Diferenciální rovnice 1

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

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

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

Diferenciální rovnice separace proměnných verze 1.1

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

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

Diferenciální rovnice 3

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

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

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Soustavy rovnic pro učební obor Kadeřník

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

Obyčejné diferenciální rovnice

Soustavy rovnic pro učební obory

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

8.1. Separovatelné rovnice

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

M - Příprava na pololetní písemku č. 1

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

Diferenciální rovnice

diferenciální rovnice verze 1.1

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

Sedmé cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

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.

Homogenní rovnice. Uvažujme rovnici. y = f(x, y), (4) kde

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

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

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.

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

Lineární funkce, rovnice a nerovnice 3 Soustavy lineárních rovnic

0.1 Obyčejné diferenciální rovnice prvního řádu

Algebraické výrazy - řešené úlohy

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

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

Extrémy funkce dvou proměnných

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

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

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

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

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

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

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

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 6

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

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

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

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

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)

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

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

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

M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice

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

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Úvod do řešení lineárních rovnic a jejich soustav

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

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Obyčejné diferenciální rovnice

1 Polynomiální interpolace

Logaritmické rovnice a nerovnice

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

LINEÁRNÍ ROVNICE S ABSOLUTNÍ HODNOTOU

Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce

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

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

Logaritmická rovnice

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

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

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

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

Seznámíte se s pojmem primitivní funkce a neurčitý integrál funkce jedné proměnné.

Matematika pro všechny

Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

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.

Řešení slovních úloh pomocí lineárních rovnic

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

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

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

Šesté cvičení bude vysvětlovat tuto problematiku:

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

řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

Matematika Kvadratická rovnice. Kvadratická rovnice je matematický zápis, který můžeme (za pomoci ekvivalentních úprav) upravit na tvar

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

9. Soustavy rovnic DEFINICE SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC O DVOU NEZNÁMÝCH. Soustava lineárních rovnic o dvou neznámých je:

Neurčitý integrál. Robert Mařík. 4. března 2012

je omezena + =,,0 1 je omezena,0 2,0 2,0 je horní polovina koule + + je omezena + =1, + + =3, =0

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Lineární diferenciální rovnice 1. řádu verze 1.1

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

EXPONENCIÁLNÍ ROVNICE

Mocninná funkce: Příklad 1

Funkce a lineární funkce pro studijní obory

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

Transkript:

Diferenciální rovnice 1 Základní pojmy Diferenciální rovnice n-tého řádu v implicitním tvaru je obecně rovnice ve tvaru,,,, = Řád diferenciální rovnice odpovídá nejvyššímu stupni derivace v rovnici použitému. Přitom je funkce, kterou budeme při řešení rovnice hledat, je její argument. Diferenciální rovnice n-tého řádu v explicitním tvaru je obecně rovnice ve tvaru =,,,, V explicitním tvaru je tedy přímo vyjádřena nejvyšší derivace neznámé funkce. Víme, že derivace funkcí lišících se pouze o konstantu jsou stejné, neboli + = kde Z toho je zřejmé, že pokud bude mít diferenciální rovnice řešení, bude jich nekonečně mnoho a budou se lišit o reálnou konstantu. Cauchyho úloha je diferenciální rovnice doplněná počátečními podmínkami. Jde o soustavu rovnic =,,,, = = Počáteční podmínky jednoznačně určují hodnotu konkrétních derivací nižších řádů. Tím určují jednoznačně i řešení diferenciální rovnice. Cauchyho úloha má tedy obvykle jedno nebo žádné řešení. Poznámka V dalším textu budou uváděny netriviální metody řešení konkrétních typů diferenciálních rovnic. Je třeba si uvědomit, že některé diferenciální rovnice mají i takzvané triviální řešení, kterým obvykle je nějaká konstantní funkce. Při řešení konkrétních úloh je tedy vhodné hned na začátku zjistit, zda nějaké takové triviální řešení existuje. Diferenciální rovnice typu = Diferenciální rovnice tohoto typu se řeší přímo integrací obou stran takto: = = Při této integraci je dobré si uvědomit, že můžeme chápat jako, které známe z běžné integrace. Dostaneme 1

= Cauchyho úloha tohoto typu se řeší stejným způsobem. Počáteční podmínka se využije k nalezení integrační konstanty. Příklad =2 +3+ 1 1=5 Nejprve budeme řešit diferenciální rovnici integrováním obou stran =2 +3+ 1 =2 4 +3 2 +ln+ Zde a v dalším textu řešení tohoto příkladu je. Odtud po úpravě = 2 +3 2 +ln+ Dostali jsme obecné řešení dané diferenciální rovnice. Nyní vyřešíme zadanou Cauchyho úlohu dosazením počáteční podmínky do obecného řešení. 1=5 1 2 +31 2 +ln1+=5 1 2 +3 2 +0+=5 2+=5 =3 Takto vypočtenou konkrétní integrační konstantu odpovídající dané počáteční podmínce dosadíme do obecného řešení a dostáváme tak řešení zadané Cauchyho úlohy. = 2 +3 2 +ln+3 Řešení úlohy je ještě nutné doplnit oborem, ve kterém má toto řešení smysl. Jde o definiční obou funkce. V našem případě =0,+. Zkouška Všechny naše výpočty bychom měli kontrolovat zkouškou, je-li to možné. V tomto případě musíme ověřit jak správnost řešení diferenciální rovnice, tak shodu s počáteční podmínkou. Nalezené řešení Cauchyho úlohy tedy nejprve derivujeme = 4 = 2 +3 2 +ln+3 2 +32 2 +1 +0=2 +3+ 1 Vidíme, že řešení odpovídá zadané diferenciální rovnici. Nyní ověříme počáteční podmínku 1= 1 2 +31 2 +ln1+3=1 2 +3 2 +0+3=2+3=5 Vidíme, že naše řešení splňuje i zadanou počáteční podmínku. Můžeme tedy konstatovat, že námi nalezené řešení Cauchyho úlohy odpovídá zadání. Separovatelné diferenciální rovnice Separovatelné diferenciální rovnice jsou diferenciální rovnice, které umožňují oddělit neznámou od argumentu na různé strany rovnice. Mají tedy obecný tvar 2

= Provedeme separaci proměnných = Po tomto kroku se rovnice řeší přímo integrací obou stran. = Pokud se nám z výsledku podaří vyjádřit přímo neznámou funkci pomocí výrazu obsahujícího přímo argument, dostáváme řešení v explicitním tvaru. Pokud se nám to nepodaří, dostáváme řešení v implicitním tvaru. Příklad Určete množinu všech řešení diferenciální rovnice =3 Separujeme =3 Integrujeme =3 =3 1 =3 3 + Zde a v dalším textu řešení tohoto příkladu je. Odtud můžeme hledanou funkci vyjádřit explicitně 1 = + = 1 + Definičním oborem nalezeného řešení je množina, na které výraz na pravé straně dává smysl, neboli =,,+ Zkouška Derivujeme obě strany řešení tak, aby levá strana odpovídala zadání. = 1 + = 0 + 1 3 +0 + = 3 3 + = + Nyní dosadíme řešení a jeho derivaci do zadané rovnice =3 3 + =3 1 + Po úpravě dostáváme 3 3 + = + Tím jsme ověřili správnost nalezeného řešení. 3

Diferenciální rovnice s homogenní funkcí Diferenciální rovnice s homogenní funkcí mají obecný tvar = Tyto rovnice řešíme tak, že zavedeme substituci (pro jistotu je dobré uvědomit si, že je funkcí ) V této substituci tedy platí A po zderivování Dosadíme do původní rovnice a dostaneme Vyjádříme rovnicí v explicitním tvaru = 0 = = + += = 1 Je jasně patrné, že tato rovnice je separovatelná a umíme ji tedy řešit. Separujeme =1 Integrujeme =1 Po integraci pravé strany =ln+ kde Po integraci levé strany provedeme zpětnou substituci a dojdeme k řešení. Příklad Určete množinu všech řešení diferenciální rovnice Zavedeme substituci = Dosadíme do původní rovnice Upravíme Separujeme =1+ 0 = = + +=1+ =1 Integrujeme Provedeme zpětnou substituci = 1 =ln + kde =ln + 4

Po úpravě dostáváme obecné řešení =ln + Které můžeme zapsat i takto 0: ln+ <0: ln + Zkouška Obecné řešení a jeho derivaci (derivace součinu) Dosadíme do zadané rovnice =ln ++ + 0=ln +1 Tím je správnost řešení ověřena. =1+ ln +1=1+ ln ln +1=1+ln Diferenciální rovnice typu = Rovnice tohoto typu má pět speciálních případů Primitivní případ ==== V tomto případě je rovnice ve tvaru Řešení je velmi jednoduché. Separované proměnné == V tomto případě je rovnice ve tvaru = = + + Zde máme separované proměnné, řešení je jasné. Provázané koeficienty + ; = V tomto případě platí Část jmenovatele tedy můžeme vyjádřit takto Rovnici tedy můžeme přepsat do tvaru = ; 0 += += + = ++ ++ Nyní si stačí uvědomit, že je-li řešením této rovnice, pak =+ musí být řešením separovatelné rovnice 5

=+ + + Tuto rovnici umíme řešit. Pak pokračujeme zpětnou substitucí. Stejné úvahy jen s malou změnou bychom prováděli pro případ, že platí 0 Homogenní případ == V tomto případě má naše rovnice tvar = + + Tento tvar snadno převedeme na (čitatele i jmenovatele zlomku vydělíme ) = + + Poslední tvar je diferenciální rovnice s homogenní funkcí. Tu umíme řešit. Vše ostatní 0 Diferenciální rovnice má tvar Zavedeme transformaci Potom je = ++ ++ = + ; = + = = = =++ + + ++ + + Konstanty, zvolíme tak, aby + +=0 + +=0 To je jistě možné, jde o řešení soustavy o dvou neznámých. Přitom je možnost více řešení vyloučena předchozími body. Tak dostaneme diferenciální rovnici = + + Tuto rovnici řešíme podle předchozí metody (homogenní případ). Je-li řešením tohoto homogenního případu, pak = + je řešením původní rovnice a naopak. 6