Úvod. Na čo nám je numerická matematika? Poskytuje nástroje na matematické riešenie problémov reálneho sveta (fyzika, biológia, ekonómia,...

Σχετικά έγγραφα
Úvod. Na čo nám je numerická matematika? Poskytuje nástroje na matematické riešenie problémov reálneho sveta (fyzika, biológia, ekonómia,...

Motivácia pojmu derivácia

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Faculty of Mathematics, Physics and Informatics Comenius University Bratislava. NumDif

M6: Model Hydraulický systém dvoch zásobníkov kvapaliny s interakciou

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Cieľom cvičenia je zvládnuť riešenie diferenciálnych rovníc pomocou Laplaceovej transformácie,

Numerické metódy Zbierka úloh

Zložené funkcie a substitúcia

Základné poznatky molekulovej fyziky a termodynamiky

Obvod a obsah štvoruholníka

MIDTERM (A) riešenia a bodovanie

Matematická analýza pre fyzikov IV.

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

M8 Model "Valcová a kužeľová nádrž v sérií bez interakcie"

3. Striedavé prúdy. Sínusoida

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

Ekvačná a kvantifikačná logika

CHÉMIA Ing. Iveta Bruončová

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

Kontrolné otázky na kvíz z jednotiek fyzikálnych veličín. Upozornenie: Umiestnenie správnej a nesprávnych odpovedí sa môže v teste meniť.

Obyčajné diferenciálne rovnice

RIEŠENIA 3 ČASŤ

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

1. písomná práca z matematiky Skupina A

Matematika 2. časť: Analytická geometria

Metódy vol nej optimalizácie

Einsteinove rovnice. obrázkový úvod do Všeobecnej teórie relativity. Pavol Ševera. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky

Numerické metódy Učebný text pre bakalárske štúdium

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

Chí kvadrát test dobrej zhody. Metódy riešenia úloh z pravdepodobnosti a štatistiky

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Numerické metódy, pravdepodobnosť a matematická štatistika

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky. Univerzita Komenského. Contents I. Úvod do problematiky numeriky 2

Numerické riešenie jednorozmerného Stefanovho problému na konečnej oblasti BAKALÁRSKA PRÁCA

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

18. kapitola. Ako navariť z vody

DIFERENCÁLNE ROVNICE Matematická analýza (MAN 2c)

Numerické metódy, pravdepodobnosť a matematická štatistika. Ján BUŠA Viktor PIRČ Štefan SCHRÖTTER

HASLIM112V, HASLIM123V, HASLIM136V HASLIM112Z, HASLIM123Z, HASLIM136Z HASLIM112S, HASLIM123S, HASLIM136S

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

Matematický model robota s diferenciálnym kolesovým podvozkom

Diferenciálne rovnice

6 Gravitačné pole. 6.1 Keplerove zákony

MATEMATIKA I ZBIERKA ÚLOH

Kontrolné otázky z jednotiek fyzikálnych veličín

1 Prevod miestneho stredného slnečného času LMT 1 na iný miestny stredný slnečný čas LMT 2

x x x2 n

Vektorový priestor V : Množina prvkov (vektory), na ktorej je definované ich sčítanie a ich

Volny pad s odoporom vzduchu (ako uvod do poruchovych vypoctov)

Derivácia funkcie. Pravidlá derivovania výrazov obsahujúcich operácie. Derivácie elementárnych funkcií

Podmienenost problému a stabilita algoritmu

Zrýchľovanie vesmíru. Zrýchľovanie vesmíru. o výprave na kraj vesmíru a čo tam astronómovia objavili

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

RIEŠENIE WHEATSONOVHO MOSTÍKA

Integrovanie racionálnych funkcií

Metódy vol nej optimalizácie

,Zohrievanie vody indukčným varičom bez pokrievky,

d dx x 2 = 2x d dx x 3 = 3x 2 d dx x n = nx n 1

Numerické metódy matematiky I

viacrozmerných a nekonečnorozmerných priestoroch. A ako nasvedčuje jej názov, pôjde o rovnice nelineárne.

Spriahnute oscilatory

Termodynamika. Doplnkové materiály k prednáškam z Fyziky I pre SjF Dušan PUDIŠ (2008)

Teoretická mechanika

REZISTORY. Rezistory (súčiastky) sú pasívne prvky. Používajú sa vo všetkých elektrických


Odporníky. 1. Príklad1. TESLA TR

C. Kontaktný fasádny zatepľovací systém

Numerické metódy matematiky I

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

Úloha 3.7 Teleso hmotnosti 2 kg sa pohybuje pozdĺž osi x tak, že jeho dráha je vyjadrená rovnicou

ZBIERKA ÚLOH Z FYZIKY PRE 3. ROČNÍK

Príklady k Matematike 1

Príklady na precvičovanie Fourierove rady

Riešenie sústavy lineárnych rovníc. Priame metódy.

FYZIKA DUSˇAN OLCˇA K - ZUZANA GIBOVA - OL GA FRICˇOVA Aprı l 2006

Metódy numerickej matematiky I

doc. Ing. František Palčák, PhD., Ústav aplikovanej mechaniky a mechatroniky, Strojnícka fakulta STU v Bratislave,

PREHĽAD ZÁKLADNÝCH VZORCOV A VZŤAHOV ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY. Pomôcka pre prípravný kurz

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky. Univerzita Komenského

Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: Matematické kyvadlo

PRIEMER DROTU d = 0,4-6,3 mm

Život vedca krajší od vysnívaného... s prírodou na hladine α R-P-R

ZADANIE 1_ ÚLOHA 3_Všeobecná rovinná silová sústava ZADANIE 1 _ ÚLOHA 3

MATEMATIKA 4.OA - 5 h týždenne 165 h ročne školský rok 2014/2015

Poznámky k prednáškam z Termodynamiky z Fyziky 1.

4 Dynamika hmotného bodu

Diferenciálne rovnice. Základný jazyk fyziky

Riešenie lineárnych elektrických obvodov s jednosmernými zdrojmi a rezistormi v ustálenom stave

priemer d a vložíme ho do mosadzného kalorimetra s vodou. Hmotnosť vnútornej nádoby s miešačkou je m a začiatočná teplota vody t3 17 C

< h < +. σ (t) = (sin t + t cos t, cos t t sin t, 3), σ (t) = (2 cos t t sin t, 2 sin t t cos t, 0) r (t) = e t j + e t k. σ (t) = 1 2 t 1 2 k


Transcript:

Úvod Na čo nám je numerická matematika? Poskytuje nástroje na matematické riešenie problémov reálneho sveta (fyzika, biológia, ekonómia,...) Postup pri riešení problémov: 1. formulácia problému 2. formulácia matematického modelu (zjednodušenia) 3. numerické riešenie 4. reprezentácia výsledkov - p. 1/19

Príklad 1 Vypočítajte objem Zeme. - p. 2/19

Príklad 2 Vyrovnávanie teploty V nádobe je tekutina, ktorá v čase t 0 má teplotu y 0. Nech okolité prostredie má teplotu ȳ, nech y i je teplota tekutiny v čase t i = t 0 +iτ,τ > 0 (τ je časový interval). Aká je teplota tekutiny y i+1 v čase t i+1? y i+1 = y i +cτ(ȳ y i ), c-je konštanta úmernosti a vyjadruje vlastnosti materiálu, z ktorého je nádoba zostrojená (súčinitel tepelnej vodivosti, merné teplo,...). - p. 3/19

Príklad 2 Vyrovnávanie teploty V nádobe je tekutina, ktorá v čase t 0 má teplotu y 0. Nech okolité prostredie má teplotu ȳ, nech y i je teplota tekutiny v čase t i = t 0 +iτ,τ > 0 (τ je časový interval). Aká je teplota tekutiny y i+1 v čase t i+1? y i+1 = y i +cτ(ȳ y i ), c-je konštanta úmernosti a vyjadruje vlastnosti materiálu, z ktorého je nádoba zostrojená (súčinitel tepelnej vodivosti, merné teplo,...). Riešenie: y i+1 = cτȳ +(1 cτ)y i = cτȳ +(1 cτ)(cτȳ +(1 cτ)y i 1 ) = = cτȳ(1+(1 cτ))+(1 cτ) 2 y i 1 =... = = cτȳ(1+(1 cτ)+(1 cτ) 2 +...+(1 cτ) i )+(1 cτ) i+1 y 0 = = cτȳ 1 (1 cτ)i+1 1 (1 cτ) +(1 cτ) i+1 y 0 Ako vyzerá riešenie pre i? Fyzikálny význam? - p. 4/19

Ak 1 cτ < 1 = y i ȳ DÚ: Vyskúšajte vyriešit rovnicu y i+1 = y i +cτ(ȳ y i+1 ), - p. 5/19

Poznámka: Newtonov zákon ochladzovania. Podl a Newtonovho zákona ochladzovania rýchlost ochladzovania (rýchlost zmeny teploty y(t), tj. derivácia dy(t) dt, t je čas) je úmerná rozdielu teplôt vonkajšieho prostredia a telesa. Môžeme to vyjadrit rovnicou dy(t) (1) = c(ȳ y(t)). dt Ide o obyčajnú diferenciálnu rovnicu s počiatočnou podmienkou (2) y(t 0 ) = y 0. Budeme sa snažit vypočítat vývoj teploty tekutiny bez toho, aby sme vedeli niečo o riešení diferenciálnych rovníc. - p. 6/19

Budeme sledovat vývoj teploty v časoch t 1,t 2,t 3,... Táto teplota bude y(t 1 ),y(t 2 ),y(t 3 ),... Pre jednoduchost nech t i = t 0 +iτ, τ > 0, t i budú časové rezy, τ je časový krok. Prepíšeme rovnicu (1) v čase t = t i : dy(t) dt = c(ȳ y(t i )). t=ti Je známe, že derivácia dy(t) dt je smernica dotyčnice funkcie y(t) v bode t. Nahrad me túto dotyčnicu sečnicou (vid obrázok) a teda od presného riešenia prejdeme k aproximácii. Aproximáciu presného riešenia v bode t i budeme označovat y i. - p. 7/19

y spätná sečnica dotyčnica dopredná sečnica y(t) t i 1 t i t i+1 t Aproximácia derivácie - p. 8/19

Nahradenie derivácie: dy(t) dt t=ti y i+1 y i τ y i y i 1 τ dopredná diferencia spätná diferencia takže pre prípad doprednej diferencie dostaneme rovnicu y i+1 y i = cτ(ȳ y i ) y i+1 = (1 cτ)y i +cτȳ a pre prípad spätnej diferencie dostaneme rovnicu y i y i 1 = cτ(ȳ y i ) y i = 1 1+cτ (y i 1 +cτȳ) Tieto rovnice sú lineárne a vieme ich riešit ked že poznáme y 0. Pre takýto jednoduchý problém poznáme aj presné riešenie y(t) = ȳ +(y 0 ȳ)e c(t 0 t). (Numerické riešenie - aplikácia v MATLABe). - p. 9/19

Čo z numeriky (by) sme použili? numerickú deriváciu ak by bola pravá strana zložitejšia - riešenie nelineárnej rovnice ak by nás zaujímalo riešenie v inom bode ako časovom reze - aproximáciu funkcie - p. 10/19

Príklad 3 Balistický problém Vystrelíme raketu (projektyl) pod daným uhlom (vzhl adom na zem). Počas letu môže menit hmotnost, pričom spal ovanie pohonnej hmoty môžme riadit. Ako d aleko a vysoko poletí? y - výška v Zjednodušenia: nepreletí viac ako 100 km (kvôli zakriveniu Zeme) x-vzdialenost nevychyl uje sa z dráhy vplyvom vetra - postačí 2D úloha - p. 11/19

Označenia: x = x(t) - vzdialenost v čase t y = y(t) - výška v čase t θ = θ(t) - uhol, pod ktorým letí raketa v čase t (vzhl adom na os x) v=v(t) - rýchlost rakety v čase t m = m(t) - hmotnost a - zrýchlenie Predpokladáme v čase t 0 = 0 je x(t 0 ) = y(t 0 ) = 0. - p. 12/19

Čo potrebujeme vediet zo strednej školy? rýchlost je deriváciou dráhy v(t) = (ẋ(t),ẏ(t)) vel kost rýchlosti v(t) = v(t) = (ẋ(t)) 2 +(ẏ(t)) 2 zrýchlenie je deriváciou rýchlosti θ v ẋ ẏ Newtonov zákon pohybu a = dv dt F = d (m(t)v(t)) = ma dt - p. 13/19

Na raketu pôsobia sily: 1. tlak motora - v smere dráhy ozn. T(t) - daná funkcia 2. odpor prostredia (vzduchu) - proti smeru dráhy, jej vel kost 1 2 cρsv2, kde c je koeficient odporu, ρ hustota prostredia, s plocha priečneho rezu 3. gravitačná sila - proti smeru y, jej vel kost je gm, kde g je gravitačné zrýchlenie V smere dráhy pôsobí na raketu sila F 1 = T(t) 1 2 cρsv2 (t) - p. 14/19

Z Newtonovho zákona F = d dt (m(t)v(t)) a v(t) = (ẋ(t),ẏ(t)) máme v smere x : ṁ(t)ẋ(t)+m(t)ẍ(t) = F 1 cosθ(t) = v smere y : ṁ(t)ẏ(t)+m(t)ÿ(t) = F 1 sinθ(t) gm(t) ẍ(t) = 1 m(t) (T(t) 1 2 cρsv2 (t))cosθ(t) ṁ(t) m(t)ẋ(t) ÿ(t) = 1 m(t) (T(t) 1 2 cρsv2 (t))sinθ(t) g ṁ(t) m(t)ẏ(t) Platí ẋ(t) = v(t)cosθ(t) ẍ = vcosθ v θsinθ ẏ(t) = v(t)sinθ(t) ÿ = vsinθ +v θcosθ - p. 15/19

Dostaneme systém obyčajných diferenciálnych rovníc (ODR) ẋ(t) = v(t) cos θ(t) ẏ(t) = v(t) sin θ(t) 1 v(t) = m(t) (T(t) 1 2 cρsv2 (t)) gsinθ(t) ṁ(t) θ(t) = g v(t) cosθ(t) ṁ(t) = k T(t) s počiatočnými podmienkami x(0) = 0 y(0) = 0 v(0) = v 0 θ(0) = θ 0 m(0) = m 0. m(t) v(t) Rovnica pre zmenu hmotnosti vyjadruje fakt, že pri spal ovaní pohonnej zmesi hmotnost klesá, rýchlost spal ovania vyjadruje konštanta k. - p. 16/19

Nech τ > 0,τ R, označme t i = iτ,i = 1,2,...,n. Označíme x i x(t i ) y i y(t i ) v i v(t i ) θ i θ(t i ) m i m(t i ) Systém ODR prepíšeme v bode t = t i ẋ(t) t=ti v i cosθ i ẏ(t) t=ti v i sinθ i v(t) t=ti θ(t) 1 m i (T(t i ) 1 2 cρsv2 i ) gsinθ i +k T(t i) g v i cosθ i t=ti ṁ(t) t=ti k T(t i ) m i v i - p. 17/19

Treba aproximovat deriváciu - pomocou numerickej derivácie ako v predchádzajúcom príklade. Spravíme všeobecne: f(t) f i+1 f i t=ti τ Dostaneme systém rovníc x i+1 x i τ y i+1 y i τ v i+1 v i = v i cosθ i = v i sinθ i τ = 1 m i (T(t i ) 1 2 cρsv2 i ) gsinθ i +k T(t i) θ i+1 θ i τ = g v i cosθ i m i+1 m i τ = k T(t i ) m i v i Použili sme doprednú diferenciu. V prípade použitia spätnej diferencie by sme dostali zložitejšiu úlohu - systém nelineárnych rovníc. (Numerické riešenie - aplikácia v MATLABe). - p. 18/19

Pri numerickom riešení musíme použit 1. numerickú deriváciu 2. metódy na riešenie systémov nelineárnych rovníc 3. metódy na riešenie systémov lineárnych rovníc 4. aproximáciu funkcie - p. 19/19