y +q 1 (t)y = 0 (1) z +q 2 (t)z = 0 (2)

Podobné dokumenty
f konverguje a g je omezená v (a, b), pak také konverguje integrál b a fg. Dirichletovo kritérium. Necht < a < b +, necht f : [a, b) R je funkce

Konvergence kuncova/

Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady.

Určete (v závislosti na parametru), zda daný integrál konverguje, respektive zda konverguje. dx = t 1/α 1 dt. sin x α dx =

3. přednáška 15. října 2007

1 Lineární prostory a podprostory

Limita posloupnosti a funkce

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

2. LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

Zobecněný Riemannův integrál

Kapitola 2: Spojitost a limita funkce 1/20

Důkaz Heineho Borelovy věty. Bez újmy na obecnosti vezmeme celý prostor A = M (proč? úloha 1). Implikace. Nechť je (M, d) kompaktní a nechť.

19 Hilbertovy prostory

2. přednáška 8. října 2007

22 Základní vlastnosti distribucí

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Přednáška 3: Limita a spojitost

Matematika V. Dynamická optimalizace

Limita a spojitost funkce. 3.1 Úvod. Definice: [MA1-18:P3.1]

Riemannův určitý integrál

Matematika 4 FSV UK, LS Miroslav Zelený

Limita a spojitost funkce

Limita a spojitost funkce a zobrazení jedné reálné proměnné

12 Obyčejné diferenciální rovnice a jejich soustavy

1 Extrémy funkcí - slovní úlohy

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

Lineární algebra : Metrická geometrie

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

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

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

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Matematická analýza III.

Kapitola 1. Úvod. 1.1 Značení. 1.2 Výroky - opakování. N... přirozená čísla (1, 2, 3,...). Q... racionální čísla ( p, kde p Z a q N) R...

Limita posloupnosti, limita funkce, spojitost. May 26, 2018

Greenova funkce pro dvoubodové okrajové úlohy pro obyčejné diferenciální rovnice

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Numerické řešení nelineárních rovnic

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

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.

Základy matematické analýzy

Jednou z nejdůležitějších funkcí, které se v matematice a jejích aplikacích používají je

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

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

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

x = f(x), (1) existenci a jednoznačnosti plyne, že pokud je f C k, k 1, je ϕ korektně

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

Derivace a monotónnost funkce

Diferenciální rovnice

Rovnice se separovanými proměnnými

Definice 1.1. Nechť je M množina. Funkci ρ : M M R nazveme metrikou, jestliže má následující vlastnosti:

sin(x) x lim. pomocí mocninné řady pro funkci sin(x) se středem x 0 = 0. Víme, že ( ) k=0 e x2 dx.

9. cvičení z Matematické analýzy 2

1. sin(x + y) = sin(x) cos(y) + cos(x) sin(y) pro x, y R, cos(x + y) = cos(x) cos(y) sin(x) sin(y) pro x, y R;

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

TOPOLOGIE A TEORIE KATEGORIÍ (2017/2018) 4. PREDNÁŠKA - SOUČIN PROSTORŮ A TICHONOVOVA VĚTA.

Numerické řešení nelineárních rovnic

IV. Základní pojmy matematické analýzy IV.1. Rozšíření množiny reálných čísel

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

Limita a spojitost LDF MENDELU

MATEMATIKA IV - PARCIÁLNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE - ZÁPISKY Z. Obsah. 1. Parciální diferenciální rovnice obecně. 2. Kvaazilineární rovnice prvního řádu

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE

LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

Matematika 2 Úvod ZS09. KMA, PřF UP Olomouc. Jiří Fišer (KMA, PřF UP Olomouc) KMA MA2AA ZS09 1 / 25

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

Zavedení a vlastnosti reálných čísel

Základy teorie množin

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Základy lineárního programování VMAT, IMT 1 / 25

Přednáška 6, 7. listopadu 2014

Přednáška 6, 6. listopadu 2013

opravdu považovat za lepší aproximaci. Snížení odchylky o necelá dvě procenta

Z transformace. Definice. Z transformací komplexní posloupnosti f = { } f n z n, (1)

VIII. Primitivní funkce a Riemannův integrál

Přednáška 9, 28. listopadu 2014 Část 4: limita funkce v bodě a spojitost funkce

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

x + 6 2x 8 0. (6 x 0) & (2x 8 > 0) nebo (6 x 0) & (2x 8 < 0).

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

Použití derivací L HOSPITALOVO PRAVIDLO POČÍTÁNÍ LIMIT. Monotónie. Konvexita. V této části budou uvedena některá použití derivací.

Číselné posloupnosti

1 Topologie roviny a prostoru

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

α 1 α 2 + α 3 = 0 2α 1 + α 2 + α 3 = 0

Úlohy klauzurní části školního kola kategorie A

NMAF 051, ZS Zkoušková písemná práce 16. ledna 2009

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

9. Vícerozměrná integrace

10 Funkce více proměnných

p 2 q , tj. 2q 2 = p 2. Tedy p 2 je sudé číslo, což ale znamená, že

Digitální učební materiál

Riemannova hypotéza Martin Havlík 2. A

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

Spojitost a limita funkce

Transkript:

Šturmova srovnávací věta Srovnávací věta se týká nulových bodů rovnic 2. řádu. Umožňuje odhadnout jejich rozložení srovnáním s jinou rovnicí. Věta 1. Necht y je netriviální řešení rovnice y +q 1 (t)y = 0 (1) a t 0 < t 1 jsou jeho sousední nulové body. Necht z je řešení rovnice přičemž z +q 2 (t)z = 0 (2) q 2 (t) q 1 (t) v [t 0,t 1 ]. (3) Potom z má v [t 0,t 1 ] alespoň jeden nulový bod. Dodatek: je-li nerovnost (3) někde ostrá, má z nulový bod dokonce v (t 0,t 1 ). Poznámka. Názorná pomůcka k zapamatování: rovnice popisují pohyb pružiny y = qy, tj. síla působí proti vychýlení, a q je koeficient tuhosti pružiny. 1 Klíčový předpoklad (3) tedy říká, že druhá pružina má větší tuhost, a pochopitelný závěr je, že z kmitá alespoň tak často jako y. Důkaz. Předběžná úvaha: BÚNO y > 0 v (t 0,t 1 ) jinak přejdu k y. Dále tvrdím, že y (t 0 ) > 0, nebot y (t 0 ) < 0 by bylo ve sporu se znaménkem y na pravém okolí t 0. Nemůže být ani y (t 0 ) = 0, protože máme rovnici 2. řádu a podmínka y(t 0 ) = y (t 0 ) = 0 jednoznačně určuje triviální řešení y 0, což je spor s předpokladem. Podobně se ukáže, že y (t 1 ) < 0. Nyní postupujeme sporem a předpokládáme, že z 0 v [t 0,t 1 ], BÚNO z > 0. Rovnici (1) násobíme z, rovnici (2) y, odečteme a integrujeme přes (t 0,t 1 ). Protože je celkem t1 t1 y z z ydt = [ y z z y ] t1 t 0 y z z y dt t 0 t 0 = y (t 1 )z(t 1 ) y (t 0 )z(t 0 ), y (t 1 ) z(t }{{} 1 )+ ( y (t 0 ) ) z(t 0 ) = }{{} <0 <0 1 Který ovšem může být i záporný. t1 t 0 ( q2 q 1 ) yzdt (4) 1

Integrál vpravo je díky (3) nezáporný, levá strana záporná, nebot z(t 0 ) > 0, z(t 1 ) > 0. To je kýžený spor. Důkaz dodatku. Potřebujeme přivést ke sporu slabší předpoklad z > 0 v (t 0,t 1 ). Ze spojitosti tedy z(t 0 ) 0, z(t 1 ) 0 a levá strana v (4) je nekladná. Naproti tomu integrand napravo je nezáporný, spojitý a alespoň někde v (t 0,t 1 ) ostře kladný, tedy celkem kladný. To je spor. Poznámka. Důkaz projde úplně stejně pro obecnější rovnice tvaru ( p(t)y ) +q(t)y = 0, (5) kde p > 0. Obecná rovnice 2. řádu a 0 (t)y +a 1 (t)y +a 2 (t)y = 0 se dá převést na tvar (5) či (1) přinásobením vhodným,,integračním faktorem, nebo substitucí; viz úloha 1 níže. Příklad 1. Necht y je netriviální řešení rovnice y +(1 t 2 )y = 0. Potom y má nejvýše tři nulové body. Řešení. Označme q(t) = 1 t 2. Vintervalech (, 1] a [1,+ )je q(t) 0. Tudíž obsahují nejvýše jeden nulový bod (viz úloha 4 níže). Naproti tomu v [ 1,1] je q(t) 1; tedy sousední nulové body jsou vzdáleny alespoň π (viz úloha 3 níže). Pročež i sem se vejde nejvýše jeden. 2

Úlohy 1. Necht y +p(t)y +q(t)y = 0.Určetefunkciu = u(t)tak,abypřisubstituci y = u(t)z měla rovnice pro z tvar z + Q(t)z = 0. Vyjádřete Q(t) pomocí p(t), q(t). 2. Nulové body každého netriviálního řešení rovnice y +py +qy = 0 tvoří izolovanou množinu. Speciálně: má smysl hovořit o,,sousedních nulových bodech. 3. Necht y = y(t) je netriviální řešení rovnice y +q(t)y = 0, necht a > 0 je pevné číslo, I je interval. (i) jestliže q(t) a pro t I, pak sousední nulové body y ležící v I jsou vzdáleny nejvýše π/ a. (ii) jestliže q(t) a pro t I, pak sousední nulové body y ležící v I jsou vzdáleny alespoň π/ a. 4. Necht y je netriviální řešení rovnice y + a(t)y = 0, necht a(t) 0 pro každé t v intervalu I. Potom y má v I nejvýše jeden nulový bod. Dokažte (i) pomocí Šturmovy věty (ii) na základě elementárních úvah. 5. Uvažujte rovnici y +q(t)y = 0 v intervalu (K,+ ), kde K > 0. (i) jestliže q(t) 1, pak netriviální řešení má nejvýše jeden nulový bod 4t 2 (ii) jestliže q(t) 1, kde c < 4, pak každé řešení má nekonečně nulových ct 2 bodů 6. Každé řešení rovnice y + 1 nulových bodů. 1+ t y = 0 má v intervalu (0,+ ) nekonečně 7. Každénetriviálnířešenírovnicey +2y /t+e t y = 0máv(0, )nekonečně nulových bodů. Rozdíl sousedních se blíží k 0 pro t. 8. Každé netriviální řešení rovnice ty +2y +(t+sint)y = 0 má v (0, ) nekonečně nulových bodů. Rozdíl sousedních se blíží k 1 pro t. 9. Uvažujte po řadě rovnice: (i) y +t 2 y = 0 (ii) y +e 2t y = 0 (iii)* y +y/t = 0 Necht y jenetriviálnířešení,t 0 (0, )jenulovýbod.ukažte,žeexistujenulový bod t 1 > t 0 a odvod te co nejpřesnější (horní a dolní) odhad vzdálenosti = t 1 t 0. 10. Ukažte, že netriviální řešení rovnice y + (sint)y = 0 má v intervalu [ π, π] nejvýše dva nulové body. 3

11. Libovolné netriviální řešení rovnice y ty +y = 0 má v R nejvýše pět nulových bodů. 12. Libovolné netriviální řešení rovnice y + t/2y + yarctgt = 0 má v R nejvýše čtyři nulové body. 13. Libovolné netriviální řešení rovnice y +e t y +e t y/2 = 0 má v R nejvýše jeden nulový bod. 14. Libovolné netriviální řešení rovnice y +2ty +4ty = 0 má v R nejvýše čtyři nulové body. 15. Necht x(t) je libovolné netriviální řešení rovnice t 2 x +(256+t 4 ) 1/2 x = 0. Odhadněte počet počet nulových bodů funkce x(t) v (0,δ) pro δ > 0 malé. Dále dokažte, že x(t) má nekonečně nul v každém okolí +. Dokážete přesněji popsat jejich chování pro t +? 16. Necht x(t) je libovolné netriviální řešení rovnice x + Q(t)x = 0, kde Q(t) = 2 π arctgt t2. Odvod te horní odhad počtu nulových bodů x(t) v R. 17. Necht x(t) je řešení rovnice x + Q(t)x = 0, kde Q(t) = 2t/(1+t 2 ), s počáteční podmínkou x(0) = 0, x (0) > 0. Předpokládejte, že existují další nulové body t 2 > t 1 > 0 a odhadněte zdola t 1 a t 2 t 1. Ukažte srovnáním s vhodnou rovnicí, že x(t) má v (0, ) nekonečně nulových bodů (a tedy předpoklad výše je ospravedlněný). 4

Řešení 1) u = exp( p/2), Q = p 2 /4 p /2+q. 2) Je-li t 0 hromadný bod množiny {t I; y(t) = 0}, pak y(t 0 ) = 0 ze spojitosti. Navíc y (t 0 ) = 0, nebot y (t 0 ) 0 implikuje, že y 0 na jistém P(t 0 ). Pro rovnici 2. řádu podmínka y(t 0 ) = y (t 0 ) = 0 určuje triviální řešení, spor. 3) Srovnejte s z +a 2 z = 0, kde řešení mají tvar z c (t) = sin[a(t c)]. 4) Necht t 0 < t 1 jsou sousední nulové body y. (i) Každé řešení rovnice z +0z = 0 by mělo v [t 0,t 1 ] nulový bod spor. (ii) BÚNO navíc y > 0 na (t 0,t 1 ), ovšem pak y je konvexní v [t 0,t 1 ], což není možné. 5) Srovnejte s Eulerovou rovnicí t 2 z +dz = 0, jejíž řešení má nekonečně nulových bodů pokud d > 1/4, a nemá obecně žádné nulové body, jestliže d 1/4 6) Užijte předchozí bod (ii) předchozího cvičení na intervalu (K, + ) pro vhodné velké K > 0 7) Substituce y(t) = z(t)/t (viz cvičení 1) vede na rovnici z + e t z = 0. Srovnejte s w +a 2 w = 0 pro velké a 2 a užijte cvičení 3. 8) Pomocí cvičení 1 převed te na rovnici z + Q(t)z = 0, kde Q(t) = 1+ sin t/t. Užijte cvičení 3. 9) Aplikujeme výsledky cvičení 3. (i) q(t) = t 2 t 2 0 na [t 0, ), odtud π/t 0. Naproti tomu q(t) (t 1 ) 2 (t 0 + π/t 0 ) 2 na [t 0,t 1 ], tedy π/(t 0 +π/t 0 ). (ii) q(t) = e 2t e 2t 0 na[t 0, ),odtud πe t 0. Naproti tomu q(t) e 2t 1 e 2(t 0+πe t 0) na [t 0,t 1 ], tedy πe (t 0+πe t 0). (iii) q(t) 1/t 0 na [t 0, ),tedy π t 0.Ansatz:hledejmet 1 vintervalui := [t 0,t 0 +π t 0 +δ], kde δ > 0 je pevné. Protože q(t) 1/(t 0 + π t 0 + δ) v I, je t 1 t 0 π t 0 +π t 0 +δ, což je (ospravedlnění Ansatzu!) menší než π t 0 +δ pro δ ne příliš malé. 10) Protože q(t) = sint 1, je vzdálenost sousedních bodů alespoň π, viz cvičení 3. Tedy tři nulové body mohou být pouze π, 0 a π. Leč q(t) 0 v [ π, 0], pročež tento interval obsahuje nejvýše jeden nulový bod (cvičení 4) spor. 11) Pomocí cvičení 1 převed te na z + q(t)z = 0, kde q(t) = 3/2 t 2 /4. Na intervalech (, 6], [ 6,+ ) je q(t) 0, tedy obsahují nejvýše po jednom nulovém bodu (viz cvičení 4). Na [ 6, 6] je q(t) 3/2; odtud (a díky cvičení 3ii) se sem vejdou nejvýše dva. 12) Pomocí cvičení 1 převed te na z + q(t)z = 0, kde q(t) = arctgt 1/4 t 2 /16. Protože arctgt π/2, a dokonce 0 pro t 0, je q(t) 0 mimo [0,M] a q(t) π/2 na [0,M], kde M = 4 π/2 1/4. Dále jako v 5

předchozím cvičení. 13) Užijte cvičení 1 (vyjde Q = e 2t /2) a cvičení 4. 14) Pomocí cvičení 1 převed te na z +q(t)z = 0, kde q(t) = t 2 +4t 1. Tedy q(t) 3 na [2 3,2+ 3], kam se tudíž vejdou nejvýše dvě nuly díky cvičení 3, zatímco q 0 mimo tento interval a užijeme cvičení 4. 15) V okolí nuly srovnáme s Eulerovou rovnicí t 2 y + 16y = 0, která má řešení tvaru t 1/2 sin(clnt), kde c = 3 7/2; tato funkce má zřejmě nekonečně nulových bodů v každém okolí (0,δ) a totéž plyne pro x(t). Pro t + užijeme úlohu 3, kde q(t) 1, tedy vzdálenost sousedních bodů se blíží jedné. 16) Protože arctgt π všude a 0 pro t 0, je Q(t) 0 na (,0] a 2 na [1, ). Zde je nejvýše po jednom nulovém bodu, viz úloha 4. Na intervalu [0,1] je Q(t) 1; sousední nulové body jsou tedy vzdáleny aspoň π, a tedy se sem vejde nejvýše jeden. 17) Protože Q(t) 1, jet 1 π dle úlohy3. Odsud Q(t) Q(π) na [t 1, ), tedy t 2 t 1 π/ Q(π) = π(1+π 2 )/2. Dále užijte výsledek úlohy 5ii). 6

Aplikace nulové body Besselovy funkce. Pomocí srovnávací věty se dá určit asymptotické rozložení nulových bodů Besselovy funkce v okolí nekonečna. Definice. Besselovou funkcí 1. druhu (s indexem s R) rozumíme ( ) s t ( ) ( 1) k 2k t J s (t) =. 2 k!γ(k +s+1) 2 k=0 Řada konverguje (s konvencí 1/Γ( n) = 0) pro t (0, ) a splňuje zde Besselovu rovnici t 2 y +ty +(t 2 s 2 )y = 0. (6) Věta 2. Funkce J s (t) má v (0, ) nekonečně nulových bodů. Vzdálenost sousedních se blíží k π pro t. Nejprve si dokážeme pomocné lemma. Lemma 3. Necht z je netriviální řešení rovnice z +q(t)z = 0 (i) je-li q(t) a 2 pak sousední nulové body z jsou vzdáleny nejvýše π/a. (ii) je-li q(t) a 2 pak sousední nulové body z jsou vzdáleny alespoň π/a. Důkaz. Funkce y c (t) = sina(t c) je (netriviální) řešení rovnice y +a 2 y = 0, (7) vzdálenost sousedních kořenů je přesně π/a. Ad (i): sporem necht sousední nulové body t 0 < t 1 funkce z jsou dále nežπ/a.vhodnouvolboucdostanemedointervalu(t 0,t 1 )alespoňdvanulové body η 0 < η 1 funkce y c. Podle srovnávací věty má z v [η 0,η 1 ] kořen spor. Ad (ii): podobně necht t 0 < t 1 jsou sousední nulové body z, vzdálené méně než π/a. Dlesrovnávací věty má každé řešení rovnice (7) v[t 0,t 1 ] kořen. Avšakfunkcey c jepřivhodnémcnenulová dokoncenaokolí[t 0,t 1 ] spor. Důkaz. (Věty 2) Substitucí y(t) = t 1/2 z(t) přejdeme k rovnici ( t 3/2 z + t 2 s 2 + 3 4 1 ) t 1/2 z = 0 2 ) z + (1+ 1/4 s2 z = 0 (8) t }{{ 2 } q(t) 7

Zřejmě z(t) má stejné kořeny jako y(t) = J s (t), a pozorujeme, že q(t) 1 pro t. Necht ε (0,1) je dáno. Zvolme K > 0 tak, že (1 ε) 2 < q(t) < (1+ε) 2, t > K. Podle Lemmatu je vzdálenost sousedních kořenů y v intervalu (K, ) větší než 1 ε a menší než 1+ε. Speciálně je jich zde nekonečně mnoho. Poznámka. Z rovnice (8) a Lemmatu 3 také ihned vidíme: (i) s 1/2 = sousední kořeny J s jsou vzdáleny nejvýše π (ii) s 1/2 = sousední kořeny J s jsou vzdáleny alespoň π 8