at summen er lik 1/2. c)

MAT jan jan jan MAT Våren 2010

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

UNIVERSITETET I OSLO

4.1 Vektorrom og underrom

Eksamen R2, Va ren 2014

5.6 Diskrete dynamiske systemer

Numerisk løsning av ikke-lineære ligninger

Litt topologi. Harald Hanche-Olsen

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 38. Oppgaver til gruppene uke 39

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 Vår 2013

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

TMA4100: Repetisjon før midtsemesterprøven

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

Kontinuitet og derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

Løsningsforslag Matematisk modellering Øving 2, høst 2005

Polynomisk interpolasjon

(t) = [ 2 cos t, 2 sin t, 0] = 4. Da z = 2(1 + t) blir kurva C en helix/ei skruelinje på denne flata (se fig side 392).

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

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

TMA4265 Stokastiske prosesser

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Notater fra forelesning i MAT1100 mandag

x n+1 rx n = 0. (2.2)

Transkript:

MAT1300 Analyse I 4. mai 2009 12.2. Eksistens av løsninger for differensiallikninger Teorem 12.8: Anta f \: R^2 \to R er kontinuerlig, t_0, y_0 \in R og \delta>0. Anta videre at det finnes en K>0 med K\delta<1 slik at (*) f(t,u) - f(t,v) \le K u-v for alle t i [t_0-\delta, t_0+\delta] og u,v i R. (i) Da finnes det en entydig kontinuerlig funksjon y : [t_0-\delta, t_0+\delta] \to R som oppfyller integrallikningen for alle t i [t_0-\delta, t_0+\delta]. (ii) Restriksjonen av y til (t_0-\delta, t_0+\delta) er den entydige deriverbare funksjonen y : (t_0-\delta, t_0+\delta) \to R som oppfyller differensiallikningen for alle t i (t_0-\delta, t_0+\delta). Bevis: Vi vet at vektorrommet C([t_0-\delta, t_0+\delta]) med sup-normen. _\infty er komplett. Se på lineæravbildningen T \: C([t_0-\delta, t_0+\delta]) \to C([t_0-\delta, t_0+\delta]) som tar g til Tg gitt ved (Tg)(t) = y_0 + \int_{t_0}^t f(u, g(u)) du. La g, h i C([t_0-\delta, t_0+\delta]). Vi skal vise at Tg-Th _\infty \le K\delta g-h _\infty, slik at T er en kontraksjonsavbildning. Hvis t_0 \le t \le t_0+\delta er (Tg)(t) - (Th)(t) = \int_{t_0}^t f(u,g(u)) - f(u, h(u)) du

Tilsvarende er \le \int_{t_0}^t f(u, g(u)) - f(u, h(u)) du \le \int_{t_0}^t K g(u) - h(u) du \le (t-t_0) K g-h _\infty \le K\delta g-h _\infty. (Tg)(t) - (Th)(t) \le K\delta g-h _\infty for alle t_0 - \delta \le t \le t_0. Altså er Tg - Th _\infty \le K\delta g-h _\infty slik at T er en kontraksjonsavbildning, siden K\delta<1. Ved kontraksjonsprinsippet har T et entydig fikspunkt, dvs. det finnes en entydig kontinuerlig y \: [t_0-\delta, t_0+\delta] \to R slik at Ty = y, dvs. at for alle t i [t_0-\delta, t_0+\delta]. Dette viser (i). Del (ii) følger som tidligere, ved kalkulusens fundamentalteorem. QED. Eksempel (MAT1300-eksamen våren 2008): La f(t, y) = sin(y+t). Da er f \: R^2 \to R kontinuerlig. Siden df/dy = cos(y+t) tar verdier i [-1,1] er f(t, u) - f(t, v) \le u-v for alle t, u, v i R. La K = 1 og \delta<1, slik at K\delta<1. For vilkårlig valgte t_0, y_0 i R finnes det da en entydig deriverbar funksjon y \: (t_0-\delta, t_0+\delta) \to R slik at y(t_0) = y_0 og (**) y'(t) = sin(y(t) + t) for alle t i (t_0-\delta, t_0+\delta). Konkret, hvis \delta = \pi/4, t_0 = 0 og y_0 = \pi/3 finner vi en entydig deriverbar funksjon y \: (-\pi/4, \pi/4) \to R med y(0) = \pi/3, slik at differensiallikningen (**) er oppfylt. De ulike lokale løsningene kan i dette tilfellet limes sammen til en global løsning. Gitt startbetingelser y(t_0) = y_0 og \delta i (1/2, 1) finnes en entydig løsning y(t)

for t i (t_0-\delta, t_0+\delta). La så t_1 = t_0 + 1/2 og y_1 = y(t_1). Da finnes en entydig løsning y(t) for t i (t_1-\delta, t_1+\delta). Ved entydighet må disse to løsningene stemme overens på snittet (t_0-\delta, t_0+\delta) \cap (t_1-\delta, t_1+\delta) = (t_1-\delta, t_0+\delta). Altså har likningen en entydig løsning på (t_0-\delta, t_1+\delta). La så t_2 = t_1 + 1/2, og fortsett videre. Etter hvert gir dette eksistens av en entydig løsning på hele (t_0-\delta, \infty). Tilsvarende forlengelse i den andre retningen gir en entydig løsning på hele R. Dette diskuteres videre i avsnitt 12.3, se Teorem 12.16, som ikke er pensum. Eksempel: Lipschitz-betingelsen (*) kan generelt ikke utelates. La { 0 for y \le 0, f(t, y) = { { 2 \sqrt{y} for y \ge 0. Dette definerer en kontinuerlig funksjon f \: R^2 \to R, men det finnes ingen K slik at f(t,u) - f(t,v) = 2\sqrt{u} - 2\sqrt{v} \le K u-v for alle u, v \ge 0. Med v=0 ville dette bety 2 \sqrt{u} \le K u eller K \ge 2/\sqrt{u} for u>0, som vokser ubegrenset når u \to 0. Differensiallikningen har løsninger for alle initialbetingelser, men de er ikke entydig bestemt av initialbetingelsene. For eksempel, la a i R og se på Da er { 0 for t \le a, y(t) = { { (t-a)^2 for t \ge a. { 0 for t \le a, y'(t) = { { 2(t-a) for t \ge a, slik at y(t) \ge 0 for alle t og y'(t) = 2 \sqrt{y(t)} = f(t, y(t)) for alle t. Altså finnes det uendelig mange løsninger med y(0) = 0 (t_0=0, y_0=0), en for hver a \ge 0. Gitt initialbetingelsen y(0) = 0 og differensiallikningen y'(t) = 2 \sqrt{y(t)} er det altså umulig å forutsi når løsningen slutter å være konstant, og går over til å vokse kvadratisk som en funksjon av tiden. Høyere dimensjoner Vi kan også studere differensiallikninger på formen

der y \: (a, b) \to R^n er en deriverbar funksjon til R^n. Her antar vi at f \: R^{n+1} \to R^n er en kontinuerlig funksjon, og (t, y(t)) \in R \times R^n, som vi identifiserer med R^{n+1}. Vi bruker den Euklidiske normen. på R^n. Oppgave/Teorem 12.12: Anta f \: R^{n+1} \to n er kontinuerlig, t_0 \in R, y_0 \in R^n og \delta>0. Anta videre at det finnes en K>0 med K\delta<1 slik at (*) f(t,u) - f(t,v) \le K u-v for alle t i [t_0-\delta, t_0+\delta] og u,v i R. (i) Da finnes det en entydig kontinuerlig funksjon y : [t_0-\delta, t_0+\delta] \to R^n som oppfyller integrallikningen for alle t i [t_0-\delta, t_0+\delta]. (ii) Restriksjonen av y til (t_0-\delta, t_0+\delta) er den entydige deriverbare funksjonen y : (t_0-\delta, t_0+\delta) \to R^n som oppfyller differensiallikningen for alle t i (t_0-\delta, t_0+\delta). Bevis: Vi ser på vektorrommet C([t_0-\delta, t_0+\delta], R^n) av kontinuerlige funksjoner y \: [t_0-\delta, t_0+\delta] \to R^n med sup-normen. _\infty gitt ved y _\infty = \sup_{t \in [t_0-\delta, t_0+\delta]} y(t). Dette er et komplett vektorrom, ved samme bevis som utleder at R^n er komplett

gitt at R er komplett. Se Teorem 4.70. ((ETC)) Vi kan så se på n'te-ordens differensiallikninger på formen (***) y^{(n)}(t) = g(t, y(t), y'(t), \dots, y^{(n-1)}(t)), der g \: R^{n+1} \to R er kontinuerlig. Her er y \: (a, b) \to R antatt å være n ganger deriverbar, og vi oppfatter (t, y(t), y'(t), \dots, y^{(n-1)}(t)) som et punkt i R^{n+1}. Vi kan omgjøre dette til et system av differensiallikninger der y'_1(t) = y_2(t)... y'_{n-1}(t) = y_n(t) y'_n(t) = g(t, y_1(t), y_2(t), \dots, y_n(t)) y_1(t) = y(t) y_2(t) = y'(t)... y_n(t) = y^{(n-1)}(t). Vi erstatter altså funksjonen y \: (a,b) \to R med vektorfunksjonen \vec y(t) = (y_1(t), y_2(t), \dots, y_n(t)) = (y(t), y'(t), \dots, y^{(n-1)}(t)) Differensiallikningen (***) kan da omskrives til der \vec y'(t) = \vec f(t, \vec y(t)) \vec f(t, u_1, \dots, u_n) = (u_2, \dots, u_n, g(t, u_1, \dots, u_n)) definerer funksjonen ((ETC)) f \: R^{n+1} \to R^n.