Γραμμική Διαφορική Εξίσωση 2 ου βαθμού

Σχετικά έγγραφα
Δηλαδή η ρητή συνάρτηση είναι πηλίκο δύο ακέραιων πολυωνύμων. Επομένως, το ζητούμενο ολοκλήρωμα είναι της μορφής

ΜΑΣ002: Μαθηματικά ΙΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ (για εξάσκηση)

a (x)y a (x)y a (x)y' a (x)y 0

Σύνθεση ή σύζευξη ταλαντώσεων;

Παράδειγμα 14.2 Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Laplace των συναρτήσεων

Ηλεκτρική και Μηχανική ταλάντωση στο ίδιο φαινόμενο

x y και να γίνει επαλήθευση. Βρείτε τη µερική λύση που για x=1 έχει κλίση 45 ο. Α τρόπος Η Ε γράφεται (1)

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

( ) = Ae + ω t + Be ω t ασταθές σημείο ισορροπίας ( ) = Asin( ωt) + Bcos( ωt) ευσταθής ισορροπία

Ελεύθερη Ταλάντωση Μονοβάθμιου Συστήματος

a n + 6a n a n 2 + 8a n 3 = 0, a 0 = 1, a 1 = 2, a 2 = 8

Φθίνουσες ταλαντώσεις

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΜΙΓΑΔΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΕΝΟΤΗΤΑ 2: ΜΕΤΡΟ ΜΙΓΑΔΙΚΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ - ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΡΟΥ [Κεφ. 2.3: Μέτρο Μιγαδικού Αριθμού σχολικού βιβλίου].

10 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

Κεφάλαιο 0 Μιγαδικοί Αριθμοί

ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2012 ΘΕΜΑΤΑ Α

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ιδάσκων : Ε. Στεφανόπουλος 12 ιουνιου 2017

Μέθοδος προσδιορισμού συντελεστών Euler

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΦΥΣ Διάλ Άλγεβρα. 1 a. Άσκηση για το σπίτι: Διαβάστε το παράρτημα Β του βιβλίου

Αόριστο Ολοκλήρωμα Μέθοδοι Ολοκλήρωσης

Εισαγωγή στις Φυσικές Επιστήμες ( ) Ονοματεπώνυμο Τμήμα ΘΕΜΑ 1. x x. x x x ( ) + ( 20) + ( + 4) = ( + ) + ( 10 + ) + ( )

Διαφορικός λογισµός. y(x + Δx) y(x) dy dx = lim Δy

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

O n+2 = O n+1 + N n+1 = α n+1 N n+2 = O n+1. α n+2 = O n+2 + N n+2 = (O n+1 + N n+1 ) + (O n + N n ) = α n+1 + α n

y 1 (x) f(x) W (y 1, y 2 )(x) dx,

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Επανάληψη Μιγαδικών Αριθμών

(Γραμμικές) Αναδρομικές Σχέσεις

(Γραμμικές) Αναδρομικές Σχέσεις

Διαφορικές εξισώσεις

G L (x) =Ax + B, G R (x) =A x + B οπότε από τις συνοριακές συνθήκες έχουμε

Διαφορικές Εξισώσεις.

Διαφορικές εξισώσεις

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ KΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ 1

1 GRAMMIKES DIAFORIKES EXISWSEIS DEUTERAS TAXHS

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Λύσεις Εξετάσεων Φεβρουαρίου Ακ. Έτους

ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ Ι ΘΕΜΑΤΑ B Σεπτέμβριος 2008

Μεταβατική Ανάλυση - Φάσορες. Κατάστρωση διαφορικών εξισώσεων. Μεταβατική απόκριση. Γενικό μοντέλο. ,, ( ) είναι γνωστές ποσότητες (σταθερές)

Αρµονικοί ταλαντωτές

f (x) dx = f (x) + c a f (x) f (x) cos 2 (f (x)) f (x) dx = tan(f (x)) + c 1 sin 2 (f (x)) f (x) dx = cot(f (x)) + c e f (x) f (x) dx = e f (x) + c

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΧΟΛΙΑ Η δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα προκαλεί μεταβολή της ταχύτητάς του δηλαδή επιτάχυνση.

ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2011 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

I. ΜΙΓΑΔΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ. math-gr

ΑΡΜΟΝΙΚΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΧΩΡΙΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΑΣΚΗΣΗ 6.1

Κλασική Ηλεκτροδυναμική Ι

(Γραμμικές) Αναδρομικές Σχέσεις

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Τρισδιάστατες κινήσεις

Μαθηματικά μοντέλα συστημάτων

website:

Αρµονικοί ταλαντωτές

Καθ. Βλάσης Κουµούσης

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Διανύσματα - Διανυσματικές Συναρτήσεις

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 5: Παράγωγος Πεπλεγμένης Συνάρτησης, Κατασκευή Διαφορικής Εξίσωσης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΟΡΙΣΜΟΙ: διαφορές των αγνώστων συναρτήσεων. σύνολο τιμών. F(k,y k,y. =0, k=0,1,2, δείκτη των y k. =0 είναι 2 ης τάξης 1.

ΑΟΡΙΣΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ 1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

Μερικές Διαφορικές Εξισώσεις

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 3.2 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η. (Σ) όπου α, β, α, β, είναι οι

Αόριστο Ολοκλήρωμα. 2). Να βρεθούν οι παράγουσες των συναρτήσεων: 3 2 x. 3). Να υπολογιστούν τα ολοκληρώματα: x 1 1-ημx

Καθ. Βλάσης Κουµούσης

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 14 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #1: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 7: Μετασχηματισμός Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Αρµονικοί ταλαντωτές

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι - ΙΟΥΝΙΟΣ Θέματα και Λύσεις. Ox υπό την επίδραση του δυναμικού. x 01

ΜΕΡΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

Μετασχηματισμός Jοukowski κυκλικού κυλίνδρου σε ομοιόμορφη ροή

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

1.2 Εξισώσεις 1 ου Βαθμού

Ομάδα Γ. Ο υπολογιστής ως επιστημονικό εργαλείο

Παραδείγματα διπλών oλοκληρωμάτων Γ. Λυχναρόπουλος

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ. z x y 2xyi. Re z x y. Θα δείξουμε ότι για τους μιγαδικούς αριθμούς z για τους οποίους ισχύει ότι. z z zz. zz zz z z 1 0 z z 1 (1)

ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ.Ε. ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΙΕΓΕΡΣΕΙΣ

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Γραμμικές διαφορικές εξισώσεις ανώτερης τάξης

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 9. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

α. y = y x 2 β. x + 5x = e x γ. xy (xy + y) = 2y 2 δ. y (4) + xy + e x = 0 η. x 2 (y ) 4 + xy + y 5 = 0 θ. y + ln y + x 2 y 3 = 0 d 3 y dy + 5y

5.15 Εφαρμογές της ομογενούς Δ.Ε. 2ης τάξης με σταθερούς συντελεστές

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Σχολή E.Μ.Φ.Ε ΦΥΣΙΚΗ ΙΙΙ (ΚΥΜΑΤΙΚΗ) Κανονικές Εξετάσεις Χειµερινού εξαµήνου t (α) Αν το παραπάνω σύστηµα, ( m, s,

Μαθηματικά Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Γ Λυκείου Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΜΙΓΑΔΙΚΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ

Κυκλώματα, Σήματα και Συστήματα

κι επιβάλλοντας τις συνοριακές συνθήκες παίρνουμε ότι θα πρέπει

γ /ω=0.2 γ /ω=1 γ /ω= (ω /g) v. (ω 2 /g)(x-l 0 ) ωt. 2m.

~ 1 ~ ΜΙΓΑΔΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ & ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2013 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ

Κεφάλαιο 1: Προβλήµατα τύπου Sturm-Liouville

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΤΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Διδάσκοντες: Βαρσάμης Χρήστος, Φωτόπουλος Παναγιώτης

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Ι. Λυχναρόπουλος

Οι ιδιότητες και οι µέθοδοι επίλυσης διαφορικών εξισώσεων παρουσιάζονται σε µία σειρά εγχειριδίων µαθηµατικών

Εξίσωση Κίνησης Μονοβάθμιου Συστήματος (συνέχεια)

max 0 Eκφράστε την διαφορά των δύο θετικών λύσεων ώς πολλαπλάσιο του ω 0, B . Αναλύοντας το Β σε σειρά άπειρων όρων ώς προς γ/ω 0 ( σειρά

Έστω μια ΓΜ η οποία περιγράφεται από ένα δίθυρο κύκλωμα με γενικευμένες παραμέτρους ABCD, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.1. Οι σταθερές ABCD είναι:

Συμπλήρωμα 1 2 ος νόμος του Νεύτωνα σε 3 διαστάσεις

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Transcript:

//04 Γραμμική Διαφορική Εξίσωση ου βαθμού, με τη βοήθεια του αορίστου ολοκληρώματος, της χρήσιμης γραμμικής διαφορικής εξίσωσης πρώτου βαθμού af ( ) f ( ) cf ( ) g( ), ac,, σταθεροί πραγματικοί αριθμοί με a 0 Στην πρώτη παράγραφο μελετάται η περίπτωση a 0 και στη δεύτερη η περίπτωση Για να προκύψουν οι μορφές που μελετώνται, στην διαιρούμε με όταν a 0 a 0 και στη με a. όταν a 0. Γραμμική διαφορική εξίσωση ης τάξης (πρώτου βαθμού με σταθερούς συντελεστές). Κάθε διαφορική εξίσωση που μπορεί να πάρει τη μορφή f ( ) af ( ) g( ) Πολλαπλασιάζοντας με e e f ( ) e g( )d έχουμε: e f ( ) ae f ( ) e g( ) ( ) ( ) ( ) e f e g d f e e g( ) d., h( ) d H() c, έτσι ώστε c κάποια σταθερά και H( ) h( ) Περιπτώσεις Αν g() ke έχουμε τη διαφορική εξίσωση f ( ) af ( ) ke (.) με γενική λύση k f ( ) e ce a Αν g ( ) 0 έχουμε την ομογενή διαφορική εξίσωση f ( ) af ( ) 0 (.3) με γενική λύση f ( ) ce Αν g() k έχουμε τη διαφορική εξίσωση f ( ) af ( ) k (.4) με γενική λύση k f ( ) ce a

//04. Γραμμική διαφορική εξίσωση ης τάξης (πρώτου βαθμού με σταθερούς συντελεστές). Κάθε διαφορική εξίσωση που μπορεί να πάρει τη μορφή f ( ) f ( ) af ( ) g( ).. Η εξίσωση f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) η τελευταία είναι στη μορφή (.3), με f f ce η οποία είναι στη μορφή (.) a, k c,, οπότε η γενική της λύση είναι a, οπότε ( )( ) f ( ) Ae Be, με ABανεξάρτητες, σταθερές., με. Η εξίσωση f x f x ( ) ( ), 0 Αν g() f x τότε g ( ) f f g( ) οπότε είμαστε στην περίπτωση. και x x x συνεπώς g() Ae Be δηλαδή f Ae Be και για x x f ( ) Ae Be x : x.3 Η εξίσωση f x f x ( ) ( ), 0 Είμαστε στην περίπτωση. με ix x : xi, i οπότε f ( ) ae e ix i Από τον τύπο του Euler e cos isin προκύπτει η γενική λύση f ( ) Asin( x) Bcos( x) Αυτή η λύση μπορεί να πάρει τη μορφή f ( ) C sin( x ), με C A B, sin B A, cos A B A B

//04 Ένας διαφορετικός τρόπος επίλυσης της f ( ) x f ( ), x 0 είναι ο παρακάτω: Επιλύουμε πρώτα την f ( ) f ( ) : f ( ) f ( ) sin f ( ) sin f ( ) sin f ( ) cos f ( ) cos f ( ) sin f ( ) sin f ( ) cos f ( ) sin f ( ) cos f ( ) B sin f ( ) cos f ( ) B () Με τον ίδιο τρόπο cos f ( ) cos f ( ) cos f ( ) sin f ( ) sin f ( ) cos f ( ) cos f ( ) sin f ( )... cos f ( ) sin f ( ) A () Πολλαπλασιάζοντας την () με cos και τη () με sin f ( ) Asin( ) Bcos( ) και προσθέτοντας προκύπτει: Για την f ( ) x f ( ), x 0 θεωρούμε τη συνάρτηση g() f x προηγούμενο. Τελικά θα προκύψει η f ( ) Asin( x) Bcos( x) και εφαρμόζουμε το.4 Η (ομογενής) εξίσωση f ( ) f ( ) af ( ) 0.4 Έστω η, (χαρακτηριστική της διαφορικής),εξίσωση: x x a 0 Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις: η εξίσωση έχει δύο πραγματικές διαφορετικές ρίζες της p, p τότε: p p και pp a Η εξίσωση γίνεται (.3) (.) p p p f ce ) Be f ( ) p f ( ) p f ( ) p f ( ) 0 f ( ) p ( ) f ( Ae (.4.) η εξίσωση έχει ίσες ρίζες p p p με τον ίδιο τρόπο προκύπτει η γενική λύση: p (.4. f () A B e ) η εξίσωση έχει δύο συζυγείς μιγαδικές ρίζες της p, p τότε: p k xi, p k xi οπότε k ix ix με τον ίδιο τρόπο η γενική λύση της διαφορικής θα είναι: f ( ) e ae e k (από.3), f e A x B x ή ( ) sin ( ) cos( ) (.4.) 3 k f ( ) C e sin( x ), με C A B, sin Άρα, B A, cos A B A B 3

//04.5 Η εξίσωση f ( ) f ( ) af ( ) g( ).5 Έστω η εξίσωση: p p και x x a 0 Αυτή έχει, στο σύνολο των μιγαδικών, δύο ρίζες της p p a p, p τότε: Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία της στη.4 και θεωρώντας ότι: h( ) d H() c, έτσι ώστε c κάποια σταθερά και H ( ) h( ).5, μπορούμε να πάρουμε τη γενική λύση της p p ( ) p p f e e e e g( ) d d (.5. ) Έτσι η επίλυση της διαφορικής ανάγεται στον υπολογισμό των αορίστων ολοκληρωμάτων της.5. Εύκολα μπορούμε να επαληθεύσουμε ότι για.5. στην προκύπτουν οι περιπτώσεις της.4 g ( ) 0 και με υπολογισμό των ολοκληρωμάτων Μερικά ολοκληρώματα εφαρμογών ad a c ae d ae c f gd f g f gd (Ολοκλήρωση κατά παράγοντες) e e a e a e a e e d d e () d e d ae c e e a e a I e sin( ) d sin( ) d sin( ) e (sin ) d sin( ) e cos d e a e a e sin a cos sin( ) cos( ) e (cos ) d a I e sin a cos I e sin( ) d a Ομοίως c e cos asin J e cos( ) d c a 4

//04 Σημείωση: Η διαφορική και ρίζα την p a f ( ) af ( ) g( ) η οποία έχει χαρακτηριστική εξίσωση έχει λύση την ( ) p p f e e g( ) d xa0 Ανακεφαλαιώνοντας Διαφορική εξίσωση (Δ. ε.) f ( ) af ( ) g( ) Χαρακτηριστική εξίσωση (Χ. ε.) xa0 Ρίζες Χ. ε. p Γενική Λύση Δ. ε. f ( ) ( p p e e g ) d f ( ) f ( ) af ( ) g( ) x x a 0 p, p f ( e e g p ) p p p e e ( ) d d h( ) d H() c, έτσι ώστε c κάποια σταθερά και H( ) h( ) Εφαρμογή. Μάζα m συνδεμένη στο άκρο ελατηρίου k κινείται κατά μήκος του άξονα xx. Στη μάζα ασκείται δύναμη τριβής ανάλογη της ταχύτητάς της. Να βρεθεί η μετατόπιση της μάζας. Απάντηση Έστω f() η μετατόπιση της μάζας. Αυτή θα είναι η γενική λύση της διαφορικής: mf ( ) kf ( ) nf ( ) η οποία είναι ισοδύναμη με την f ( ) f ( ) af ( ) g( ), με n k, a, g( ) 0 m m. Άρα c f () e e e e 0d d e e c d e c e c e c e p p p p p p p p p p p p p Γνωρίζοντας της συνθήκες του προβλήματος μπορούμε να υπολογίσουμε της ρίζες p, pκαθώς και της σταθερές. Αν οι p, p δεν είναι πραγματικές τότε με τη βοήθεια του τύπου του Euler i e cos isin η μετατόπιση θα πάρει τη μορφή f ( ) Ae d sin Εφαρμογή. Μάζα m συνδεμένη στο άκρο ελατηρίου k κινείται κατά μήκος του άξονα xx. Στη μάζα ασκείται δύναμη τριβής ανάλογη της ταχύτητάς της, καθώς και εξωτερική δύναμη της μορφής F0 sin Να βρεθεί η μετατόπιση της μάζας. Απάντηση Έστω f() η μετατόπιση της μάζας. Αυτή θα είναι η γενική λύση της διαφορικής: mf ( ) kf ( ) nf ( ) F sin, η οποία είναι ισοδύναμη με την 0 5

//04 n k F0 f ( ) f ( ) af ( ) g( ), με, a, g( ) sin. m m m p Άρα ( ) p p p f e e g( ) d e e d Για την επίλυσή της θα υπολογίσουμε πρώτα το ολοκλήρωμα. e g( ) d e sind m p p F0 Βρήκαμε παραπάνω ότι 0 e sin a cos e sin( ) d c, οπότε a p p p F0 p p sin cos p e e e g() d e ce m p F p p p pe sin cos ce mp ( ) Οπότε F 0 p p p p p f ( ) e p e sind e cos d c e d mp ( ) Αντικαθιστώντας τα (γνωστά) ολοκληρώματα προκύπτει η λύση: F f ( ) p p sin p p cos Ae B e m 0 ( )( ) ( ) ( ) p p p p A B p p x ax, σταθερές,, οι ρίζες της 0 6