Matematika II Lineární diferenciální rovnice

Podobné dokumenty
Matematika II Aplikace derivací

Matematika II Urèitý integrál

Matematika II Limita a spojitost funkce, derivace

Matematika II Extrémy funkcí více promìnných

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

Matematika II Funkce více promìnných

Matematika I Ètvercové matice - determinanty

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

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

Exponenciální rozdìlení

Matematika I Podprostory prostoru V n

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

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

Matematika I Posloupnosti

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

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

5. Aplikace diferenciálního a integrálního po tu v jedné dimenzi ZS 2017/18 1 / 32

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

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)

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

Diferenciální rovnice

Termochemie { práce. Práce: W = s F nebo W = F ds. Objemová práce (p vn = vnìj¹í tlak): W = p vn dv. Vratný dìj: p = p vn (ze stavové rovnice) W =

Soustavy lineárních rovnic

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

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 1.ŘÁDU

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

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

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

Stanislav Labík. Ústav fyzikální chemie V CHT Praha budova A, 3. patro u zadního vchodu, místnost

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

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

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

Diferenciální rovnice 3

Opakování: Standardní stav þ ÿ

5 Obyčejné diferenciální rovnice

Lineární algebra : Lineární (ne)závislost

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Úvodní info. Studium

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Rovnováha kapalina{pára u binárních systémù

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

12 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Česká republika - ŽENY

2016 Česká republika ŽENY (aktuální k )

13. Kvadratické rovnice 2 body

Teorie Pøíèné vlny se ¹íøí v napjaté strunì pøibli¾nì rychlostí. v =

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2

Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

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

Klasická termodynamika (aneb pøehled FCH I)

Diferenciální rovnice

19 Hilbertovy prostory

v trojúhelníku P QC sestrojíme vý¹ky na základnu a jedno rameno, patu vý¹ky na rameno oznaèíme R a patu na základnu S

Zápo tová písemná práce. 1 z p edm tu 01RMF varianta A

y 2 x 2 max F(X) x 1 y 1

6. Lineární ODR n-tého řádu

Aproximace funkcí. Chceme þvzoreèekÿ. Známe: celý prùbìh funkce

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

Kapitola 7: Neurčitý integrál. 1/14

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

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

9.4. Rovnice se speciální pravou stranou

Zápo tová písemná práce. 1 z p edm tu 01MAB3 varianta A

Obyčejné diferenciální rovnice

Brownovská (stochastická) dynamika, disipativní èásticová dynamika = MD + náhodné síly. i = 1,..., N. r i. U = i<j. u(r ij ) du(r ji ) r ji

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

Úvodní info. Studium

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

7.3. Diferenciální rovnice II. řádu

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

NOSNÍK NA PRUŽNÉM PODLOŽÍ (WINKLEROVSKÉM)

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

Soustavy lineárních rovnic

Téma è. 3: 34 Úvod do agegátní poptávky a agregátní nabídky ÚVOD DO AGREGÁTNÍ POPTÁVKY A AGREGÁTNÍ NABÍDKY

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

4. Lineární diferenciální rovnice rovnice 1. ádu

Kapitola 7: Integrál. 1/17

16 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

Diferenciální rovnice a dynamické modely

Parciální derivace a diferenciál

Teorie měření a regulace

ASYNCHRONNÍ DYNAMOMETRY ØADY ASD DO 1000 kw

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Autor by chtìl podìkovat všem svým spolupracovníkùm a kolegùm, kteøí mu pomohli s pøípravou textu. K vydání knihy pøispìla firma Newport Electronics s

Parciální derivace a diferenciál

NEKOVÉ PØEVODOVKY ØADA K

METODICKÝ NÁVOD MODULU

Obyčejné diferenciální rovnice

VY_32_INOVACE_M-Ar 8.,9.20 Lineární funkce graf, definiční obor a obor hodnot funkce

NEKOVÉ PØEVODOVKY ØADA X

ROVNICE NA ČASOVÝCH ŠKÁLÁCH A NÁHODNÉ PROCESY. Michal Friesl

8.1. Separovatelné rovnice

Transkript:

Matematika II Lineární diferenciální rovnice RNDr. Renata Klufová, Ph. D. Jihoèeská univerzita v Èeských Budìjovicích EF Katedra aplikované matematiky a informatiky

Lineární diferenciální rovnice Denice a vìta. Nech» p(x), q(x) jsou funkce. Diferenciální rovnici y + p(x) y = q(x) nazýváme lineární diferenciální rovnicí 1. øádu s pravou stranou. Je-li q(x) = 0... lineární diferenciální rovnice 1. øádu bez pravé strany. Je-li P (x) primitivní funkce k p(x) v nìjakém intervalu I, pak: (1) obecné øe¹ení rovnice bez pravé strany má tvar y = C e P (x), C R. (2) obecné øe¹ení rovnice s pravou stranou má tvar y = C e P (x) + r(x), C R, kde r(x) je libovolné partikulární øe¹ení rovnice s pravou stranou na I.

Pøíklady Najdìte obecné øe¹ení LDR: (a) y + y cos x = 0, (b) y + 2xy = 0

Pøíklad Najdìte øe¹ení LDR: y + 2xy = x metoda variace konstanty:

Linerání diferenciální rovnice s konst. koef. 1. a 2. øádu Denice a vìta. Nech» q(x) je funkce; a, b, c, p R, a 0. Lineární diferenciální rovnice s konstantními koecienty 1. a 2. øádu s pravou stranou (resp. bez pravé strany): 1. øád: y + p y = q(x), resp. y + p y = 0 2. øád: a y + b y + c y = q(x), resp. a y + b y + c y = 0 Obecné øe¹ení rovnice 1. øádu je: y = C e px, s pravou stranou: y = C e px + r(x)

Linerání diferenciální rovnice 2. øádu - postup øe¹ení 1. rovnice bez pravé strany... sestavíme tzv. charakteristickou rovnici aλ 2 + bλ + c = 0 s neznámou λ a diskriminantem D: 2. D > 0... 2 reálné koøeny λ 1, λ 2... obecné øe¹ení rovnice bez pravé strany: y = C 1 e λ 1x + C 2 e λ 2x, C 1, C 2 R; D = 0... jeden dvojnásobný koøen λ... obecné øe¹ení rovnice bez pravé strany: y = C 1 e λx + C 2 xe λx, C 1, C 2 R; D < 0... komplexnì sdru¾ené koøeny λ 1,2 = u ± iv... obecné øe¹ení rovnice bez pravé strany: y = C 1 e ux cos(vx) + C 2 e ux sin(vx), C 1, C 2 R. 3. Obecné øe¹ení rovnice s pravou stranou vznikne z øe¹ení rovnice bez pravé strany - pøiètením libovolného partikulárního øe¹ení rovnice s pravou stranou.

Pøíklad Najdìte øe¹ení LDR: (a) y 9y = 0 (b) y + 2y = 0

Speciální typy pravých stran Vìta. Nech» lineární diferenciální rovnice s konstantními koe- cienty 1. nebo 2. øádu má na pravé stranì funkci tvaru q(x) = m(x) e kx, kde m(x) je mnohoèlen. Potom existuje mnohoèlen M(x) stejného stupnì jako m(x) tak, ¾e partikulární øe¹ení diferenciální rovnice s pravou stranou má tvar: (i) r(x) = M(x) e kx, pokud y = e kx rovnice bez pravé strany, není øe¹ením pøíslu¹né (ii) r(x) = x M(x) e kx, pokud y = e kx je øe¹ení pøíslu¹né rovnice bez pravé strany (u 2. øádu musí D > 0), (iii) r(x) = x 2 M(x) e kx, pro 2. øád, kdy D = 0, a pøitom je y = e kx øe¹ení pøíslu¹né rovnice bez pravé strany.

Speciální typy pravých stran Najdìte øe¹ení LDR: (a) y 3y = (x 5)e x (b) y 4y = 12x 2 + 3x 3

Speciální typy pravých stran Najdìte øe¹ení LDR s poèáteèními podmínkami: (a) y 2y = xe x, y(0) = 7 (b) y + 4y = 15, y(0) = 1 4, y(π 4 ) = 4

Aplikace diferenciálních rovnic... vyjádøení popisovaného vztahu mezi závisle a nezávisle promìnnou velièinou pomocí diferenciální rovnice hledaný model... partikulární øe¹ení splòující poèáteèní podmínky nìkdy je nutno ve výsledném modelu je¹tì upøesòovat dal¹í parametry

Model exponenciálního rùstu vycházejí z pøedpokladu pøímé úmìrnosti mezi okam¾itou rychlostí nárùstu závisle promìnné a její okam¾itou hodnotou: y = k y, k > 0... tzv. rùstová konstanta rùst populací, spojité úroèení - pøi této formì úroèení s úrokovou mírou r se celková hodnota úroèené èástky A(t) neustále mìní s èasem t (v letech od poèátku úroèícího procesu) podle vztahu da dt = r A, tj. A = C e rt. Oznaèíme-li P (principal) výchozí èástku úètu, pak budoucí hodnota A = P e rt.

Model exponenciálního rùstu Za 2 roky vzrostl poèet obyvatel v populaci ze 600 tis. na 1 800 tis. Pokud dochází k populaènímu rùstu za ideálních podmínek, jaká bude velikost populace za dal¹ích 1,5 roku?

Model exponenciálního poklesu y = Ce kt, k < 0, C R zákon radioaktivního rozpadu - je-li y 0 poèáteèní mno¾ství radioaktivní látky a t je èas v letech, pak y(t) = y 0 e kt je mno¾ství dosud nerozpadlé látky po uplynutí t let. Ke zji¹tìní konstanty k se pou¾ívá tzv. poloèas rozpadu T - napø. pro uran 238 U... 4, 5 10 9 let

Model exponenciálního poklesu Populace ohro¾eného druhu alja¹ského soba klesá exponenciálnì. Poprvé, kdy¾ byl tento trend zachycen, byl stav populace 2 500 ks, ale po 10 letech u¾ jen 1 200 kusù. Sestrojte matematický model tohoto jevu.

Modely omezeného exponenciálního rùstu y = f(t), kde závisle promìnná má urèitou rùstovou hranici, tj. lim t f(t) = M. logistický rùst - þsÿ køivka

Model omezeného exponenciálního rùstu Odvoïte obecný model uèení za pøedpokladu, ¾e úroveò zvládnutí dané dovednosti studentem je mìøena velièinou y (napø. objem výkonu), pøièem¾ koneèný stav úrovnì této velièiny je M. V prùbìhu uèení je y funkcí èasu t, výchozí hodnota ke y 0. Pøedpokládejte, ¾e v prùbìhu celého procesu je okam¾itá rychlost uèení pøímo úmìrná rozdílu koneèné úrovnì M a právì dosa¾ené úrovnì, tj. platí dy = k (M y). dt

Model omezeného exponenciálního rùstu Pøi sestavování modelu ¹íøení infekce v populaci je t èas v týdnech (od poèátku) sledování a y vyjadøuje pomìrnou velikost zachvácené èásti populace; je tedy y = y(t). Vyjdìte z pøedpokladu, ¾e okam¾itá rychlost populace je pøímo úmìrná velikosti zasa¾ené a zároveò velikosti nezasa¾ené èásti populace. Pøedpokládejte dále, ¾e na poèátku sledování je zachváceno 5% populace a po 2 týdench 30% populace, tj. y(0) = 0, 05 a y(2) = 0, 30.