H25 Simultaaniset
differenssi- ja differentiaaliyhtälöt

Ratkaise

1.

Alkuehdot: x0 = 10 y0 = 9

Vastaus:

Erityisratkaisu:

Käytä lauseketta (17.22'):

Tässä:

Erityisratkaisu on silloin

Cramer: = -6; 1 = -42; 2 = -30 antaa saman tuloksen.

Komplementtifunktiot:Sijoittaen ajankohdan 0 arvot yhtälöiden homogeenisiin versioihin saat komplementtifunktiot, joista karakteristiset juuret käyttäen lauseketta (17.26'):

b1 = 3 b2 = - 2

Merkiten tämän jälkeen:

xt = m bt ja yt = n bt

jolloin: xt+1 = m bt+1 ja yt+1 = n bt+1

ja komplementtifunktiot ovat:

m bt+1 + m bt + 2 n bt = 0

n bt+1 + 2 m bt - 2 n bt = 0

Sijoittamalla tähän vuoron perään juuret b1 ja b2 ja supistaen pois tekijän bt saadaan muuttujien mi ja ni suhteet.

b1 = 3:m1 3 + m1 + 2 n1 = 0

n1 3 + 2 m1 - 2 n1 = 0

2 m1 = - n1 m1 = - n1/2

b2 = - 2:- m2 2 + m2 + 2 n2 = 0

- n2 2 + 2 m2 - 2 n2 = 0

m2 = 2 n2

Merkitsemällä sopivasti esim n1 ja n2 yhtälöihin voidaan 'istuttaa' Ai arvot. Saadaan:

m1 = - A1, n1 = 2 A1, m2 = 2 A2, n2 = A2

joten

Liittäen mukaan erityisratkaisut saadaan täydelliset yhtälöt, joista ajankohtana t = 0 annettuja alkuarvoja käyttäen saadaan määräämättömät kertoimet Ai.

SaadaanA1 = 1 ja A2 = 2

joten aikaurat ovat

2.

Alkuehdot: x0 = 5 y0 = 4

Vastaus:

Asetetaan x = ja y = kaikilla t arvoilla. Ratkaistaan yhtälöryhmä. Saadaan = 6 ja = 3.

Matriisilaskelmia varten

ja siis erityisratkaisu

Cramer: = 1/3; 1 = 2; 2 = 1 antaa saman tuloksen.

Karakterisiset yhtälöt antavat

b1 = 1/2, b2 = 1/3

Merkiten tämän jälkeen: xt = m bt ja yt = n bt

jolloin: xt+1 = m bt+1 ja yt+1 = n bt+1

ja komplementtifunktiot ovat:

m bt+1 - m bt + 1/3 n bt = 0

m bt+1 + n bt+1 - 1/6 n bt = 0

Sijoittamalla tähän vuoron perään juuret b1 ja b2 saadaan muuttujien mi ja ni suhteet. Merkitsemällä sopivasti esim m1 ja n1 saadaan vastaavat Ai arvot

Saadaan:

m1 = 2 A1, n1 = - 3 A1, m2 = A2, n2 = - 2 A2

joten

Liittäen mukaan erityisratkaisut saadaan täydelliset yhtälöt, joista ajankoh- dan t = 0 alkuarvoja käyttäen saadaan määräämättömät kertoimet Ai.

SaadaanA1 = -1 ja A2 = 1

ja aikaurat

3.

Alkuehdot: x(0) = 13 y(0) = 4

Vastaus:

Erityisratkaisu:

Komplementtifunktio:

Yhtälöryhmän homogeeninen muoto on

J u + M v = 0

Tähän sijoittamalla saadaan

Lavennetaan tekijällä ert ja kootaan tekijät ja saadaan

Karakteristinen yhtälö, (tässä J:n asemesta I):

r1 = - 2, r2 = - 3

m1 = - 4 A1, n1 = A1, m2 = - 3 A2, n2 = A2

xc = - 4 A1 e2t - 3 A2 e3t

yc = A1 e2t + A2 e3t

Liittäen mukaan erityisratkaisut saadaan täydelliset yhtälöt, joista ajankohdan t = 0 alkuarvoja käyttäen saadaan määräämättömät kertoimet Ai.

x(0) = - 4 A1 e0 - 3 A2 e0 + 12 = 13

y(0) = A1 e0 + A2 e0 + 4 = 4

Saadaan A1 = - 1 ja A2 = 1

x(t) = 4 e2t - 3 e3t + 12

y(t) = - e2t + e3t + 4

4.

Alkuehdot: x(0) = 8 y(0) = 5

Vastaus:

Erityisratkaisu:

Cramer: = -1; = -7; = -8 antaa saman tuloksen.

Karakteristinen yhtälö:

r1 = 1, r2 = - 1

m1 = 3 A1, n1 = A1, m2 = A2, n2 = A2

Komplementtifunktiot:

xc = 3 A1 et + A2 et

yc = A1 et + A2 et

Sijoitus käyttäen ajankohdan t = 0 arvoja

x(0) = 3 A1 e0 + A2 e0 + 7 = 8

y(0) = A1 e0 + A2 e0 + 8 = 5

antaa A1 = 2, A2 = - 5

jolloin aikaurat ovat

x(t) = 6 et - 5 et + 7

y(t) = 2 et - 5 et + 8

5. Totea konvergenssi edellisissä.

Vastaus:

1. | bi | > 1 räjähtää

2. | bi | < 1 suppenee

3. Juuret ri < 0 suppenee

4. Toinen juuri r1 > 0 räjähtää