Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

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

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

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

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

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)

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

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

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

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

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

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

12 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Diferenciální rovnice 3

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

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

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

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

Soustavy lineárních rovnic

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

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

Soustavy lineárních rovnic

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Úvod do lineární algebry

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

1 Determinanty a inverzní matice

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

Základní vlastnosti křivek

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

DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE ELEKTRONICKÁ SKRIPTA CYKLICKÉ KŘIVKY

Kapitola 7: Integrál.

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Soustavy linea rnı ch rovnic

Vektorové prostory R ( n 1,2,3)

Elementární křivky a plochy

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

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

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

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

0.1 Úvod do lineární algebry

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

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

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

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.

7. Soustavy ODR1 Studijní text. 7. Soustavy ODR1. A. Základní poznatky o soustavách ODR1

1 Soustavy lineárních rovnic

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Separovatelné diferenciální rovnice

Lineární algebra : Vlastní čísla, vektory a diagonalizace

Diferenciální rovnice

1 Projekce a projektory

Lineární algebra : Metrická geometrie

Vlastní čísla a vlastní vektory

Diferenciální rovnice II

12. Křivkové integrály

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Převedení okrajové úlohy na sled

0.1 Úvod do lineární algebry

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

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

Kapitola 11: Vektory a matice:

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Cvičení z Lineární algebry 1

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

Numerická matematika 1

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

6 Lineární geometrie. 6.1 Lineární variety

Matematika V. Dynamická optimalizace

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Diferenciální rovnice

8 Matice a determinanty

6. Lineární ODR n-tého řádu

Přednáška 4: Soustavy lineárních rovnic

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

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

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

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

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

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

(Poznámka: V MA 43 je věta formulována trochu odlišně.)

1. Obyčejné diferenciální rovnice

6 Samodružné body a směry afinity

4. Lineární diferenciální rovnice rovnice 1. ádu

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

21ˆx 0 mod 112, 21x p 35 mod 112. x p mod 16. x 3 mod 17. α 1 mod 13 α 0 mod 17. β 0 mod 13 β 1 mod 17.

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

α 1 α 2 + α 3 = 0 2α 1 + α 2 + α 3 = 0

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

2. kapitola: Euklidovské prostory

Numerické řešení diferenciálních rovnic

A0B01LAA Lineární algebra a aplikace (příklady na cvičení- řešení)

Transkript:

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu Základní pojmy Definice: Rovnice tvaru = f(t, x, y) = g(t, x, y), t I nazýváme soustavou dvou diferenciálních rovnic 1. řádu. Řešením soustavy rozumíme takovou dvojici funkcí (x(t), y(t)), definovaných na intervalu I R, které po dosazení do rovnic tyto rovnice splňují pro všechna t I. Poznámka: Budeme psát Autonomní soustavy Autonomní soustava je soustava x = y =. x = f(x, y) y = g(x, y), t I řešením je x = x(t), y = y(t) t I. Každému řešení (x(t), y(t)) t I odpovídá rovinná křivka. Definice: Rovinnou křivku odpovídající řešení (x(t), y(t)) t I dané soustavy nazýváme trajektorií řešení. Rovnice x = x(t), y = y(t) t I jsou parametrickými rovnicemi trajektorie řešení. Bod S = (x 0, y 0 ) nazýváme rovnovážným stavem soustavy jestliže f(x 0, y 0 ) = 0, g(x 0, y 0 ) = 0. Příslušné řešení x(t) = x 0, y(t) = y 0 t I nazýváme stacionárním řešením. Autonomní lineární systém Definice: Soustavu diferenciálních rovnic x = a 11 x + a 12 y y = a 21 x + a 22 y, 1

kde a ij R, i = 1, 2; j = 1, 2 nazýváme soustavu lineárních diferenciálních rovnic 1. řádu s konstantními koeficienty. Matici ( ) a11 a A = 12 a 21 a 22 nazýváme maticí soustavy. ( ) ( ) x(t) x Poznámka: Označme z(t) =, pak z (t) (t) = y(t) y a soustavu lze (t) pomocí matice A a vektorové funkce z(t) zapsat ve vektorovém tvaru z (t) = A z(t). Řešení autonomní lineární soustavy Protože zobrazení, které každé vektorové funkci z přiřadí vektorovou funkci ( z = A z) je lineární. Jeho jádro V H je lineární podprostor prostoru (C 1 (I)) 2 dimenze 2. Fundamentální systém bude mít te dva prvky { z 1 (t), z 2 (t)}. Poznamenejme, že vektorové funkce z 1 (t), z 2 (t) jsou řešením autonomní lineární soustavy z (t) = A z(t). a jsou to LN prvky (C 1 (I)) 2. Obecné řešení soustavy má tvar z(t) = C 1 z 1 (t) + C 2 z 2 (t). Postup řešení soustavy DR Hledáme řešení ve tvaru z = e λ t h, tj. ( ) ( z = e λ t h1 e λ t h = 1 h 2 e λ t h 2 Dosadíme do soustavy DR a dostaneme λ h = A h, hledáme te číslo λ a vektor h tak, aby splňovaly předchozí rovnici. Definice: Nenulový vektor h a číslo λ, které splňují rovnici A h = λ h nazýváme vlastním vektorem a vlastním číslem matice A. Poznámka: Vektor h 0 je vlastní vektor matice A příslušející vlastnímu číslu λ matice A. 2 ).

Postup řešení soustavy DR - 2 Poznámka: Jestliže h je vlastní vektor matice A příslušející vlastnímu číslu λ, potom pro všechna nenulová α R je α h také vlastním vektorem matice A příslušející vlastnímu číslu λ. Dále platí ( λ h = A h, h O ) det(a λ E) = 0, Mohou nastat tři přípa: λ 2 (a 11 + a 22 )λ + det A = 0. 1. dvě různá vlastní čísla λ 1 λ 2, λ 1, λ 2 R 2. dvě stejná vlastní čísla λ 1 = λ 2, λ 1, λ 2 R, (nebudeme dělat) 3. dvě komplexně sdružená vlastní čísla. Případ 1. λ 1 λ 2, λ 1, λ 2 R h 1 vlastní vektor přisl. λ 1 h2 vlastní vektor přisl. λ 2 Fundamentální systém z 1(t) = e λ 1 t h1 z 2 (t) = e λ 2 t h2 Obecné řešení autonomní lineární soustavy dvou DR 1. řádu je: z = C 1 e λ 1 t h1 + C 2 e λ 2 t h2. Případ 3. Vlastní čísla λ 12 = a ± i b, vlastní vektory budou také komplexně sdružené. Fundamentální systém z 1(t) = Re( e λ 1 t h1 ) z 2 (t) = Im( e λ 1 t h1 ) Obecné řešení autonomní lineární soustavy dvou DR 1. řádu je: z(t) = C 1 z 1 (t) + C 2 z 2 (t). 3

Eulerova metoda Metoda pro přibližné řešení soustavy DR 1. řádu. Mějme soustavu DR 1. řádu = f(t, x, y) = g(t, x, y), t a, b s počáteční podmínkou x(a) = x 0, y(a) = y 0. Zvolme dělení intervalu a, b, a = t 0 < t 1 < < t n = b a krok meto h = b a, potom t n i = a + i h... Označme x i = x(ti ) a y i = y(ti ). Potom jeden krok Eulerovy meto je x i+1 = x i + h f(t i, x i, y i ) y i+1 = y i + h g(t i, x i, y i ). Model "Dravec - kořist V rybníku žijí dva druhy ryb: Malé ryby - kořist (živí se třeba planktonem a mají ho dostatek nezávisle na počtu ryb) Velké ryby - dravec (požírají malé ryby) Sestrojíme jednoduchý matematický model x(t)... množství malých ryb v čase t y(t)... množství velkých ryb v čase t... rychlost změny množství malých ryb... rychlost změny množství velkých ryb Model "Dravec - kořist"- 2 Kby v rybníku byly jen malé ryby, chování malých ryb můžeme popsat rovnicí = a x(t), 4

kde a > 0 je přírůstkový koeficient. Jestliže v rybníku budou i velké ryby, tak bude přírůstek malých ryb záviset na počtu velkých ryb. Místo koeficientu a bude koeficient ã, kde ã = a α y(t), α > 0. Rovnice pro chování malých ryb má pak tvar = (a αy(t)) x(t). Model "Dravec - kořist"- 3 Kby v rybníku byly jen velké ryby, chování velkých ryb můžeme popsat rovnicí = b y(t), kde b > 0 je koeficient vymírání. Jestliže v rybníku budou i malé ryby, tak bude vymírání velkých ryb záviset na počtu malých ryb. Místo koeficientu b bude koeficient b, kde b = b β x(t), β > 0. Rovnice pro chování velkých ryb má pak tvar = (b βx(t)) y(t). Model "Dravec - kořist"- 4 Dostáváme te autonomní soustavu dvou diferenciálních rovnic 1. řádu kde α, β, a, b > 0. = (a αy(t)) x(t) = (b βx(t)) y(t), 5

Soustava má dva rovnovážné stavy S 1 = [0, 0], S 2 = [ b β, a ]. α Nelineární soustavu DR neumíme řešit, ale umíme najít rovnici pro trajektorii řešení. Nebo můžeme soustavu DR vyřešit numericky a dostaneme přibližné řešení x(t), y(t) v nějakých uzlových bodech 0 = t 0 < t 1 < < t n = T. 6