Alle boeken

Professioneel

Apps Over Coach Inloggen Begin met lezen

Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is differentiaalvergelijking lineair van de eerste orde?

Definitie 5.1 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1 · Hoofdstuk 5 — Lineaire differentiaalvergelijkingen

Zij II een interval en zij a,b ⁣:I→Ra, b \colon I \to \R (of C\C) continu. De vergelijking

(E) ⁣:y′+a(x) y=b(x),(E)\colon\quad y' + a(x)\,y = b(x),

in de onbekende afleidbare functie y ⁣:I→Ry \colon I \to \R (of C\C), heet een lineaire differentiaalvergelijking van de eerste orde. De vergelijking (H) ⁣:y′+a(x)y=0(H)\colon y' + a(x) y = 0 is haar homogene vergelijking.

Voorbeelden

Voorbeeld 5.3 (Een homogene vergelijking met variabele coëfficiënt)

Los y′+(cos⁡x) y=0y' + (\cos x)\,y = 0 op op R\R. Een primitieve functie van a(x)=cos⁡xa(x) = \cos x is A(x)=sin⁡xA(x) = \sin x, dus de oplossingen zijn

y(x)=λ e−sin⁡x,λ∈R.y(x) = \lambda\,\eu^{-\sin x}, \qquad \lambda \in \R .

Twee lezingen. Elke oplossing is periodiek (periode 2π2\pi) en wordt nooit nul tenzij λ=0\lambda = 0 — het teken van λ\lambda is voor altijd het teken van yy, want een exponentiële kan de nul niet oversteken. En de oplossing door y(0)=y0y(0) = y_0 is y0e−sin⁡xy_0\eu^{-\sin x}: precies één kromme van de familie door elk beginpunt, het eendimensionale beeld van Stelling 5.4 (2).

Voorbeeld 5.6 (Raden verslaat integreren)

Los y′+2x y=xy' + 2x\,y = x op op R\R. Variatie van constanten werkt (A=x2A = x^2, μ′=x ex2\mu' = x\,\eu^{x^2}, μ=12ex2+λ\mu = \frac12\eu^{x^2} + \lambda), maar opmerken dat de constante yp=12y_p = \frac12 de vergelijking oplost (0+2x⋅12=x0 + 2x\cdot\frac12 = x) gaat sneller. Met de homogene oplossingen λ e−x2\lambda\,\eu^{-x^2}:

y(x)=12+λ e−x2,λ∈R.y(x) = \frac12 + \lambda\,\eu^{-x^2}, \qquad \lambda \in \R .

Elke oplossing convergeert bijzonder snel naar 12\frac12 als x→±∞x \to \pm\infty: de constante particuliere oplossing is een evenwicht waar alle oplossingen bij aansluiten. Het inzicht: vóór je de algemene methode start, besteed je tien seconden aan het zoeken naar een voor de hand liggende particuliere oplossing (een constante, een monoom, een veelvoud van het rechterlid); de structuurstelling maakt het werk dan af.

Voorbeeld 5.8 (Eén complex rechterlid, twee reële antwoorden)

Los y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x en y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x in één beweging op. Werk in C\C met het rechterlid eix\eu^{\iu x}: de poging yp=c eixy_p = c\,\eu^{\iu x} geeft c(i−1)eix=eixc(\iu - 1)\eu^{\iu x} = \eu^{\iu x}, dus

c=1i−1=−1−i2,yp=−(1+i)(cos⁡x+isin⁡x)2=sin⁡x−cos⁡x2+i −sin⁡x−cos⁡x2.c = \frac1{\iu - 1} = \frac{-1 - \iu}2, \qquad y_p = -\frac{(1 + \iu)(\cos x + \iu\sin x)}2 = \frac{\sin x - \cos x}2 + \iu\,\frac{-\sin x - \cos x}2 .

Omdat de vergelijking reële coëfficiënten heeft, splitsen reëel en imaginair deel: sin⁡x−cos⁡x2\frac{\sin x - \cos x}2 lost y′−y=cos⁡xy' - y = \cos x op, en −sin⁡x+cos⁡x2-\frac{\sin x + \cos x}2 lost y′−y=sin⁡xy' - y = \sin x op (controleer de eerste: de afgeleide cos⁡x+sin⁡x2\frac{\cos x + \sin x}2 min de functie geeft cos⁡x\cos x). Eén complexe regel verving twee keer variatie van constanten — dezelfde zuinigheid die Methode 5.13 voor de tweede orde systematiseert, en een terugkerend dividend van Hoofdstuk 3.

Lees in het hoofdstuk →