ekologie Pavel Fibich rovnice rovnice Pavel Fibich Shrnutí Literatura

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

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

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

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

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

Parciální derivace a diferenciál

řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky

Diferenciální rovnice 1

Parciální derivace a diferenciál

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

Uvod k pocatecnimu problemu pro obycejne diferencialni

Úvodní informace. 17. února 2018

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Numerická matematika. Zadání 25. Řešení diferenciální rovnice Rungovou Kuttovou metodou

ODR metody Runge-Kutta

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Parciální diferenciální rovnice

Základní vlastnosti křivek

Numerické řešení diferenciálních rovnic

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

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

ekologie Pavel Fibich Vektor a Matice Operace s maticemi Vlastnosti matic Pavel Fibich Shrnutí Literatura

Základy matematiky pro FEK

algoritmus»postup06«p e t r B y c z a n s k i Ú s t a v g e o n i k y A V

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

úloh pro ODR jednokrokové metody

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

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

Řešení diferenciálních rovnic I.

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

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

Matematická analýza III.

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Základní pojmy teorie ODR a speciální typy ODR1

Příklad 1. Řešení 1a. Řešení 1b ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 5

Elementární křivky a plochy

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

Maple. Petr Kundrát. Ústav matematiky, FSI VUT v Brně. Maple a základní znalosti z oblasti obyčejných diferenciálních rovnic.

Je založen na pojmu derivace funkce a její užití. Z předchozího studia je třeba si zopakovat a orientovat se v pojmech: funkce, D(f), g 2 : y =

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

1. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

na magisterský studijní obor Učitelství matematiky pro střední školy

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Řešení diferenciálních rovnic v MATLABu

Matematický seminář. OVO ŠVP Tématický celek Učivo ŠVP Integrace Mezipředmětové vztahy. jejich soustavy. Spojitost funkce v bodě. Limita funkce v bodě

2 Fyzikální aplikace. Předpokládejme, že f (x 0 ) existuje. Je-li f (x 0 ) vlastní, pak rovnice tečny ke grafu funkce f v bodě [x 0, f(x 0 )] je

Derivace a monotónnost funkce

Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

6. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE VÍCE PROMĚNNÝCH

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

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

Kristýna Bémová. 13. prosince 2007

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

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

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Dynamické systémy 4. Deterministický chaos. Ing. Jaroslav Jíra, CSc.

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

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

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

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

Numerické metody a statistika

Michal Fusek. 10. přednáška z AMA1. Ústav matematiky FEKT VUT, Michal Fusek 1 / 62

Numerická matematika 1

8.1. Separovatelné rovnice

Diskretizace. 29. dubna 2015

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Úvod do zpracování signálů

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

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

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

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

1 Modelování systémů 2. řádu

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

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

KGG/STG Statistika pro geografy

Zdroje chyb. Absolutní a relativní chyba. Absolutní chyba. Absolutní chyba přibližného čísla a se nazývá absolutní hodnota rozdílu přesného

Matematická analýza pro informatiky I.

South Bohemia Mathematical Letters Volume 23, (2015), No. 1, DĚLENÍ KRUHU NA OBLASTI ÚVOD

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

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.

VEKTOROVÁ POLE Otázky

Funkce jedné proměnné

Soustavy lineárních rovnic

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela řešení nelineárních obvodů

Transkript:

a diferenční - nalévárna pavel.fibich@prf.jcu.cz 27. září 2012

Obsah 1 2 3 4 5 6 7

Proč povídat o diferenciálních (δr) a diferenčních rovnicích ( R) v kurzu? δr a R jsou vhodné pro popisy vztahů a vývoje v čase bude snažší porozumět rovnicím které se v přednáškách objevují určitě to máte ve státnicových otázkách

Směrnice k přímky y = k x + q udává poměr změny veličiny y a při změně x k určuje zda je přímka (y) klesající/rostoucí/nezávislá na x Derivace funkce x(t) vyjadřuje změnu funkce x(t) (jejího výsledku, obrazu) vzhledem ke změně parametru t značíme dx dt nebo často jen zkráceně x (tj. když víme podle čeho derivujeme) x (t) = dx x(t+ t) x(t) dt = lim t 0 t je směrnice tečny v bodě např. rychlost = derivace vzdálenosti podle času

(δr) δr je matematická tvaru y (t) = f (t, y) v níž neznámou (řešením) je funkce (y). Derivace této funkce (y ) a případně samotná funkce je také obsažena v rovnici. Za řešení (integrál) δr považujeme každou funkci y, která vyhovuje δr. Příklady: y = r y, řešení y(t) = y 0 e r t dy/dt = r y(1 y/k ), řešení y(t) = K y 0 y o+(k y o) e r t Uvedené δr mají nekonečně mnoho řešení, proto často uvádíme počáteční podmínky y(t 0 ) = y 0 (např. y(0) = 5). Pravá strana δr říká jak se y mění.

Typy a řešení DR Říkáme, že δr je 1., 2.,... řádu pokud obsahuje 1., 2.,... derivaci neznámé funkce. Typy DR dle derivace obyčejné DR obsahují derivace hledané funkce jen podle jedné proměné, parciální DR obsahují derivace hledané funkce podle více proměných Typy DR dle pravé strany Řešení se separovanými proměnými, homogenní,... obecné nebere v úvahu počáteční podmínky, parciální musí splňovat počásteční podmínky

Geometrický význam y = f (t, y) V každém bodě (t, y ) v rovině dané osami t a y je dána hodnota f (t, y ) která udává derivaci fce y(t), která je řešením DR a platí y(t ) = y v bodě t a současně je tedy směrnicí tečny v bodě t směrnicí je jednoznačně zadán směr tečny můžeme tak nakreslit v každém bodě (t, y ) šipku (čárku) se směrnicí f (t, y ) Výsledný obrázek je směrové pole.

Směrové pole y = y r (1 y/k )

Řešíme DR Jak řešit y = f (t, y), y(t 0 ) = y 0? analyticky podle pravé strany integrováním; je-li trochu složitější je to pracné nebo neřešitelné numericky získáme přibližné řešení, metody Eulerova metoda Runge-Kutta Prediktor-Korektor,...

Řešíme DR analyticky- příklad Máme dy dt = r y, kde r = b d. Řešíme separací proměných dy r y = dt a integrováním dy r y = dt 1 r ln y = t + C vyjádříme si postupně y ln y = r (t + C) y = e r (t+c) = e r c e r t = K e r t Nyní můžeme zvolit počáteční podmínky y(t 0 ) = y 0 a t = 0 y 0 = K e 0 = K Dohromady máme řešení DR ve tvaru y = y 0 e r t.

Analytické řešení dy dt = r y je y = y 0 e r t

Eulerova metoda - numerické řešení Nehledáme řešení δr (což už víme, že je funkce), ale použijeme aproximaci tečnou. Postupujeme v diskrétních krocích t. V bodě (t 0, y 0 ) má integrální křivka tečnu o směrnici f (t 0, y 0 ). Nahradíme-li integrální křivku tečnou, změní se na tečně veličina t o hodnotu t, pak se hodnota y změní o y = f (t 0, x 0 ) t. Pro krátký krok t je tato aproximace zpravidla vyhovující.

Eulerova metoda - numerické řešení Pro bod (t 0 + t) dostáváme řešení A obecně y(t 0 + t) = y 0 + f (t 0, y 0 ) t y t+1 = y t + f (t n, y n ) t Je to nejjednodužší metoda, je málo přesná. Čím menší t tím je přesnější, ale to znamená že musíme provést víc kroků.

Eulerova metoda - příklad v excelu Pusťte si excel a zkusíme použít Eulerovu metodu na řešení y = f (t, y) = r y (1 y/k ) s počátečníma podmínkama t 0 = 1, y 0 = 1, r = 0.1, K = 10, t = 1 t y y t 0 y 0 y 0 = f (t 0, y 0 ) t t 1 = t 0 + t y 1 = y 0 + y 0 y 1 = f (t 1, y 1 ) t t 2 = t 1 + t y 2 = y 1 + y 1 y 2 = f (t 2, y 2 ) t......... Sheet1 t y yd y0 1 1 1 0.09 r 0.1 2 1.09 0.097119 k 10 3 1.187119 0.104619385 dt 1 4 1.291738385 0.112487958 t0 1 5 1.404226343 0.120704118 6 1.524930461 0.129238917 7 1.654169378 0.138054174 12 8 1.792223552 0.147101703 9 1.939325255 0.156322701 10 2.095647956 0.165647392 10 11 2.261295348 0.174994968 12 2.436290316 0.184273927 8 13 2.620564243 0.193382855 14 2.813947098 0.202211727 15 3.016158825 0.210643742 6 16 3.226802567 0.218557709 17 3.445360275 0.225830953 4 18 3.671191228 0.232342672 19 3.903533901 0.237977621 20 4.141511522 0.242629975 2 21 4.384141497 0.246207183 22 4.63034868 0.248633579 0 23 4.878982259 0.249853547 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 5 24 5.128835806 0.249834013 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 25 5.37866982 0.248566092 26 5.627235911 0.246065751 27 5.873301662 0.242373442

Ostatní metody pro numerické řešení DR Další metody (Runge-Kutta,Prediktor-Korektor) pro numerické řešení diferenciálních rovnic jsou mnohem přesnější a jsou součástí knihoven pro matematický soft. Online - http://math.rice.edu/ dfield/dfpp.html Komerční - Matlab, Maple, Mathematica Volně dostupné - Maxima, SciLab, R, Octave,...

( R) R jsou diskrétní podobou diferenciální rovnic (δr). Změny jsou chápány skokově nikoliv spojitě jako u δr (např. jako v Eulerově metodě). R má tvar y n+1 = f (y n ), a řešením je každá posloupnost y = {y n } n=1, která splňuje předchozí rovnici. Pevný bod (PB) funkce f je číslo y takové, že f (y ) = y. Posloupnost PB y = {y } n=1 je řešením R. Rozlišujeme 2 typy pevných bodů: atraktivní PB - body v jeho okolí se k němu blíží repulzivní PB - body v jeho okolí jsou odpuzovány

- příklad Aritmetická posloupnost je definována rekurentním vzorcem a n+1 = a n + Diference je zde a n+1 a n =. Řešením diferenční je posloupnost a n = a 0 + n

Řešíme R Jednoduché grafické řešení (pavučinový model). Zakreslíme y = f (x) a y = x.

DR na R Pokud je změna v diferenicální rovnici diskrétní, můžeme aproximovat DR pomocí R. dy/dt y t+ t y t t To je například pro y = r y (1 y/k ) a t = 1 y n+1 = y n + r y n (1 y n /K )

δr vyjadřují spojitou závislost, změnu (např. v čase) a jejich řešením je funkce. δr jdou řešit analyticky (integrováním) nebo numericky (aproximací). Metody pro numerické řešení jsou lehce použitélné v matematickém softu nebo často i v excelu. R definují diskrétní (skokovou) závislost, řešením je posloupnost.

a odkazy Mařík R., Dynamické modely v biologii. Skripta MZLU, 2004. Kot M., Elements of Mathematical Ecology. Cambridge University press, 2001. http://math.rice.edu/ dfield/dfpp.html