Stelsels differentiaalvergelijkingen

Vergelijkbare documenten
Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

1 Eigenwaarden en eigenvectoren

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Lineaire Algebra voor W 2Y650

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Complexe eigenwaarden

Lineaire Algebra voor ST

1 Stelsels lineaire vergelijkingen.

Lineaire Afbeelding Stelsels differentiaalvergelijkingen. 6 juni 2006

Lineaire dv van orde 2 met constante coefficienten

Lineaire Algebra voor ST

Technische Universiteit Delft. ANTWOORDEN van Tentamen Gewone differentiaalvergelijkingen, TW2030 Vrijdag 30 januari 2015,

Hoofdstuk 3: Tweede orde lineaire differentiaalvergelijkingen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Stelsels van lineaire DVen met constante coëfficiënten

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

Hoofdstuk 1: Inleiding

Lineaire Algebra voor ST

TENTAMEN LINEAIRE ALGEBRA 1A. maandag 16 december 2002, b. Bepaal een basis voor de rijruimte en voor de kolomruimte van A.

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Kies voor i een willekeurige index tussen 1 en r. Neem het inproduct van v i met de relatie. We krijgen

Antwoorden op de theoretische vragen in de examen voorbereiding

WISKUNDE VOOR HET HOGER TECHNISCH OIMDERWUS LOTHAR PAPULA. deel 2. 2e druk ACADEMIC 5 E R V I C

Eigenwaarden en eigenvectoren in R n

d τ (t) dt = 1 voor alle τ 0.

Tentamen Lineaire Algebra UITWERKINGEN

WI1808TH1/CiTG - Lineaire algebra deel 1

Aanvullingen bij Hoofdstuk 8

Tentamen Lineaire Algebra B

WI1708TH Analyse 2. College 5 24 november Challenge the future

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Lineaire Algebra voor ST (2DS06) op , uur.

Matrices en Stelsel Lineaire Vergelijkingen

Het vinden van een particuliere oplossing

Geef niet alleen antwoorden, maar bewijs al je beweringen.

Toepassingen op differentievergelijkingen

CTB1002 deel 1 - Lineaire algebra 1

11.3. Inhomogene randwaardeproblemen. We beschouwen eerst inhomogene Sturm- Liouville randwaardeproblemen van de vorm :

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

De Laplace-transformatie

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Tentamen Lineaire Algebra voor ST (2DS06) op , uur.

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Geadjungeerde en normaliteit

Studiehandleiding Wiskunde 1B Voor Bachelor Opleiding Scheikunde Dr. W. van der Kallen

Eerste orde partiële differentiaalvergelijkingen

Wiskunde: Voortgezette Analyse

6. Lineaire operatoren

Aanvullingen van de Wiskunde / Partiële Differentiaalvergelijkingen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

UITWERKINGEN 1 2 C : 2 =

Hoofdstuk 1: Inleiding

Tentamenopgaven over hfdst. 1 t/m 4

Lineaire Algebra voor ST

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Aanvullingen van de Wiskunde

Examen G0O17E Wiskunde II (3sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-11:30 uur. Bachelor Geografie en Bachelor Informatica

11.0 Voorkennis V

x(t + T ) = x(t) Voorbeeld 1. Beschouw het niet-lineaire autonome stelsel . (1) y x + y y(x 2 + y 2 )

Eindtermen Lineaire Algebra voor E vor VKO (2DE01)

Technische Universiteit Delft Uitwerking Tentamen Analyse 3, WI 2601 Maandag 11 januari 2010,

Lineaire algebra I (wiskundigen)

Differentiaalvergelijkingen Technische Universiteit Delft

Wiskunde D vwo Lineaire algebra. Presentatie Noordhoff wiskunde Tweede Fase congres 19 november 2015 Harm Houwing en John Romkes

Lineaire Algebra en Vectorcalculus 2DN60 College 5.a Basis en dimensie

Unitaire en Hermitese transformaties

Tentamen Lineaire Algebra

Differentiaalvergelijkingen Technische Universiteit Delft

1e bachelor ingenieurswetenschappen Modeloplossing examen oefeningen analyse I, januari y = u sin(vt) dt. wordt voorgesteld door de matrix

Tentamen lineaire algebra voor BWI dinsdag 17 februari 2009, uur.

Wiskundige Technieken

Eigenwaarden en Diagonaliseerbaarheid

Lineaire differentiaalvergelijkingen met constante coëfficienten

Wiskundige Technieken

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Wiskunde voor informatici 2 Oefeningen

Kwantitatieve Economie / Faculteit Economie en Bedrijfskunde / Universiteit van Amsterdam. Schrijf je naam en studentnummer op alles dat je inlevert.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

FACULTEIT ECONOMIE EN BEDRIJFSKUNDE Afdeling Kwantitatieve Economie

Combinatoriek groep 2

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Examen G0O17D Wiskunde II (6sp) maandag 10 juni 2013, 8:30-12:30 uur

Antwoorden. 1. Rekenen met complexe getallen

3.2 Vectoren and matrices

Analyse I. 1ste Bachelor Ingenieurswetenschappen Academiejaar ste semester 10 januari 2008

Lineaire afbeeldingen

Uitwerkingen tentamen lineaire algebra 2 13 januari 2017, 10:00 13:00

CTB1002 deel 1 - Lineaire algebra 1

Lineaire Algebra voor ST

Lineaire afbeeldingen

EXAMEN LINEAIRE ALGEBRA EN ANALYTISCHE MEETKUNDE I. 1. Theorie

3. Stelsels van vergelijkingen

Symmetrische matrices

Derde serie opdrachten systeemtheorie

Hoofdstuk 3 : Determinanten

Jordan normaalvorm. Hoofdstuk 7

Hertentamen Wiskundige Technieken 1 Donderdag 4 jan 2018, 9-12 uur

TENTAMEN LINEAIRE ALGEBRA 1 donderdag 23 december 2004,

1 WAAM - Differentiaalvergelijkingen

Lineaire Algebra voor ST

Transcriptie:

Stelsels differentiaalvergelijkingen Stelsels homogene differentiaalvergelijkingen We bekijken in deze paragraaf stelsels homogene differentiaalvergelijkingen: x (t x (t x (t x (t x n(t A Voorbeeld x + y y x n (t, A een n n matrix (, dus hier is A ( Dit stelsel is simpel op te lossen: y(t c e t invullen in x (t x + y geeft x (t x(t + ce t, een inhomogene differentiaalvergelijking Die los je eenvoudig op: x(t c e t 4 ce t Voorbeeld Hoe nu te handelen met x (t y 3x y (t y 3x We noemen eerst de volgende stelling Stelling Als λ een eigenwaarde is van A en x de bijbehorende eigenvector is, dan is x(t e λt x een oplossing van ( Bewijs Ax λx, dus Ae λt x λe λt x (e λt x Voorbeeld vervolg In het tweede voorbeeld, waar A volgt uit 3 λ 3 λ λ + λ (λ + 4(λ 3 ( 3 3, dat 3 en -4 de eigenwaarden zijn Eigenvectoren bij 3: oplossen van α R Eigenvectoren bij -4: oplossen van R ( 6 3 ( 3 6 ( geeft α 3 ( geeft α,, α

We zien dat voor elke c, c uit R, c e 3t ( 3 ( en c e 4t oplossingen zijn Bewering: alle oplossingen zijn van de vorm ( ( ( x(t c y(t e 3t + c 3 e 4t met andere woorden x(t c e 3t + c e 4t, met c, c R Dat is altijd zo y(t 3c e 3t + c e 4t Stelling Als de n n matrix A n verschillende eigenwaarden λ,, λ n heeft, met x,, x n de bijbehorende eigenvectoren, dan krijg je alle oplossingen van x (t Ax(t via x(t c e λt x + + c n e λnt x n, met c,, c n (eventueel complexe getallen x 3x + y Voorbeeld 3 Los op y y + z z z A 3 Eigenwaarden zijn 3, en Bijbehorende eigenvectoren,, Oplossingen zijn dus x(t c e 3t + c e t + c 3 e t y(t c e t c 3 e t met c, c, c 3 R z(t c 3 e t Voorbeeld 4 Los op x x y A ( y x + y Eigenwaarden: ( λ + 4 geeft λ ± i

( ( i Eigenvectoren bij + i: oplossen geeft als i i eigenvector ( ( i Eigenvectoren bij i: oplossen geeft als i i eigenvector Dus: x(t (c + c e t cos t + i(c c e t sin t y(t i(c c e t cos t + (c + c e t sin t met c, c C Nu hebben we een probleem: we willen de reële oplossingen hebben Bedenk dat e (+it e t e it e t cos t + ie t sin t Door nu c en c zo te kiezen dat a c + c R èn b i(c c R krijgen we alle reële oplossingen Dus: alle reële oplossingen zijn x(t ae t cos t + be t sin t y(t be t cos t + ae t sin t met a, b R Dubbele eigenwaarden Je kunt je afvragen wat je moet doen als de n n matrix A onverhoopt niet n verschillende eigenwaarden heeft Zolang er een zogenaamde basis van eigenvectoren is, is dat allemaal geen probleem Maar zodra dat niet het geval is wor de zaak aanzienlijk ingewikkelder We doen een voorbeeld, maar verwijzen voor algemene theorie naar boeken over differentiaalvergelijkingen en lineaire algebra In het bijzonder moet je voor het algemene geval kennis nemen van de zogenaamde Jordan normaal vorm van een matrix Zie bijvoorbeeld: P Lancaster, M Tismenetsky: The theory of matrices, Second edition, Academic Press, London, 985 Voorbeeld 5 x (t x(t + y(t, y (t y(t, x(, y( ( De matrix A is nu A Die heeft eigenwaarde (en dat is de enige ( eigenwaarde, met bijbehorende eigenvector Er is geen basis van eigen- vectoren In dit voorbeeld kunnen we natuurlijk makkelijk verder De dv voor 3

y laat zich eenvoudig oplossen: y(t ce t, waar c R Invullen in de dv voor x geeft dan de inhomogene eerste orde dv x (t x(t ce t Oplossingen van de bijbehorende homgene dv zijn x(t c e t, dus als particuliere oplossing proberen we maar eens x(t c te t Je ziet dan snel dat je voor c moet nemen c c De oplossingen zijn dus: ( ( ( ( x(t c e t + cte t y(t ce t c e t + ce t t, c, c R Nu gebruiken dat x(, y( geeft dat c, c De oplossing is dus ( ( x(t e t + te t y(t e t Stelsels inhomogene differentiaalvergelijkingen Ook voor stelsels inhomogene differentiaalvergelijkingen werkt het gebruikelijke proberen van een oplossing voor bepaalde soorten rechterlid x y + t Voorbeeld 6 3 y x + t Eerst het homogene stuk x y y x ofwel ( x y ( ( x y Eigenwaarden zijn ±i, alle oplossingen voor de homogene vergelijking zijn x(t a cos t + b sin t met a, b R y(t b cos t + a sin t Nu moeten we ( nog één oplossing ( van( de inhomogene ( vergelijking ( vinden x a c e g Probeer daartoe t y 3 + t b + t + met d f h a, b, c, d, e, f, g, h reële getallen Dan is ( x y 3t ( a b t 3 ( b + a ( c + t d ( e + f + t ( d c + t ( f e + ( h + g 4

Vergelijk coëfficienten, je krijgt het volgende stelsel van acht vergelijkingen met acht onbekenden: a b d 3a c 3b c f e + d e h f g Dit stelsel is eenvoudig op te lossen, je krijgt a d, b, c 3, e, f g 6, h Samenvattend: ( ( x t 3 y + t ( 3 ( + t 6 ( 6 + ( 3t t 6 t 3 6t + De algemene oplossing is dus: x(t a cos t + b sin t + 3t t 6 y(t b cos t + a sin t t 3 6t + Laplace transformatie Ook bij stelsels differentiaalvergelijkingen kunnen we gebruik maken van de Laplace transformatie Voor een vectorfunctie x(t, met coördinaten x (t,, x n (t, voeren we de Laplace transformatie coördinaatsgewijs in Dus x(t x (t x n (t, L(x(s L(x (s L(x n (s Als A een n n matrix is, en f een vectorfunctie met waarden in R n, dan kunnen we van het stelsel differentiaalvergelijkingen x (t Ax(t + f(t, x( x links en rechts de Laplace transformatie nemen Dat geeft, als we met X(s de Laplace getransformeerde van x en met F (s de Laplace getransformeerde van f aangeven: sx(s x( AX(s + F (s Hieruit laat zich X(s simpelweg oplossen: (si AX(s F (s + x(, en dus X(s (si A F (s + (si A x 5

Daaruit kunnen dan de coordinaten van X(s worden berekend, en door terugtransformatie kunnen we dan x(t vinden (in principe Theoretisch is dit erg nuttig, in de praktijk kan vooral die laatste stap nogal eens tegenvallen Voorbeeld 5 nogmaals Bekijk nog eens voorbeeld 5 Dat laat zich met Laplace transformatie doen We hebben ( ( A, x, en f Dus ( ( X(s (si A s x s ( ( ( s (s s + (s s s Gebruik makend van het feit dat we inmiddels weten dat (s de Laplace getransformeerde is van te t en dat s de Laplace getransformeerde is van et zien we (weer dat de oplossing gegeven wor door x(t ( x(t y(t ( e t + te t e t Opgaven Bepaal van de volgende stelsels differentiaalvergelijkingen de oplossing (e (a (c x + y x + y dx 3x + z 3y + z dz x + y + z (b (d x y 4x + y dx x + 3y + 3z 3x y dz 3x z Bepaal van het stelsel onder d die oplossingen die voldoen aan x(, y(, en z( (f (h x + y + e t 3x + y e t (g x + y + 3t 5 x + y (i 4x 3y + sin t x y cos t dx x + 3y + 3z + 48t 3x y + e t dz 3x z e t 6