Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

Podobné dokumenty
Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

12 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Soustavy lineárních rovnic

Primitivní funkce a Riemann uv integrál Lineární algebra Taylor uv polynom Extrémy funkcí více prom ˇenných Matematika III Matematika III Program

Rovnice se separovanými proměnnými

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Lineární rovnice prvního řádu. Máme řešit nehomogenní lineární diferenciální rovnici prvního řádu. Funkce h(t) = 2

16 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Diferenciální rovnice

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

DMA Přednáška Rekurentní rovnice. takovou, že po dosazení odpovídajících členů do dané rovnice dostáváme pro všechna n n 0 + m pravdivý výrok.

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 1.ŘÁDU

22 Základní vlastnosti distribucí

10 Funkce více proměnných

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

Diferenciální rovnice 3

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Soustavy lineárních rovnic

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2

Definice 1.1. Nechť je M množina. Funkci ρ : M M R nazveme metrikou, jestliže má následující vlastnosti:

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Matematika B101MA1, B101MA2

Uzavřené a otevřené množiny

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Soustavy linea rnı ch rovnic

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

I. Diferenciální rovnice. 3. Rovnici y = x+y+1. převeďte vhodnou transformací na rovnici homogenní (vzniklou

Vlastní čísla a vlastní vektory

0.1 Úvod do lineární algebry

1 Existence e²ení systému diferenciálních rovnic. 2 Jednozna nost e²ení pro systém diferenciálních rovnic

Matematická analýza 1b. 9. Primitivní funkce

Komplexní analýza. Laplaceova transformace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

OBECNOSTI KONVERGENCE V R N

Operace s maticemi. 19. února 2018

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Vlastní čísla a vlastní vektory

Program SMP pro kombinované studium

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

0.1 Úvod do lineární algebry

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Řešení rekurentních rovnic 2. Základy diskrétní matematiky, BI-ZDM ZS 2011/12, Lekce 11

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Úvod do lineární algebry

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

1 Determinanty a inverzní matice

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

5. Aplikace diferenciálního a integrálního po tu v jedné dimenzi ZS 2017/18 1 / 32

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

Inverzní Laplaceova transformace

Lineární diferenciální rovnice n tého řádu

8 Matice a determinanty

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

1 Topologie roviny a prostoru

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Studijní text pro obor G+K Katedra matematiky Fakulta stavební ROVNICE. Doc. RNDr. Milada Kočandrlová, CSc.

Obyčejné diferenciální rovnice

1 Množiny, výroky a číselné obory

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

9. Vícerozměrná integrace

ftp://math.feld.cvut.cz/pub/olsak/linal/

z textu Lineární algebra

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

Operace s maticemi

Vlastní čísla a vlastní vektory

Transkript:

Program

Diferenční rovnice Program

Diferenční rovnice Diferenciální rovnice Program

Frisch a Samuelson: Systém je dynamický, jestliže jeho chování v čase je určeno funkcionální rovnicí, jejíž neznámé závisí podstatným způsobem na čase. Program

XII. Diferenční rovnice XII. Diferenční rovnice XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Leonardo Fibonacci (asi 1175 1250) XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Definice Necht k N, p 1,..., p k R, p k 0, a necht dále {a n } n=1 je posloupnost reálných čísel. Lineární diferenční rovnicí k-tého řádu s konstantními koeficienty budeme rozumět rovnici y(n + k) + p 1 y(n + k 1) + + p k y(n) = a n, n N, (1) kde neznámou je posloupnost {y(n)} n=1. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Definice Necht k N, p 1,..., p k R, p k 0, a necht dále {a n } n=1 je posloupnost reálných čísel. Lineární diferenční rovnicí k-tého řádu s konstantními koeficienty budeme rozumět rovnici y(n + k) + p 1 y(n + k 1) + + p k y(n) = a n, n N, (1) kde neznámou je posloupnost {y(n)} n=1. Řešením rovnice (1) rozumíme každou posloupnost {y(n)} n=1 splňující (1) pro každé n N. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Definice Necht k N, p 1,..., p k R, p k 0, a necht dále {a n } n=1 je posloupnost reálných čísel. Lineární diferenční rovnicí k-tého řádu s konstantními koeficienty budeme rozumět rovnici y(n + k) + p 1 y(n + k 1) + + p k y(n) = a n, n N, (1) kde neznámou je posloupnost {y(n)} n=1. Řešením rovnice (1) rozumíme každou posloupnost {y(n)} n=1 splňující (1) pro každé n N. Pokud chceme, aby řešení rovnice (1) splňovalo podmínky y(1) = y 1,..., y(k) = y k, (2) kde čísla y 1,..., y k R jsou předem dána (tzv. počáteční podmínky), pak hovoříme o počáteční úloze. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Pokud a n = 0 pro každé n N, pak rovnice (1) má tvar y(n + k) + p 1 y(n + k 1) + + p k y(n) = 0, n N. (3) Tato rovnice se nazývá homogenní. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 1 Počáteční úloha (1), (2) má právě jedno řešení. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 1 Počáteční úloha (1), (2) má právě jedno řešení. Věta 2 Množina řešení rovnice (3) tvoří vektorový podprostor dimenze k prostoru všech reálných posloupností. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 1 Počáteční úloha (1), (2) má právě jedno řešení. Věta 2 Množina řešení rovnice (3) tvoří vektorový podprostor dimenze k prostoru všech reálných posloupností. Poznámka Bázi prostoru řešení rovnice (3) se říká též fundamentální systém řešení rovnice (3). XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 1 Počáteční úloha (1), (2) má právě jedno řešení. Věta 2 Množina řešení rovnice (3) tvoří vektorový podprostor dimenze k prostoru všech reálných posloupností. Poznámka Bázi prostoru řešení rovnice (3) se říká též fundamentální systém řešení rovnice (3). Definice Charakteristickým polynomem rovnice (3) budeme rozumět polynom λ λ k + p 1 λ k 1 + + p k 1 λ + p k. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 3 Necht λ 1,..., λ s jsou všechny navzájem různé reálné kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s násobnostmi r 1,..., r s. Necht ξ 1,..., ξ l jsou všechny navzájem různé kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s kladnou imaginární částí a násobnostmi q 1,..., q l, přičemž ξ j = µ j (cos ν j + i sin ν j ), µ j > 0, ν j 0, 2π), j = 1,..., l. Pak následující posloupnosti tvoří bázi prostoru řešení rovnice (3): XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 3 Necht λ 1,..., λ s jsou všechny navzájem různé reálné kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s násobnostmi r 1,..., r s. Necht ξ 1,..., ξ l jsou všechny navzájem různé kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s kladnou imaginární částí a násobnostmi q 1,..., q l, přičemž ξ j = µ j (cos ν j + i sin ν j ), µ j > 0, ν j 0, 2π), j = 1,..., l. Pak následující posloupnosti tvoří bázi prostoru řešení rovnice (3): XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 3 Necht λ 1,..., λ s jsou všechny navzájem různé reálné kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s násobnostmi r 1,..., r s. Necht ξ 1,..., ξ l jsou všechny navzájem různé kořeny charakteristického polynomu rovnice (3) s kladnou imaginární částí a násobnostmi q 1,..., q l, přičemž ξ j = µ j (cos ν j + i sin ν j ), µ j > 0, ν j 0, 2π), j = 1,..., l. Pak následující posloupnosti tvoří bázi prostoru řešení rovnice (3): XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice {λ n 1 }, {nλn 1 },... {nr 1 1 λ n 1 },. {λ n s}, {nλ n s},... {n rs 1 λ n s}, {µ n 1 cos ν 1n}, {nµ n 1 cos ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 cos ν 1n}, {µ n 1 sin ν 1n}, {nµ n 1 sin ν 1n},... {n q 1 1 µ n 1 sin ν 1n},. {µ n l cos ν l n}, {nµ n l cos ν l n},... {n q l 1 µ n l cos ν l n}, {µ n l sin ν l n}, {nµ n l sin ν l n},... {n q l 1 µ n l sin ν l n} XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 4 Necht posloupnosti {y 1 (n)} n=1, {y 2 (n)} n=1,..., {y k (n)} n=1 tvoří fundamentální systém řešení rovnice (3). Necht posloupnost {z(n)} n=1 je řešením rovnice (1). Potom posloupnost {y(n)} n=1 řeší rovnici (1), právě když existují konstanty c 1,..., c k R takové, že pro každé n N. y(n) = z(n) + c 1 y 1 (n) + + c k y k (n) XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 4 Necht posloupnosti {y 1 (n)} n=1, {y 2 (n)} n=1,..., {y k (n)} n=1 tvoří fundamentální systém řešení rovnice (3). Necht posloupnost {z(n)} n=1 je řešením rovnice (1). Potom posloupnost {y(n)} n=1 řeší rovnici (1), právě když existují konstanty c 1,..., c k R takové, že pro každé n N. y(n) = z(n) + c 1 y 1 (n) + + c k y k (n) Řešení {z(n)} n=1 z předchozí věty se tradičně nazývá partikulární řešení. XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 5 (rovnice se speciální pravou stranou) Necht posloupnost {a n } n=1 v rovnici (1) splňuje a n = α n( P(n) cos(νn) + Q(n) sin(νn) ), kde α, ν R a P, Q jsou polynomy. Pak existuje řešení rovnice (1) ve tvaru z(n) = n m α n( R(n) cos(νn) + S(n) sin(νn) ), kde R a S jsou vhodné polynomy stupně ne většího než max{st P, st Q} a m N {0} udává, jakou násobnost má číslo α(cos ν + i sin ν) jakožto kořen charakteristického polynomu rovnice (3). XII. Diferenční rovnice

XII. Diferenční rovnice Věta 5 (rovnice se speciální pravou stranou) Necht posloupnost {a n } n=1 v rovnici (1) splňuje a n = α n( P(n) cos(νn) + Q(n) sin(νn) ), kde α, ν R a P, Q jsou polynomy. Pak existuje řešení rovnice (1) ve tvaru z(n) = n m α n( R(n) cos(νn) + S(n) sin(νn) ), kde R a S jsou vhodné polynomy stupně ne většího než max{st P, st Q} a m N {0} udává, jakou násobnost má číslo α(cos ν + i sin ν) jakožto kořen charakteristického polynomu rovnice (3). XII. Diferenční rovnice

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic trepka velká XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic trepka velká prvoci nálevníci chudoblanní XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic trepka velká prvoci nálevníci chudoblanní a = 2.309, b = a/375 XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic 14 12 10 y 8 6 4 2 0 5 10 15 20 XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic Definice Diferenciální rovnicí rozumíme rovnici tvaru F(x, y, y, y,..., y (n) ) = 0, (4) kde F je reálná funkce n + 2 proměnných. XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic Definice Diferenciální rovnicí rozumíme rovnici tvaru F(x, y, y, y,..., y (n) ) = 0, (4) kde F je reálná funkce n + 2 proměnných. Řešením diferenciální rovnice (4) rozumíme funkci y definovanou na nějakém neprázdném otevřeném intervalu I, která má v každém bodě intervalu I vlastní n-tou derivaci a jejíž hodnoty spolu s hodnotami derivací splňují rovnici (4) v každém bodě intervalu I, tj. pro každé x I platí F ( x, y(x), y (x),..., y (n) (x) ) = 0. XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic Definice Je-li funkce y řešením rovnice (4) na intervalu I a funkce ỹ řešením rovnice (4) na intervalu Ĩ, kde I Ĩ, I Ĩ a y(x) = ỹ(x) pro všechna x I, pak říkáme, že řešení ỹ je prodloužením řešení y na interval Ĩ. XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic Definice Je-li funkce y řešením rovnice (4) na intervalu I a funkce ỹ řešením rovnice (4) na intervalu Ĩ, kde I Ĩ, I Ĩ a y(x) = ỹ(x) pro všechna x I, pak říkáme, že řešení ỹ je prodloužením řešení y na interval Ĩ. Řešení rovnice (4), které nemá prodloužení, nazýváme maximálním řešením rovnice (4). XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic Definice Rovnice tvaru y (n) = f (x, y, y,..., y (n 1) ), kde f je reálná funkce n + 1 proměnných, se nazývá diferenciální rovnice (n-tého řádu) vyřešená vzhledem k nejvyšší derivaci. XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic XIII. Základní pojmy teorie diferenciálních rovnic

XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými je rovnice tvaru y = g(y)h(x). (5) XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení Metoda řešení pro g a h spojité na svých definičních oborech XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení Metoda řešení pro g a h spojité na svých definičních oborech 1. Určíme maximální otevřené intervaly obsažené v definičním oboru funkce h. (Tím máme vymezeny maximální intervaly, na kterých můžeme hledat řešení.) XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení Metoda řešení pro g a h spojité na svých definičních oborech 1. Určíme maximální otevřené intervaly obsažené v definičním oboru funkce h. (Tím máme vymezeny maximální intervaly, na kterých můžeme hledat řešení.) 2. Najdeme všechny nulové body funkce g. Je-li g(c) = 0, pak na každém intervalu z 1. kroku je funkce y(x) = c tzv. singulárním (též stacionárním) řešením rovnice (5). XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení Metoda řešení pro g a h spojité na svých definičních oborech 1. Určíme maximální otevřené intervaly obsažené v definičním oboru funkce h. (Tím máme vymezeny maximální intervaly, na kterých můžeme hledat řešení.) 2. Najdeme všechny nulové body funkce g. Je-li g(c) = 0, pak na každém intervalu z 1. kroku je funkce y(x) = c tzv. singulárním (též stacionárním) řešením rovnice (5). 3. Určíme maximální otevřené intervaly, na kterých je funkce g nenulová. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. Tedy h je na I spojitá a g je na J spojitá a nenulová. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. Tedy h je na I spojitá a g je na J spojitá a nenulová. Budeme hledat řešení rovnice (5), jejichž definiční obor je obsažen v intervalu I a mají hodnoty v intervalu J. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. Tedy h je na I spojitá a g je na J spojitá a nenulová. Budeme hledat řešení rovnice (5), jejichž definiční obor je obsažen v intervalu I a mají hodnoty v intervalu J. Je-li y takové řešení, pak pro každé x D y platí y (x) g(y(x)) = h(x). XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. Tedy h je na I spojitá a g je na J spojitá a nenulová. Budeme hledat řešení rovnice (5), jejichž definiční obor je obsažen v intervalu I a mají hodnoty v intervalu J. Je-li y takové řešení, pak pro každé x D y platí y (x) g(y(x)) = h(x). Necht H je primitivní funkce k funkci h na intervalu I a G je primitivní funkce k funkci 1/g na J. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 4. Vezmeme interval I z 1. kroku a interval J ze 3. kroku. Tedy h je na I spojitá a g je na J spojitá a nenulová. Budeme hledat řešení rovnice (5), jejichž definiční obor je obsažen v intervalu I a mají hodnoty v intervalu J. Je-li y takové řešení, pak pro každé x D y platí y (x) g(y(x)) = h(x). Necht H je primitivní funkce k funkci h na intervalu I a G je primitivní funkce k funkci 1/g na J. Potom existuje konstanta C R taková, že platí G(y(x)) = H(x) + C na definičním oboru řešení y, který nalezneme v následujícím kroku. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 5. Nyní zafixujeme C a nalezneme maximální neprázdné otevřené intervaly obsažené v množině {x I; H(x) + C G(J)}. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 5. Nyní zafixujeme C a nalezneme maximální neprázdné otevřené intervaly obsažené v množině {x I; H(x) + C G(J)}. Na každém z těchto intervalů řešení musí mít tvar y(x) = G 1 (H(x) + C), kde G 1 značí funkci inverzní k funkci G. Ta existuje, nebot G je na intervalu J bud rostoucí nebo klesající. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 6. Z řešení nalezených v 5. kroku a singulárních řešení z 2. kroku slepíme všechna maximální řešení rovnice (5). XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 6. Z řešení nalezených v 5. kroku a singulárních řešení z 2. kroku slepíme všechna maximální řešení rovnice (5). Necht y 1 a y 2 jsou řešení rovnice (5), první na intervalu (a, b) a druhé na intervalu (b, c), přičemž b D h. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 6. Z řešení nalezených v 5. kroku a singulárních řešení z 2. kroku slepíme všechna maximální řešení rovnice (5). Necht y 1 a y 2 jsou řešení rovnice (5), první na intervalu (a, b) a druhé na intervalu (b, c), přičemž b D h. Předpokládejme, že lim y 1(x) = lim y 2 (x) = α D g. x b x b+ XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.1. Základní metoda řešení 6. Z řešení nalezených v 5. kroku a singulárních řešení z 2. kroku slepíme všechna maximální řešení rovnice (5). Necht y 1 a y 2 jsou řešení rovnice (5), první na intervalu (a, b) a druhé na intervalu (b, c), přičemž b D h. Předpokládejme, že lim y 1(x) = lim y 2 (x) = α D g. x b x b+ Pak funkce y 1 (x), x (a, b); y(x) = α, x = b; y 2 (x), x (b, c); je řešením rovnice (5) na intervalu (a, c). XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice Autonomní diferenciální rovnice jsou diferenciální rovnice nezávisející explicitně na proměnné x (na čase ). Autonomní diferenciální rovnice prvního řádu vyřešená vzhledem k nejvyšší derivaci je tedy rovnice tvaru y = g(y). (6) XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice Autonomní diferenciální rovnice jsou diferenciální rovnice nezávisející explicitně na proměnné x (na čase ). Autonomní diferenciální rovnice prvního řádu vyřešená vzhledem k nejvyšší derivaci je tedy rovnice tvaru y = g(y). (6) Věta 6 Každé řešení rovnice (6), kde g je libovolná funkce, je monotónní. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice Autonomní diferenciální rovnice jsou diferenciální rovnice nezávisející explicitně na proměnné x (na čase ). Autonomní diferenciální rovnice prvního řádu vyřešená vzhledem k nejvyšší derivaci je tedy rovnice tvaru y = g(y). (6) Věta 6 Každé řešení rovnice (6), kde g je libovolná funkce, je monotónní. Poznámka Je-li funkce y řešením rovnice (6) na intervalu (a, b), pak pro každé c R je funkce x y(x + c), x (a c, b c), rovněž jejím řešením. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice Lemma 7 Necht a, b R, a < b, funkce g je spojitá a kladná na a, b) a má v bodě b zleva kladnou limitu. Pak b 1 a g konverguje. XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XIV.2. Autonomní diferenciální rovnice Lemma 7 Necht a, b R, a < b, funkce g je spojitá a kladná na a, b) a má v bodě b zleva kladnou limitu. Pak b 1 a g konverguje. Lemma 8 Necht funkce g je spojitá na a, b, kladná na a, b), g(b) = 0 a g (b) existuje vlastní. Pak b 1 diverguje. a g XIV. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými

XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu Lineární diferenciální rovnicí prvního řádu rozumíme rovnici tvaru y + p(x)y = q(x), (7) kde p, q jsou funkce na daném intervalu (a, b). XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu Lineární diferenciální rovnicí prvního řádu rozumíme rovnici tvaru y + p(x)y = q(x), (7) kde p, q jsou funkce na daném intervalu (a, b). V dalším budeme předpokládat, že p, q jsou spojité funkce. XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu Lineární diferenciální rovnicí prvního řádu rozumíme rovnici tvaru y + p(x)y = q(x), (7) kde p, q jsou funkce na daném intervalu (a, b). V dalším budeme předpokládat, že p, q jsou spojité funkce. Pak každé řešení rovnice (7) je třídy C 1. XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu Lineární diferenciální rovnicí prvního řádu rozumíme rovnici tvaru y + p(x)y = q(x), (7) kde p, q jsou funkce na daném intervalu (a, b). V dalším budeme předpokládat, že p, q jsou spojité funkce. Pak každé řešení rovnice (7) je třídy C 1. Zobrazení L: C 1 (a, b) C(a, b), je lineární. L(y) = y + py XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.1. Homogenní rovnice XV.1. Homogenní rovnice XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.1. Homogenní rovnice XV.1. Homogenní rovnice Homogenní lineární diferenciální rovnicí prvního řádu budeme rozumět rovnici tvaru y + p(x)y = 0. XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.1. Homogenní rovnice XV.1. Homogenní rovnice Homogenní lineární diferenciální rovnicí prvního řádu budeme rozumět rovnici tvaru y + p(x)y = 0. Maximální řešení homogenní rovnice: y(x) = Ke P(x), x (a, b), K R, kde P je primitivní funkce k p na intervalu (a, b). XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.1. Homogenní rovnice XV.1. Homogenní rovnice Homogenní lineární diferenciální rovnicí prvního řádu budeme rozumět rovnici tvaru y + p(x)y = 0. Maximální řešení homogenní rovnice: y(x) = Ke P(x), x (a, b), K R, kde P je primitivní funkce k p na intervalu (a, b). Všechna řešení homogenní rovnice tvoří vektorový podprostor prostoru C 1 (a, b) dimenze 1 (dim Ker L = 1). XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.2. Nehomogenní rovnice XV.2. Nehomogenní rovnice XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.2. Nehomogenní rovnice XV.2. Nehomogenní rovnice Maximální řešení rovnice (7): ( x ) y(x) = q(t)e P(t) dt e P(x) +Ke P(x), x (a, b), K R, x 0 kde x 0 (a, b) a P je primitivní funkce k p na intervalu (a, b). XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.2. Nehomogenní rovnice XV.2. Nehomogenní rovnice Maximální řešení rovnice (7): ( x ) y(x) = q(t)e P(t) dt e P(x) +Ke P(x), x (a, b), K R, x 0 kde x 0 (a, b) a P je primitivní funkce k p na intervalu (a, b). Maximální řešení rovnice (7) splňující počáteční podmínku y(x 0 ) = y 0 : ( x ) y(x) = q(t)e P(t) dt e P(x) + y 0 e P(x), x (a, b), x 0 kde P(x 0 ) = 0, tj. P(x) = x x 0 p(t) dt. XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XV.2. Nehomogenní rovnice Pro každé x 0 (a, b) a každé y 0 R existuje právě jedno maximální řešení y rovnice (7), které splňuje počáteční podmínku y(x 0 ) = y 0. Toto řešení je navíc definováno na celém (a, b). XV. Lineární diferenciální rovnice prvního řádu

XVI. Lineární diferenciální rovnice XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI. Lineární diferenciální rovnice Definice Lineární diferenciální rovnicí n-tého řádu rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 (t)y (n 1) (t) + + a 1 (t)y (t) + a 0 (t)y(t) = f (t), (8) kde a 0,..., a n 1 a f jsou funkce spojité na daném intervalu (a, b). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI. Lineární diferenciální rovnice Definice Lineární diferenciální rovnicí n-tého řádu rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 (t)y (n 1) (t) + + a 1 (t)y (t) + a 0 (t)y(t) = f (t), (8) kde a 0,..., a n 1 a f jsou funkce spojité na daném intervalu (a, b). Homogenní rovnicí příslušnou k rovnici (8) rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 (t)y (n 1) (t) + + a 1 (t)y (t) + a 0 (t)y(t) = 0. (9) XVI. Lineární diferenciální rovnice

Každé řešení rovnice (8) je třídy C n. XVI. Lineární diferenciální rovnice

Každé řešení rovnice (8) je třídy C n. Zobrazení L: C n (a, b) C(a, b), je lineární. L(y) = y (n) + a n 1 y (n 1) + + a 1 y + a 0 y XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení XVI.1. Struktura prostoru řešení XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení XVI.1. Struktura prostoru řešení Věta 9 Necht t 0 (a, b) a z 0,..., z n 1 R. Pak existuje právě jedno maximální řešení y rovnice (8), které splňuje podmínky y(t 0 ) = z 0, y (t 0 ) = z 1,..., y (n 1) (t 0 ) = z n 1. Toto řešení je navíc definováno na celém intervalu (a, b). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení Věta 10 (i) Množina všech maximálních řešení rovnice (9) tvoří vektorový podprostor prostoru C n ((a, b)) dimenze n. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení Věta 10 (i) Množina všech maximálních řešení rovnice (9) tvoří vektorový podprostor prostoru C n ((a, b)) dimenze n. (ii) Necht y p je nějaké maximální řešení rovnice (8). Pak množina všech maximálních řešení rovnice (8) má tvar { yp +y h ; y h je řešením rovnice (9) na intervalu (a, b) }. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení Poznámka Báze prostoru maximálních řešení rovnice (9) se nazývá fundamentální systém řešení rovnice (9). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení Poznámka Báze prostoru maximálních řešení rovnice (9) se nazývá fundamentální systém řešení rovnice (9). Jsou-li funkce y 1,..., y n lineárně nezávislá maximální řešení rovnice (9), pak již tvoří fundamentální systém. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.1. Struktura prostoru řešení Poznámka Báze prostoru maximálních řešení rovnice (9) se nazývá fundamentální systém řešení rovnice (9). Jsou-li funkce y 1,..., y n lineárně nezávislá maximální řešení rovnice (9), pak již tvoří fundamentální systém. Abychom vyřešili nehomogenní rovnici (8), najdeme fundamentální systém y 1,..., y n pro rovnici (9) a jedno ( partikulární ) řešení y p rovnice (8). Všechna řešení rovnice (8) pak budou mít tvar y = y p + c 1 y 1 + + c n y n, kde c 1,..., c n R. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.2. Metoda variace konstant XVI.3. Metoda variace konstant XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.2. Metoda variace konstant Věta 11 (variace konstant) Necht funkce y 1,..., y n tvoří fundamentální systém řešení rovnice (9). Existují-li funkce c 1,..., c n mající na (a, b) vlastní derivaci a splňující soustavu rovnic c 1y 1 + + c ny n = 0 c 1y (n 2) 1 + + c ny (n 2) n = 0 c 1y (n 1) 1 + + c ny (n 1) n = f na intervalu (a, b), pak funkce y p (t) = c 1 (t)y 1 (t) + + c n (t)y n (t), t (a, b), je řešením rovnice (8).. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.2. Metoda variace konstant Definice Necht funkce y 1,..., y n tvoří fundamentální systém řešení rovnice (9). Pak matici (či přesněji maticovou funkci) y 1 (t) y 2 (t)... y n (t) y 1 (t) y 2 (t)... y n(t) U(t) =....., t (a, b). y (n 1) 1 (t) y (n 1) 2 (t)... y (n 1) n (t) nazýváme fundamentální maticí rovnice (9). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.2. Metoda variace konstant Definice Necht funkce y 1,..., y n tvoří fundamentální systém řešení rovnice (9). Pak matici (či přesněji maticovou funkci) y 1 (t) y 2 (t)... y n (t) y 1 (t) y 2 (t)... y n(t) U(t) =....., t (a, b). y (n 1) 1 (t) y (n 1) 2 (t)... y (n 1) n (t) nazýváme fundamentální maticí rovnice (9). Věta 12 Necht U(t) je fundamentální maticí rovnice (9). Pak matice U(t) je regulární pro každé t (a, b). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Definice Lineární diferenciální rovnicí n-tého řádu s konstantními koeficenty rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 y (n 1) (t) + + a 1 y (t) + a 0 y(t) = f (t), (10) kde a 0,..., a n 1 R a f je funkce spojitá na daném intervalu (a, b). XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Definice Lineární diferenciální rovnicí n-tého řádu s konstantními koeficenty rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 y (n 1) (t) + + a 1 y (t) + a 0 y(t) = f (t), (10) kde a 0,..., a n 1 R a f je funkce spojitá na daném intervalu (a, b). Homogenní rovnicí příslušnou k rovnici (10) rozumíme rovnici y (n) (t) + a n 1 y (n 1) + + a 1 y (t) + a 0 y(t) = 0. (11) XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Poznámka Maximální řešení rovnice (11) jsou definována na celém R. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Poznámka Maximální řešení rovnice (11) jsou definována na celém R. Definice Charakteristickým polynomem rovnice (11) rozumíme polynom χ(λ) = λ n + a n 1 λ n 1 + + a 1 λ + a 0. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Věta 13 (tvar fundamentálního systému) Necht λ 1,..., λ s jsou všechny navzájem různé reálné kořeny polynomu χ s násobnostmi r 1,..., r s. Necht α 1 + β 1 i,..., α l + β l i jsou všechny navzájem různé kořeny polynomu χ s kladnou imaginární částí a násobnostmi q 1,..., q l, kde α 1,..., α l, β 1,..., β l R. Pak následující funkce tvoří fundamentální systém řešení rovnice (11): e λ 1t, te λ 1t,... t r 1 1 e λ 1t,. e λst, te λst,... t rs 1 e λst, e α1t cos β 1 t, te α1t cos β 1 t,... t q1 1 e α1t cos β 1 t, e α1t sin β 1 t, te α1t sin β 1 t,... t q1 1 e α1t sin β 1 t,. e α l t cos β l t, te α l t cos β l t,... t q l 1 e α l t cos β l t, e α l t sin β l t, te α l t sin β l t,... t q l 1 e α l t sin β l t XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVI.3. Rovnice s konstantními koeficienty Věta 14 (speciální pravá strana) Necht f (t) = e µt (P(t) cos νt + Q(t) sin νt), t R, kde µ, ν R a P, Q jsou polynomy. Pak existuje řešení rovnice (10) ve tvaru y p (t) = t m e µt (R(t) cos νt + S(t) sin νt), t R, kde R, S jsou polynomy stupně ne většího než max{st P, st Q} a m N {0} udává, jakou násobnost má číslo µ + iν jakožto kořen charakteristického polynomu příslušné homogenní rovnice. XVI. Lineární diferenciální rovnice

XVII. Soustavy diferenciálních rovnic XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

80 60 y 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 x XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

80 60 y 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 x XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

80 60 y 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 x XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

Soustavou diferenciálních rovnic (prvního řádu) rozumíme soustavu x 1 = f 1 (t, x 1, x 2,..., x n ), x 2 = f 2 (t, x 1, x 2,..., x n ),. x n = f n (t, x 1, x 2,..., x n ), kde f i, i = 1,..., n, jsou dané funkce definované na neprázdné otevřené množině G R R n a hledaným objektem jsou funkce x 1,..., x n definované na jistém otevřeném intervalu. (12) XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Vektorový tvar soustavy: x = f (t, x), (13) kde x = [x 1, x 2,..., x n ], x = [x 1, x 2,..., x n] a f = [f 1, f 2,..., f n ]. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Definice Řešením soustavy (12) rozumíme vektorovou funkci x = [x 1,..., x n ] definovanou na otevřeném neprázdném intervalu I R s hodnotami v R n takovou, že pro každé t I existují vlastní derivace x 1 (t),..., x n(t), a platí x (t) = f ( t, x(t) ). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Definice Řešením soustavy (12) rozumíme vektorovou funkci x = [x 1,..., x n ] definovanou na otevřeném neprázdném intervalu I R s hodnotami v R n takovou, že pro každé t I existují vlastní derivace x 1 (t),..., x n(t), a platí x (t) = f ( t, x(t) ). Maximální řešení soustavy (12) je takové řešení x definované na intervalu I, které již nelze prodloužit, tj. je-li y řešení definované na intervalu J, I J a y(t) = x(t) pro každé t I, pak J = I. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Definice Řešením soustavy (12) rozumíme vektorovou funkci x = [x 1,..., x n ] definovanou na otevřeném neprázdném intervalu I R s hodnotami v R n takovou, že pro každé t I existují vlastní derivace x 1 (t),..., x n(t), a platí x (t) = f ( t, x(t) ). Maximální řešení soustavy (12) je takové řešení x definované na intervalu I, které již nelze prodloužit, tj. je-li y řešení definované na intervalu J, I J a y(t) = x(t) pro každé t I, pak J = I. Počáteční úlohou pro (12) rozumíme úlohu, kdy hledáme řešení x soustavy (12) splňující navíc předem zadanou podmínku x(t 0 ) = x 0, kde [t 0, x 0 ] G (tzv. počáteční podmínka). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Věta 15 (Peanova věta o existenci řešení) Necht G R R n je otevřená neprázdná množina a f : G R n je spojitá na G. Pak pro každé [t 0, x 0 ] G existuje maximální řešení x rovnice (13) splňující x(t 0 ) = x 0. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.1. Základní pojmy, věta o existenci a jednoznačnosti Věta 16 (o existenci a jednoznačnosti řešení) Necht G R R n je otevřená neprázdná množina a f : G R n je spojitá na G a navíc splňuje následující podmínku: (D) Pro každé i {1,..., n} platí, že parciální derivace f i podle druhé, třetí,..., (n + 1)-ní proměnné (tj. f i x 1,..., f i x n ) jsou spojité na G. Jestliže [t 0, x 0 ] G, potom existuje právě jedno maximální řešení x rovnice (13) splňující x(t 0 ) = x 0. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 17 (opouštění kompaktu) Necht G R R n je neprázdná a otevřená množina, zobrazení f : G R n je spojité, x je maximální řešení rovnice (13) definované na intervalu (α, β), t 0 (α, β), K G je kompaktní a [t 0, x(t 0 )] K. Pak existují τ 1 (α, t 0 ) a τ 2 (t 0, β) taková, že [τ 1, x(τ 1 )] / K a [τ 2, x(τ 2 )] / K. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 18 Necht a, b R, a < b, a funkce g je definovaná na intervalu (a, b). Funkce g má v bodě b zleva vlastní limitu právě tehdy, když splňuje Bolzanovu-Cauchyovu podmínku ε R, ε > 0 δ R, δ > 0 s, t P (b, δ): g(t) g(s) < ε. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 19 (spojitá závislost na počátečních podmínkách) Necht G R R n je neprázdná otevřená množina, f : G R n je spojité a splňuje na G podmínku (D) z Věty 16. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 19 (spojitá závislost na počátečních podmínkách) Necht G R R n je neprázdná otevřená množina, f : G R n je spojité a splňuje na G podmínku (D) z Věty 16. Necht x je maximální řešení soustavy (13) definované na (α, β) a t 0 (α, β). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 19 (spojitá závislost na počátečních podmínkách) Necht G R R n je neprázdná otevřená množina, f : G R n je spojité a splňuje na G podmínku (D) z Věty 16. Necht x je maximální řešení soustavy (13) definované na (α, β) a t 0 (α, β). Necht dále τ 1, τ 2 (α, β) je uzavřený interval obsahující t 0. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 19 (spojitá závislost na počátečních podmínkách) Necht G R R n je neprázdná otevřená množina, f : G R n je spojité a splňuje na G podmínku (D) z Věty 16. Necht x je maximální řešení soustavy (13) definované na (α, β) a t 0 (α, β). Necht dále τ 1, τ 2 (α, β) je uzavřený interval obsahující t 0. Pak pro každé ε > 0 existuje δ > 0 takové, že pro každé y 0 R n splňující y 0 x(t 0 ) < δ platí: XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Věta 19 (spojitá závislost na počátečních podmínkách) Necht G R R n je neprázdná otevřená množina, f : G R n je spojité a splňuje na G podmínku (D) z Věty 16. Necht x je maximální řešení soustavy (13) definované na (α, β) a t 0 (α, β). Necht dále τ 1, τ 2 (α, β) je uzavřený interval obsahující t 0. Pak pro každé ε > 0 existuje δ > 0 takové, že pro každé y 0 R n splňující y 0 x(t 0 ) < δ platí: Každé maximální řešení y soustavy (13) splňující počáteční podmínku y(t 0 ) = y 0 je definované na intervalu obsahujícím τ 1, τ 2 a platí x(t) y(t) < ε pro každé t τ 1, τ 2. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 20 (ekvivalence diferenciální a integrální rovnice) Necht G R R n je otevřená, f : G R n je spojité zobrazení, (α, β) R, t 0 (α, β) a [t 0, x 0 ] G. Spojitá vektorová funkce x : (α, β) R n je řešením rovnice (13) s počáteční podmínkou x(t 0 ) = x 0, právě když pro každé t (α, β) splňuje rovnici x(t) = x 0 + t t 0 f (s, x(s)) ds. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 21 (Gronwall) Necht funkce u je spojitá na intervalu t 0, t 1 ), t 0 R, t 1 R. Necht existují čísla a, α, β R, α > 0, β 0 taková, že u(t) a + t t 0 (αu(s) + β) ds, t t 0, t 1 ). Pak u(t) ( a + β ) e α(t t0), t t 0, t 1 ). α XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 22 Necht a, b R, a < b, x : a, b R n je spojitá a G R R n je otevřená množina. Necht platí { [t, x(t)] R R n ; t a, b } G. Potom existuje ξ > 0 takové, že { [t, z] R R n ; t a, b, x(t) z ξ } G. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 23 Necht a, b R, a < b, a x : a, b R n je spojitá. Potom platí b a b x(t) dt n x(t) dt. a XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení Lemma 24 Necht G R n je neprázdná a otevřená a g C 1 (G, R m ). Necht dále C G je konvexní a předpokládejme, že existuje M R, M > 0, takové, že i {1,..., m} j {1,..., n} x C : Potom pro každé dva body u, v C platí kde L = n mm. g(u) g(v) L u v, g i (x) x j M. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.2. Vlastnosti maximálních řešení XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Soustavou lineárních diferenciálních rovnic rozumíme soustavu tvaru x 1 = a 11 (t)x 1 + + a 1n (t)x n + b 1 (t), x 2 = a 21 (t)x 1 + + a 2n (t)x n + b 2 (t),. x n = a n1 (t)x 1 + + a nn (t)x n + b n (t), kde n N, a ij : (α, β) R, b i : (α, β) R, i, j {1,..., n}, jsou spojité funkce. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Vektorový tvar soustavy: x = A(t)x + b(t), (14) kde a 11 (t)... a 1n (t) b 1 (t) a 21 (t)... a 2n (t) A(t) =....., b(t) = b 2 (t).. a n1 (t)... a nn (t) b n (t) XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Věta 25 (existence a jednoznačnost řešení) Necht α, β R, α < β, t 0 (α, β) a y 0 R n. Necht A: (α, β) M(n n), b : (α, β) R n jsou spojitá zobrazení. Potom existuje právě jedno maximální řešení y soustavy (14) splňující y(t 0 ) = y 0. Toto řešení je navíc definováno na celém intervalu (α, β). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Definice Homogenní soustavou k soustavě (14) rozumíme soustavu x = A(t)x. (15) XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Definice Homogenní soustavou k soustavě (14) rozumíme soustavu x = A(t)x. (15) Zobrazení L: C 1 ((α, β), R n ) C((α, β), R n ), je lineární. L(x) = x Ax XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Věta 26 Necht α, β R, α < β, a A: (α, β) M(n n) je spojité zobrazení. Potom množina všech maximálních řešení homogenní soustavy (15) tvoří vektorový podprostor prostoru C 1( (α, β), R n). Dimenze tohoto podprostoru je rovna n. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Věta 26 Necht α, β R, α < β, a A: (α, β) M(n n) je spojité zobrazení. Potom množina všech maximálních řešení homogenní soustavy (15) tvoří vektorový podprostor prostoru C 1( (α, β), R n). Dimenze tohoto podprostoru je rovna n. Věta 27 Necht α, β R, α < β, a x 0 R n. Necht A: (α, β) M(n n), b : (α, β) R n jsou spojitá zobrazení. Necht y je řešení soustavy (14) na intervalu (α, β). Potom každé řešení x soustavy (14) na intervalu (α, β) má tvar y + z, kde z je jisté řešení soustavy (15) na intervalu (α, β). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Definice Bázi prostoru maximálních řešení soustavy (15) nazýváme fundamentální systém soustavy (15). Je-li y 1,..., y n fundamentální systém soustavy (15), pak matici y1 1 Φ(t) = ( y 1 (t),..., y n (t) ) (t)... y 1 n(t) y2 1 = (t)... y 2 n(t)..... yn 1 (t)... yn n (t) nazýváme fundamentální matice soustavy (15). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Věta 28 Necht Φ je fundamentální matice soustavy (15). Pak matice Φ(t) je regulární pro každé t (α, β). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.3. Soustavy lineárních diferenciálních rovnic Věta 29 (variace konstant) Necht n N, α, β R, α < β, t 0 (α, β) a y 0 R n. Necht A: (α, β) M(n n) a b : (α, β) R n jsou spojitá zobrazení. Pak maximální řešení y rovnice (14) s počáteční podmínkou y(t 0 ) = y 0 má tvar t y(t) = Φ(t)Φ(t 0 ) 1 y 0 +Φ(t) Φ(s) 1 b(s) ds, t (α, β), t 0 kde Φ je fundamentální matice soustavy (15). XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Soustava lineárních diferenciálních rovnic s konstantními koeficienty je soustava x = Ax + b(t), kde A M(n n) a b : (α, β) R n je daná (spojitá) vektorová funkce. Příslušná homogenní soustava je soustava x = Ax. (16) XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Tvrzení 30 Necht A M(n n) a vektorová funkce y : R R n je řešením soustavy (16). Pak y C (R, R n ) a pro každé k N platí y (k) (t) = A k y(t) pro t R. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Definice Matici, jejíž prvky jsou polynomy v proměnné λ, nazýváme λ-maticí. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Definice Matici, jejíž prvky jsou polynomy v proměnné λ, nazýváme λ-maticí. Řádkovými úpravami λ-matice rozumíme: XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Definice Matici, jejíž prvky jsou polynomy v proměnné λ, nazýváme λ-maticí. Řádkovými úpravami λ-matice rozumíme: záměnu dvou řádků, XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Definice Matici, jejíž prvky jsou polynomy v proměnné λ, nazýváme λ-maticí. Řádkovými úpravami λ-matice rozumíme: záměnu dvou řádků, vynásobení řádku nenulovou konstantou, XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Definice Matici, jejíž prvky jsou polynomy v proměnné λ, nazýváme λ-maticí. Řádkovými úpravami λ-matice rozumíme: záměnu dvou řádků, vynásobení řádku nenulovou konstantou, přičtení P(λ)-násobku jednoho řádku k jinému řádku, kde P(λ) je polynom v proměnné λ. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic

XVII.4. Řešení lineárních soustav s konstantními koeficienty Věta 31 Necht A M(n n). Pak lze λ-matici λi A převést konečnou posloupností řádkových úprav na horní trojúhelníkovou λ-matici. Výsledná λ-matice má na diagonále nenulové polynomy, součet jejichž stupňů je n. XVII. Soustavy diferenciálních rovnic