fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

Podobné dokumenty
LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Aplikace diferenciálních rovnic řešené příklady VMAT 1 / 11

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

Příklady na derivace a integrály. arboristika kombinovaná arboristika denní Robert Mařík,

Parciální derivace a diferenciál

Parciální derivace a diferenciál

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Diferenciální rovnice a dynamické modely

Petr Hasil

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

Soustavy lineárních rovnic

NEURČITÝ INTEGRÁL - CVIČENÍ

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Průběh funkce ZVMT lesnictví 1 / 21

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Derivace. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY - CVIČENÍ

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

diferenciální rovnice verze 1.1

PRŮBĚH FUNKCE - CVIČENÍ

Limita a spojitost LDF MENDELU

ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH ROVNIC

DERIVACE FUNKCE, L HOSPITALOVO PRAVIDLO

ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH ROVNIC

Příklady ke zkoušce z Aplikované matematiky

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

DERIVACE FUNKCE, L HOSPITALOVO PRAVIDLO - CVIČENÍ

Zkouška ze Aplikované matematiky pro Arboristy (AMPA), LDF, minut. Součet Koeficient Body. 4. [10 bodů] Integrální počet. 5.

LIMITA FUNKCE, SPOJITOST FUNKCE - CVIČENÍ

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

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Derivace vyšších řádů, aplikace derivací

Diferenciální rovnice 1

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Základy lineárního programování VMAT, IMT 1 / 25

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

DERIVACE FUNKCE, L HOSPITALOVO PRAVIDLO

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

časovém horizontu na rozdíl od experimentu lépe odhalit chybné poznání reality.

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

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

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

Základy vyšší matematiky arboristika Zadání písemek ze školního roku

Aplikace derivace a průběh funkce

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Technologie a procesy sušení dřeva

Zkouška ze Základů vyšší matematiky ZVMTA (LDF, ) 60 minut. Součet Koeficient Body

verze 1.4 Ekvivalentní podmínkou pro stacionární bod je, že totální diferenciál je nulový

1 1 x 2. Jedná se o diferenciální rovnici se separovanými proměnnými, která má smysl pro x ±1 a

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

Funkce a limita. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Základy matematiky pro FEK

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

Diferenciál a Taylorův polynom

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

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

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

Limita a spojitost funkce

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

1 Cvičení dx cos 2 x. (tg x) = d. (tg x) = (ln x) = d dx (ln x) = 1 x (arcsin x) = d dx (arcsin x) = 1. 1 x

Euklidovský prostor. Funkce dvou proměnných: základní pojmy, limita a spojitost.

6. dubna *********** Přednáška ***********

Přírodní vědy - Chemie vymezení zájmu

Obecná rovnice kvadratické funkce : y = ax 2 + bx + c Pokud není uvedeno jinak, tak definičním oborem řešených funkcí je množina reálných čísel.

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

LIMITA FUNKCE, SPOJITOST FUNKCE

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Funkce základní pojmy a vlastnosti

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA NEURČITÝ INTEGRÁL

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Diferenciální rovnice separace proměnných verze 1.1

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Diferenciální rovnice 3

5 Obyčejné diferenciální rovnice

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

1. Obyčejné diferenciální rovnice

0.1 Obyčejné diferenciální rovnice prvního řádu

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

7.[4body] Jedánautonomnísystém. 8.[4 body] Integrál

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

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

9.7. Vybrané aplikace

Měřicí a řídicí technika Bakalářské studium 2007/2008. odezva. odhad chování procesu. formální matematický vztah s neznámými parametry

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Technologie a procesy sušení dřeva

Obyčejné diferenciální rovnice

Poznámky pro žáky s poruchami učení z matematiky 2. ročník 2005/2006 str. 1. Funkce pro UO 1

Transkript:

Aplikace diferenciálních rovnic řešené příklady Vyšší matematika, Inženýrská matematika LDF MENDELU Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu http://akademie.ldf.mendelu.cz/cz (reg. č. CZ..07/2.2.00/28.002) za přispění finančních prostředků EU a státního rozpočtu České republiky. Simona Fišnarová Brno 204

Příklad (Ropná skvrna) Kruhová ropná skvrna na hladině se rozšiřuje tak, že poloměr roste rychlostí, která je nepřímo úměrná druhé mocnině poloměru. Sestavte diferenciální rovnici popisující tento proces a vyřešte ji tj. zjistěte, jaká funkce popisuje proces zvětšování poloměru olejové skvrny v čase. y = y(x)... poloměr skvrny Rychlost růstu poloměru y je vyjádřena derivací y. Derivace y je tedy nepřímo úměrná funkci y 2. Nepřímá úměrnost znamená, že existuje konstanta k R, že platí: y = k y 2 Řešení rovnice y = k y 2 Jedná se o rovnici se separovanými proměnnými. dy dx = k y 2 y 2 dy = k dx y 3 3 = kx + c y 3 = 3(kx + c) y = 3 3(kx + c)

Příklad (Chladnutí polévky) V kuchyni je teplota 20 C. Za jak dlouho se právě vypnutá vroucí polévka ochladí na 25 C, pokud po 0 minutách má teplotu 60 C? Návod: Podle Newtonova zákona je rychlost ochlazování tělesa na vzduchu přímo úměrná rozdílu teploty tělesa a vzduchu. y = y(x)... teplota polévky Rychlost ochlazování polévky je vyjádřena derivací y. Podle Newtonowa zákona je tedy derivace y přímo úměrná rozdílu y 20. Přímá úměrnost znamená, že existuje konstanta k R, že platí: y = k(y 20). Zároveň platí podmínky y(0) = 00 a y(0) = 60. Je potřeba najít řešení rovnice, které splňuje tyto podmínky a pak zjistit, pro jaké x je y = 25. Řešení rovnice y = k(y 20), y(0) = 00, y(0) = 60 Jedná se o rovnici se separovanými proměnnými. Dosazení podmínek: dy = k(y 20) dx dy = k dx y 20 ln(y 20) = kx + c y(0) = 00 : ln 80 = c y(0) = 60 : ln 40 = 0k + ln 80 k = Řešení rovnice lze tedy vyjádřit vztahem ln 40 ln 80 0 = ln 2 0 = 0 ln(y 20) = x + ln 80 0 2

Zbývá zjistit, pro jaké x je y = 25. Dosadíme y = 25 do rovnice: ln 5 = x + ln 80 0 x = ln 80 ln 5 0 80 x = ln 0 5 x = ln 6 0 ln 6 x = 0 Polévka se ochladí na 25 C za 40 minut. = 04 = 40 Příklad (Samočištění jezera) V jezeře je počáteční množství nečistot. Do jezera teče konstantní rychlostí čistá voda, mísí se se znečištěnou a odtéká. Průtok na odtoku je stejný jako na přítoku. Sestavte diferenciální rovnici popisující vývoj nečistot v čase. Předpokládáme, že voda je v jezeře dobře promíchávána. y = y(x)... množství nečistot v jezeře y 0... počáteční množství nečistot r... průtok = množství vody, které přiteče/odteče za jednotku času (je konstantní) V... objem jezera (konstantní) 3

Rychlost úbytku nečistot v jezeře je určena derivací y. Zároveň je vyjádřena množstvím nečistot, které z jezera odtečou za jednotku času, tj. r y V. Rovnice popisující vývoj nečistot v čase je tedy: y = r y V, y(0) = y 0 Jedná se o homogenní lineární rovnici, její obecné řešení je Dosadíme počáteční podmínku: y = ce r V x. y(0) = y 0 : y 0 = ce 0 = c = y 0. Vývoj nečistot v čase x je tedy určen funkcí y = y 0 e r V x Příklad (Znečišt ování jezera) V jezeře je voda o objemu 000 m 3. Do jezera přitéká a odtéká voda stejnou konstantní rychlostí - průtok je 2m 3 /hod. Voda v jezeře je na počátku čistá, začne však přitékat zněčištěná voda. Koncentrace nečistot na přítoku je 3 mg/m 3. Vaším úkolem je zachránit život v jezeře tak, že udržíte koncentraci nečistot v jezeře pod hodnotou mg/m 3. Kolik máte času na zastavení přísunu nečistot? Předpokládejme, že voda je v jezeře dobře promíchávána. y = y(x)... množství nečistot v jezeře 4

Rychlost změny množství nečistot v jezeře je určena derivací y. Zároveň je vyjádřena rozdílem nečistot, které do jezera přitečou a z jezera odtečou za jednotku času, tj. 6 0, 002y. Rovnice popisující vývoj nečistot v čase je tedy: y = 6 0, 002y, y(0) = 0 Rovnici můžeme řešit bud jako lineární nebo se separovanými proměnnými: Dosadíme podmínku: dy = dx 6 0, 002y 0, 002 dy = 0, 002 dx 6 0, 002y ln(6 0, 002y) = 0, 002x + c 6 0, 002y = Ce 0,002x y = 500(6 Ce 0,002x ) y(0) = 0 : 0 = 500(6 C) = C = 6 = y = 3000( e 0,002x ) Zbývá zjistit, v jakém čase x dosáhne koncentrace nečistot v jezeře hodnoty mg/m 3. Koncentrace je dána podílem y 000, tedy množství nečistot odpovídající koncentraci mg/m 3 je y = 000 mg. Do vztahu y = 3000( e 0,002x ) dosadíme tedy y = 000 a vypočteme odpovídající x: 000 = 3000( e 0,002x ) 3 = e 0,002x e 0,002x = 2 3 0, 002x = ln(2/3) x = 500 ln(2/3) = 500 ln(3/2) 202 Přísun nečistot je potřeba zastavit do 202 hodin, tj. do 8 dní 0 hodin. 5