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

Podobné dokumenty
Diferenciální rovnice 1

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

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

Algebraické výrazy - řešené úlohy

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 12. a) 3 +1)d. Vypočítejte určité integrály: b) 5sin 4 ) d. c) d. g) 3 d. h) tg d. k) 4 arctg 2 ) d.

Diferenciální rovnice separace proměnných verze 1.1

Diferenciální rovnice 3

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 2. Určete a načrtněte definiční obory funkcí více proměnných: a) (, ) = b) (, ) = 3. c) (, ) = d) (, ) =

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

VZOROVÝ TEST PRO 1. ROČNÍK (1. A, 3. C)

Praha & EU: investujeme do vaší budoucnosti. Daniel Turzík, Miroslava Dubcová,

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

Řešení 1a Budeme provádět úpravu rozšířením směřující k odstranění odmocniny v čitateli. =lim = 0

Příklad 1. Řešení 1a Máme řešit rovnici ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 1. Řešte v R rovnice: = = + c) = f) +6 +8=4 g) h)

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

kuncova/, 2x + 3 (x 2)(x + 5) = A x 2 + B Přenásobením této rovnice (x 2)(x + 5) dostaneme rovnost

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Obyčejné diferenciální rovnice

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

8.1. Separovatelné rovnice

M - Příprava na 1. zápočtový test - třída 3SA

arcsin x 2 dx. x dx 4 x 2 ln 2 x + 24 x ln 2 x + 9x dx.

Diferenciální rovnice

M - Příprava na pololetní písemku č. 1

EXPONENCIÁLNÍ ROVNICE

. je zlomkem. Ten je smysluplný pro jakýkoli jmenovatel různý od nuly. Musí tedy platit = 0

Lineární rovnice. Rovnice o jedné neznámé. Rovnice o jedné neznámé x je zápis ve tvaru L(x) = P(x), kde obě strany tvoří výrazy s jednou neznámou x.

Test M1-ZS12-2 M1-ZS12-2/1. Příklad 1 Najděte tečnu grafu funkce f x 2 x 6 3 x 2, která je kolmá na přímku p :2x y 3 0.

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK CZ.1.07/1.5.00/ Anotace. Integrální počet VY_32_INOVACE_M0308. Matematika

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

MO-ME-N-T MOderní MEtody s Novými Technologiemi

1 Integrální počet. 1.1 Neurčitý integrál. 1.2 Metody výpočtů neurčitých integrálů

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.

V exponenciální rovnici se proměnná vyskytuje v exponentu. Obecně bychom mohli exponenciální rovnici zapsat takto:

Lineární funkce, rovnice a nerovnice 3 Soustavy lineárních rovnic

4.3.8 Vzorce pro součet goniometrických funkcí. π π. π π π π. π π. π π. Předpoklady: 4306

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 6

Obecnou definici vynecháme. Jednoduše řečeno: složenou funkci dostaneme, když dosadíme za argument funkci g. Potom y f g

Jednoduchá exponenciální rovnice

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

MO-ME-N-T MOderní MEtody s Novými Technologiemi

= 0,1 1,3. je oblast ohraničená přímkami =, =, =0 :0 1, : =2, =, =1

II. 3. Speciální integrační metody

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)

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

1 Polynomiální interpolace

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice

Inverzní Laplaceova transformace

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Goniometrické rovnice

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

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Digitální učební materiál

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

M - Příprava na 2. čtvrtletku - třídy 1P, 1VK

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

Řešení 1b Máme najít body, v nichž má funkce (, ) vázané extrémy, případně vázané lokální extrémy s podmínkou (, )=0, je-li: (, )= +,

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

M - Kvadratické rovnice

Soustavy rovnic pro učební obor Kadeřník

Definiční obor funkce

Funkce a lineární funkce pro studijní obory

Mocninná funkce: Příklad 1

Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

( ) ( ) Vzorce pro dvojnásobný úhel. π z hodnot goniometrických funkcí. Předpoklady: Začneme příkladem.

Rovnice a nerovnice v podílovém tvaru

diferenciální rovnice verze 1.1

F (x) = f(x). Je-li funkce f spojitá na intervalu I, pak existuje k funkci f primitivní funkce na intervalu I.

Příklad 1. Řešení 1a Máme určit obsah rovinné plochy ohraničené křivkami: ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 14. a) =0, = 1, = b) =4, =0

Logaritmická rovnice

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

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

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

GONIOMETRICKÉ FUNKCE

Soustavy rovnic pro učební obory

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

Nerovnice a nerovnice v součinovém nebo v podílovém tvaru

Matematika pro všechny

Jan Kotůlek. verze 3 ze dne 25. února 2011

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

Logaritmické rovnice a nerovnice

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

Neurčitý integrál. Robert Mařík. 4. března 2012

9.4. Rovnice se speciální pravou stranou

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

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

Obyčejné diferenciální rovnice

Lineární funkce, rovnice a nerovnice 4 lineární nerovnice

M - Příprava na 4. zápočtový test - třídy 1DP, 1DVK

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

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

Konvexnost, konkávnost

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

( ) ( ) ( ) ( ) Logaritmické rovnice III. Předpoklady: Př. 1: Vyřeš rovnici. Podmínky: Vnitřky logaritmů: x > 0.

Funkce pro studijní obory

Transkript:

Příklad Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: a) =, 0= b) =, = c) =2, = d) =2, 0= e) =, 0= f) 2 =0, = g) + =0, h) =, = 2 = i) =, 0= j) sin+cos=0, 2 =0 Řešení a Máme řešit LDR =, 0= Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných = ln =+, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce = vyjádříme neznámou a upravíme = =, =, dostáváme obecné řešení LDR =,, = Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky =

Řešení Cauchyho úlohy tedy je =, = = = = = 0= = Řešení b Máme řešit LDR =, = Nejprve si musíme uvědomit, že oblast řešení je = 0, protože zlomek na pravé straně je definován v tomto oboru. Nyní budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných = ln =ln +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce vyjádříme neznámou a upravíme = = =, =, dostáváme obecné řešení LDR =, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky = = Řešení Cauchyho úlohy tedy je =, = 0 = 2

= = = = Řešení c Máme řešit LDR =2, = Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných =2 ln = +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce vyjádříme neznámou a upravíme = = =, =, dostáváme obecné řešení LDR =,, = Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky = Řešení Cauchyho úlohy tedy je = = =, =2 =2 2=2 = = 3

= = = Řešení d Máme řešit LDR =2, 0= Ze zadání je definiční obor řešení omezen na nezáporné hodnoty hledané funkce. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných =2 =2+, 2 =2+ =+ 2 =+, = 2, Umocníme na druhou a dostáváme řešení, definiční obor není omezen podmínkou zmíněnou v počátku řešení (řešení má nezáporné hodnoty) =+,, = Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky 0+ = = Protože není možné, aby druhá mocnina reálného čísla byla záporná, nemá Cauchyho úloha v reálném oboru řešení. =2 + =2+ 2+=2+ Řešení e Máme řešit LDR =, 0= 4

Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných 2 = 2 = +, = +2= +, =2, dostáváme obecné řešení LDR = +, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky Tudíž Řešení Cauchyho úlohy tedy je += 0 += = = +, = = + = + 2 + 2= + 0= 0 += Řešení f Máme řešit LDR 2 =0, = Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných =2 5

ln =2 2 += +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce vyjádříme neznámou a upravíme = = =, =, dostáváme obecné řešení LDR =,, = Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky = Řešení Cauchyho úlohy tedy je = = = = =, 2 =0 2 = 6 =0 2 2 =0 2 2 =0 = = = Řešení g Máme řešit LDR + =0, = Ze zadání je definiční obor řešení omezen přípustností zlomku na pravé straně, tedy =. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných = +

= + Pravou stranu rozložíme na parciální zlomky (abychom mohli poté rozumně integrovat) + = + + =++ = ++ + + Koeficienty u stejných mocnin se musí rovnat, dostáváme soustavu rovnic +=0, = =, = Tedy = + + = + ln =ln ln + +, za použití vlastností logaritmu ln =ln + +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce = vyjádříme neznámou a upravíme = + = +, =, dostáváme obecné řešení LDR = +,, = Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky = + = Řešení Cauchyho úlohy tedy je 2 = =2 =2 +, = + =0 + + + =0 7

+ + + =0 = 2 + = 2 2 = Řešení h Máme řešit LDR =, = 2 Ze zadání je definiční obor řešení omezen přípustností zlomku, tedy = 0. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných = = +, = = Vyjádříme neznámou a dostáváme obecné řešení =,, = 0 Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky = 2 = 2 = Řešení Cauchyho úlohy tedy je = = +, = = 0 8

= 9 = = = 2 + = 2 Řešení i Máme řešit LDR =, 0= Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Dále je třeba si uvědomit, že v tomto případě je jedním z možných obecných řešení takzvané triviální řešení. V tomto případě existují triviální řešení dokonce dvě, protože pravou stranu můžeme psát = Je tedy zřejmé, že řešením obecné rovnice jsou konstantní funkce =0, =, = Dále budeme hledat řešení netriviální. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných = Před integrací provedeme rozklad na parciální zlomky = = + = + = ++ Koeficienty u stejných mocnin se musí rovnat, dostáváme soustavu rovnic +=0, = =, = = + = To ale není příliš šťastné. V následné integraci dostaneme dva kladné členy v logaritmech a to by vedlo k potížím při vyjádření hledané funkce. Proto obě strany rovnice vynásobíme konstantou - a dostaenme = + = + =

ln +ln = +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce Využijeme vlastností logaritmu = = =, =, Dostaneme = v několika krocích vyjádříme neznámou a upravíme =, = = = dostáváme obecné řešení LDR = = =,, = ; = neboli =ln Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. JE zřejmé, že ani jedno z obou triviálních řešení nevyhovuje počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky 0= = = =2 Řešení Cauchyho úlohy tedy je = 2, = ; =2 neboli =ln2 = = = = 0

0= 2 = 2 = Řešení j Máme řešit LDR sin+cos=0, 2 =0 Ze zadání není definiční obor řešení ničím omezen, tedy =. Měli bychom si povšimnout, že úloha má triviální řešení =0. Nyní budeme hledat řešení netriviální. Nejprve budeme hledat obecné řešení rovnice pomocí separace proměnných sin+cos=0 sin= cos = cos sin (pravou stranu pomocí substituce =sin,=cos) ln = ln sin +, Obě strany uplatníme jako argument exponenciální funkce vyjádříme neznámou a upravíme = = = sin = sin, =, dostáváme obecné řešení LDR = sin,, =, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu, neboli budeme hledat konkrétní K vyhovující počáteční podmínce. Obecné řešení dosadíme do počáteční podmínky 2 =0 sin =0 2 =0 =0 Řešením Cauchyho úlohy tedy je pouze triviální řešení =0, =

sin+cos=0 sin sin+ sin cos=0 cos sin+ sin sin cos=0 cos sin + cos sin =0 2 =0 0=0 2

Příklad 2 Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (s homogenní funkcí) a řešení Cauchyho úlohy: a) =, b) = 2, 0= 0= c) = +, = d) = 2, e) = +, = =0 Řešení 2a Máme řešit rovnici =, 0= Pokud vydělíme čitatele i jmenovatele pravé strany dostaneme = = = Je zřejmé, že se jedná o diferenciální rovnici s homogenní funkcí. To je ale již v zadání vyzrazeno, můžeme tedy přímo zavést substituci Dosadíme do zadané rovnice =, =, = + + = = = = Tím se nám podařilo převést danou rovnici na separovatelný tvar. Separujeme a pokračujeme v úpravách = = + 3

= = = ln =ln +, Obě strany použijeme jako argument exponenciální funkce a dostaneme Provedeme zpětnou substituci = = =, =, =, = dostáváme obecné řešení zadané rovnice (v implicitním tvaru) =, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu. Dosadíme počáteční podmínku 0= do obecného řešení 0= = Na pravé straně máme zlomek s nulou ve jmenovateli. Výraz není přípustný, proto Cauchyho úloha nemá řešení. Vzhledem k tomu, že jsme získali řešení v implicitním tvaru, nelze ho dosadit do dané rovnice. Ověření správnosti řešení je v této situaci komplikované. Řešení 2b Máme řešit rovnici = 2, 0= Pokud vydělíme čitatele i jmenovatele pravé strany dostaneme 2 = 2 2 = = Je zřejmé, že se jedná o diferenciální rovnici s homogenní funkcí. To je ale již v zadání vyzrazeno, můžeme tedy přímo zavést substituci 4

Dosadíme do zadané rovnice =, =, = + + = 2 = 2 = 2 = 2 Tím se nám podařilo převést danou rovnici na separovatelný tvar. Separujeme a pokračujeme v úpravách = 2 2 + = + = + = Výraz na levé straně rozložíme na parciální zlomky + = ++ + + + =+ + 5 = + ++ + Koeficienty u stejných mocnin neznámé musí být stejné. Dostáváme tedy soustavu rovnic +=, =0, = Která má řešení =, = 2, =0 Dosadíme do posledního tvaru rovnice + 2+0 + = 2 + = ln ln + =ln +, Obě strany použijeme jako argument exponenciální funkce a dostaneme = = + =, =, + =,

Provedeme zpětnou substituci + = + = + = + = + = dostáváme obecné řešení zadané rovnice (v implicitním tvaru) = +, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu. Dosadíme počáteční podmínku 0= do obecného řešení 0=0 +0 =0+ již přímo = Řešení zadané Cauchyho úlohy tedy je = + Vzhledem k tomu, že jsme získali řešení v implicitním tvaru, nelze ho dosadit do dané rovnice. Ověření správnosti řešení je v této situaci komplikované. Řešení 2c Máme řešit rovnici = +, = Pokud vydělíme čitatele i jmenovatele pravé strany dostaneme + = = + = + =+ Je zřejmé, že se jedná o diferenciální rovnici s homogenní funkcí. To je ale již v zadání vyzrazeno, můžeme tedy přímo zavést substituci Dosadíme do zadané rovnice =, =, = + 6

+ = + = + =+ = + = =ln +, Provedeme zpětnou substituci =ln +, dostáváme obecné řešení zadané rovnice (v implicitním tvaru) =ln +, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu. = ln += = Řešení Cauchyho úlohy tedy je =ln + = + ln + = +ln + ln ++ =+ln + ln ++=+ln + = ln += Řešení 2d Máme řešit rovnici = 2, = Pokud vydělíme čitatele i jmenovatele pravé strany dostaneme = = 2 2 Je zřejmé, že se jedná o diferenciální rovnici s homogenní funkcí. To je ale již v zadání vyzrazeno, můžeme tedy přímo zavést substituci 7

Dosadíme do zadané rovnice =, =, = + + = 2 = 2 = 2 = 2 Tím se nám podařilo převést danou rovnici na separovatelný tvar. Separujeme a pokračujeme v úpravách = 2 2 = 2 = 2 2 + = 2 + = ln + = ln +, Obě strany použijeme jako argument exponenciální funkce a dostaneme Provedeme zpětnou substituci = = + =, =, + =, + = + = + = + = = dostáváme obecné řešení zadané rovnice (v explicitním tvaru) =, 8

Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu. Dosadíme obecné řešení do počáteční podmínky = Řešení Cauchyho úlohy tedy je = = = =2 =2 = 2 = 2 2 = 2 2 = 2 = 2 = = Řešení 2e Máme řešit rovnici = +, =0 Pokud vydělíme čitatele i jmenovatele pravé strany dostaneme = + = + = + Je zřejmé, že se jedná o diferenciální rovnici s homogenní funkcí. To je ale již v zadání vyzrazeno, můžeme tedy přímo zavést substituci Dosadíme do zadané rovnice 9 =, =, = + + = = = + + +

= + Tím se nám podařilo převést danou rovnici na separovatelný tvar. Separujeme a pokračujeme v úpravách + = + = = 2+ + 2+ = + + 2+ = Před integrací převedeme výraz vlevo na parciální zlomky + 2+ = + 2+ =2++ = ++2 2+ 2+ Koeficienty u stejných mocnin neznámé musí být stejné. Dostáváme tedy soustavu rovnic +=, 2= Která má řešení Dosadíme do posledního tvaru rovnice = 2, = 2 2 + 2 2+ = + 2+ = 2 ln +ln 2+ = 2ln +, Obě strany použijeme jako argument exponenciální funkce a dostaneme = = 2+ =, =, Provedeme zpětnou substituci 2+=, 2+ = 20

Za předpokladu 0 můžeme zjednodušit 2+ = 2+= A to je obecné řešení zadané rovnice (v implicitním tvaru) 2+=, Nyní budeme řešit Cauchyho úlohu. Dosadíme počáteční podmínku 0= do obecného řešení 2 += 02+0= =0 Cauchyho úloha má tedy řešení 2+=0 Vzhledem k tomu, že jsme získali řešení v implicitním tvaru, nelze ho dosadit do dané rovnice. Ověření správnosti řešení je v této situaci komplikované. 2