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

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

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

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

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

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)

Soustavy lineárních rovnic

Soustavy lineárních rovnic

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

Diferenciální rovnice 3

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

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

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

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

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

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

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

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.

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

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

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

Soustavy linea rnı ch rovnic

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

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

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

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Obyčejné diferenciální rovnice

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

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

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

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

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

0.1 Úvod do lineární algebry

1 Determinanty a inverzní matice

6. Lineární ODR n-tého řádu

Matematika B101MA1, B101MA2

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

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

Úvod do lineární algebry

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

Základy matematiky pro FEK

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

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

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

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

Diferenciální rovnice

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

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

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

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

1 Diference a diferenční rovnice

7. Důležité pojmy ve vektorových prostorech

Řešení. Hledaná dimenze je (podle definice) rovna hodnosti matice. a a 2 2 1

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

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

1 Vektorové prostory.

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Diferenciální rovnice 1

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

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

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

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 1.ŘÁDU

Jazyk matematiky Matematická logika Množinové operace Zobrazení Rozšířená číslená osa

rovnice Matematická analýza 3 (verze 10. června 2015)

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

4. Lineární diferenciální rovnice rovnice 1. ádu

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

0.1 Úvod do lineární algebry

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Problém lineární komplementarity a kvadratické programování

12 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Lineární algebra : Metrická geometrie

Vlastní čísla a vlastní vektory

Vlastní číslo, vektor

1. Jordanův kanonický tvar

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

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

2.6. Vlastní čísla a vlastní vektory matice

19 Hilbertovy prostory

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

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

Transkript:

DEN: ODR teoreticky: soustavy rovnic Soustava lineárních ODR 1 řádu s konstantními koeficienty je soustava ve tvaru y 1 = a 11 y 1 + a 12 y 2 + + a 1n y n + b 1 (x) y 2 = a 21 y 1 + a 22 y 2 + + a 2n y n + b 2 (x) y n = a n1 y 1 + a n2 y 2 + + a nn y n + b n (x) kde b i (x) jsou pravé strany, a ij IR jsou koeficienty Počáteční či Cauchyho úloha pro tuto soustavu má počáteční podmínky y 1 (x 0 ) = y 1,0, y 2 (x 0 ) = y 2,0,, y n (x 0 ) = y n,0 Soustava se nazývá homogenní, pokud b i (x) = 0 pro všechna i = 1,, n Fakt Každou soustavu n lineárních ODR 1 řádu lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR řádu n Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR řádu n i Věta (o existenci a jednoznačnosti pro soustavy) Uvažujme soustavu LODR 1 řádu Jsou-li b i (x) spojité na otevřeném intervalu I, pak pro každé x 0 I a všechna y 1,0, y 2,0,, y n,0 IR existuje řešení příslušné počáteční (Cauchyho) úlohy na I a je jednoznačné 1

Fakt Každou lineární diferenciální rovnici řádu n (a každou soustavu lineárních diferenciálních rovnic se součtem řádů n) lze ekvivalentně převést na soustavu n lineárních diferenciálních rovnic 1 řádu Soustavu y 1 = a 11 y 1 + a 12 y 2 + + a 1n y n + b 1 (x) y 2 = a 21 y 1 + a 22 y 2 + + a 2n y n + b 2 (x) y n = a n1 y 1 + a n2 y 2 + + a nn y n + b n (x) a 11 a 1n lze zapsat jako y = A y + b, kde A = je matice soustavy, a n1 a nn b 1 (x) y 1 (x) b(x) = je vektor pravých stran, neznámá je y(x) = b n (x) y n (x) Soustava je homogenní, pokud b = 0, kde 0 = Poč podmínky jsou y(x 0 ) = y 0 0 0 n 1, pak y = y 1 y n Věta (o struktuře řešení pro homogenní soustavy) Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y, kde A IR n n Množina všech řešení této soustavy na nějakém otevřeném intervalu I je vektorový prostor dimenze n Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y, kde A IR n n Fundamentální systém řešení této soustavy na otevřeném intervalu I je libovolná báze prostoru všech řešení této soustavy na I Je-li { y 1,, y n } fundamentální systém řešení, definujeme jeho fundamentální matici na I jako Y (x) = ( y 1 (x) y n (x) ) (matice n n) 2

Fakt Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y, kde A IR n n Je-li Y (x) její fundamentální matice na I, pak obecné řešení této soustavy na I je y h (x) = Y (x) c pro c IR n Věta Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y, kde A IR n n Nechť y 1,, y n jsou řešení této soustavy na otevřeném intervalu I { y 1,, y n } je fundamentální systém řešení této soustavy na I právě tehdy, když det(y (x)) 0 na I, což je právě tehdy, když det(y (x 0 )) 0 pro nějaké x 0 I Nechť A IR n n je matice Číslo λ se nazývá vlastní číslo matice A, jestliže existuje nenulový vektor x IR n takový, že A x = λ x Vektorům x s touto vlastností pak říkáme vlastní vektory A příslušné/přidružené k vlastnímu číslu λ Věta Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y s maticí A IR n n Je-li λ 0 vlastní číslo A s vlastním vektorem v, pak y = v e λ 0x je řešením dané soustavy na IR Jsou-li λ 1,, λ k různá vlastní čísla matice A, pak odpovídající řešení tvoří lineárně nezávislou množinu 3

Fakt Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y s maticí A IR n n Nechť λ 0 je vlastní číslo A a v příslušný vlastní vektor Jestliže je λ 0 komplexní číslo (tedy Im(λ 0 ) 0), pak Re( ve λ 0x ) a Im( ve λ 0x ) jsou lineárně nezávislá řešení dané soustavy na IR Fakt Uvažujme homogenní soustavu lineárních ODR y = A y s maticí A IR n n Nechť λ 0 je vlastní číslo A násobnosti m a v příslušný vlastní vektor Definujme vektory takto: v 1 = v, v 2 řeší (A λ 0 E n ) x = v 1, v 3 řeší (A λ 0 E n ) x = v 2, v m řeší (A λ 0 E n ) x = v m 1 Pak jsou následující funkce řešeními dané soustavy na IR a tvoří lineárně nezávislou množinu: y = v 1 e λ0x, [ ] y = ( v 1 ) dx + v 2 e λ0x = ( v 1 x + v 2 )e λ0x, y = [ ( v 1 x + v 2 ) dx + v 3 ] e λ 0x = ( 1 2 v 1x 2 + v 2 x + v 3 ) e λ 0 x, y = ( 1 (m 1)! v 1x m 1 + 1 (m 2)! v 2x m 2 + + v m 1 x + v m ) e λ 0 x 4

Věta (o struktuře řešení pro soustavy) Uvažujme soustavu lineárních ODR y = A y + b(x) Nechť y p je nějaké její řešení na intervalu I Pak y 0 je také jejím řešením na I právě tehdy, když y 0 = y p + y h pro nějaké řešení y h soustavy y = A y na I Proto je-li y h obecné řešení přidružené homogenní soustavy na I, pak y p + y h je obecné řešení dané soustavy na I Algoritmus (Metoda variace konstant) Zadána soustava y = A y + b(x) 1 Nejprve najdeme obecné řešení y h přidružené homogenní soustavy y = A y: y h = Y (x) c neboli y 1h (x) = c 1 u 1 (x) + c 2 v 1 (x) +, y 2h =, y nh (x) = c 1 u n (x) + c 2 v n (x) + 2 a) Variace řádková: Hledáme řešení ve tvaru y 1 (x) = c 1 (x)u 1 (x) + c 2 (x)v 1 (x) +, y n (x) = c 1 (x)u n (x) + c 2 (x)v n (x) + Neznáme funkce c i (x) najdeme řešením soustavy rovnic c 1(x)u 1 (x) + c 2(x)v 1 (x) + = b 1 (x), c 1(x)u n (x) + c 2(x)v n (x) + = b n (x) Odtud se najde (eliminací, Kramerem) c 1(x), c 2(x), atd, integrací se získá c 1 (x), c 2 (x), atd, to se dosadí do zvariovaných y i a dostane se y 1p,, y np Obecné řešení je y i = y ip + y ih b) Variace vektorová: Hledáme řešení ve tvaru y = Y (x) c(x) Vznikne rovnice Y (x) c (x) = b(x), odtud c (x) = Y (x) 1 b(x), integrujeme po řádcích, dosadíme c(x) do y(x) = Y (x) c(x), vyjde y p, pak obecné řešení y = y p + y h 5