1 Exempel 1 - linjär differensekvation av förs
Transcription
1 Exempel 1 - linjär differensekvation av förs
1 Exempel 1 - linjär differensekvation av första ordningen Beräkna differensekvationen med det givna begynnelsevillkoret. 2yn+1 + yn = 3, y0 = 2. 1.1 Lösning Den homogena lösningen ges av 1 2r + 1 = 0 ↔ r = − . 2 Alltså har vi att den homogena lösningen är yn(h) = C − 1 2 n . Eftersom högerledet är av grad 0 så ansätter vi ett polynom an = a0 d.v.s. en konstant. Vi får då att 2a0 + a0 = 3 ⇔ 3a0 = 3 ⇔ a0 = 1. Med vårat bygennelsevillkor fås att C = 1. Alltså yn = 2 yn(h) + yn(p) 1 =1+ − 2 n . Exempel 2 - linjär differensekvation av första ordningen Beräkna differensekvationen med det givna begynnelsevillkoret yn+1 = 3yn − 1, y0 = 2. 2.1 Lösning Den allmänna lösningen yn(h) ges av r − 3 = 0 ⇔ r = 3 ⇒ yn(h) = C3n . 1 Det återstår att finna den partikulära lösningen. Återigen är högerledet av grad 0 så vi ansätter bara en konstant a0 1 a0 − 3a0 = −1 ⇔ −2a0 = −1 ⇔ a0 = . 2 Med y0 = 2 får vi yn = yn(h) + yn(p) = 3 1 3 n 1 n+1 + · 3 = (3 + 1). 2 2 2 Exempel 3 - linjär differensekvation av första ordningen Beräkna differensekvationen med det givna begynnelsevillkoret yn+1 − yn = en , n ≥ 1, y1 = 1. 3.1 Lösning Den allmäna lösningen ges av r − 1 = 0 ⇔ r = 1. För den partikulära lösningen ansätter vi yn(h) = a0 en . Vi får då a0 en+1 − a0 en = en ⇔ a0 e − a0 = 1 ⇔ a0 (e − 1) = 1 ⇔ a0 = 1 . e−1 Med begynnelsevillkoret y1 = 1 får vi e e−1−e 1 1 1 e + C · 11 = 1 ⇔ C = 1 − = =− . e−1 e−1 e−1 e−1 Alltså har vi att yn är sådan att yn = yn(h) + yn(p) = 4 1 en − 1 (en − 1) = . e−1 e−1 Exempel 4 - linjär differensekvation av andra ordningen Beräkna 9yn+2 + 6yn+1 + yn = 0. 2 4.1 Lösning Den homogena lösningen fås ur det karakteristiska polynomet 2 1 1 9r + 6r + 1 = 0 ⇔ r + r + = 0 ⇔ r + 3 9 3 2 =0 Det vill säga 1 n . = (A + Bn) − 3 Eftersom differensekvationen är homogen finns det ingen partikulärlösning, därmed är svaret 1 n yn = (A + Bn) − . 3 5 yn(h) Exempel 5 - linjär differensekvation av andra ordningen Lös differensekvationen nπ yn+2 + yn = n sin . 2 5.1 Lösning Vi börjar med att beräkna den homogena lösningen 2 r +1=0⇔ yn(h) nπ nπ + B sin . = A cos 2 2 För partikulärlösningen gör vi följande ansättning π i 2 a(p) n = n(Cn + D) e n π = (Cn2 + Dn) e 2 i n . Varav yn(p) = Im{a(p) n }. Vi inför också hjälpekvationen π an+2 + an = n e 2 i n . Insättning av ansättningen i hjälpekvationen ger oss då π (C(n + 2)2 + D(n + 2)) e 2 i n+2 π + (Cn2 + Dn) e 2 i 3 n π = n e2i n (−1)(C(n2 + 4n + 4) + Dn + 2D) + Cn2 + Dn = n −Cn2 − 4Cn − 4C − Dn − 2D + Cn2 + Dn = n ( ⇒ −4C = 1 ⇒ C = − 41 −2D − 4C = 0 ⇒ D = 21 . Alltså har vi att yn(p) = Im n a(p) n o ! = n n2 πn − sin . 2 4 2 Varav har vi att yn är sådan att yn = 6 yn(h) + yn(p) ! πn πn πn n n2 − sin = A cos + B sin + . 2 2 2 4 2 Exempel 6 - linjär differensekvation av andra ordningen Lös differensekvationen yn+2 − 4yn = −6n2 + 8n + 17 + 2n+1 . 6.1 Lösning Den homogena lösningen är r2 − 4 = 0 ⇔ (r − 2)(r + 2) = 0 ⇒ yn(h) = A2n + B(−2)n . Det återstår att beräkna den partikulära lösningen, vi delar upp den i två olika differensekvationer yn+2 − 4yn = −6n2 + 8n + 17 (1) yn+2 − 4yn = 2n+1 = 2n · 2 (2) För ekvation 1 ansätter vi yn(p) = an2 + bn + c och får 1 a(n + 2)2 + b(n + 2) + c − 4an2 − 4bn − 4c = −6n2 + 8n + 17 an2 + 4an + 4a + bn + 2b + c − 4an2 − 4bn − 4c = −6n2 + 8n + 17 −3an2 + (4a − 3b)n + (4a + 2b − 3c) = −6n2 + 8n + 17. 4 Vilket ger oss följande a=2 b=0 ⇒ yn(p) = 2n2 − 3. 1 c = −3 För ekvation 2 gör vi följande ansättning = a0 n2n . yn(p) 2 Insättning i 2 ger oss då 1 a0 (n + 2)4 − 4a0 n = 2 ⇔ 8a0 = 2 ⇒ a0 = . 4 Det vill säga vi har att 1 yn(p) = yn(h) + yn(h) = 2n2 − 3 + n2n . 1 2 4 Varav yn är då yn = yn(h) + yn(p) = A2n + B(−2)n + 2n2 − 3 + = A+ 7 n n 2 = 4 n n 2 + B(−2)n + 2n2 − 3. 4 Exempel 7 - linjär differensekvation av andra ordningen Lös differensekvationen yn+2 − 2yn+1 + 4yn = n · 2n + 4n , 7.1 7 1 y0 = , y1 = . 3 3 Lösning Homogena lösningen fås ur √ πn πn r2 − 2r + 4 = 0 ⇔ r1,2 = 1 ± i 3 ⇒ yn(h) = 2n A cos + B sin . 3 3 Det återstår att beräkna den partikulära lösningen, vi delar upp den i två olika (3) yn+2 − 2yn+1 + 4yn = n · 2n 5 yn+2 − 2yn+1 + 4yn = 4n (4) Varav yn(p) = yn(h) + yn(p) . Vi börjar med ekvation 3, och ansätter därmed 1 2 yn(p) = (an + b)2n . 1 Insättning i 3 ger då (a(n + 2) + b)2n+2 − 2(a(n + 1) + b)2n+1 + 4(an + b)2n = n2n 4an + 8a + 4b − 4an − 4a − 4b + 4an + 4b = n ( 4an + 8a + 8b = n ⇒ 1 a = 14 n (p) 1 ⇒ yn1 = (n − 1)2 . b = −4 4 Det återstår att beräkna yn(p) . Vi ansätter yn(p) = a0 4n . Insättning i 4 ger 2 2 16a0 − 8a0 + 4a0 = 1 ⇔ 12a0 = 1 ⇔ a0 = 1 . 12 Alltså har vi att yn(p) är yn(p) p = yn(p) + yn(p) = 1 2 1 1 (n − 1) 2n + 4n . 4 12 adderar vi homogenlösningen så får vi att yn är sådan att n yn = 2 πn n − 1 2n πn + A cos + B sin + . 3 3 4 12 Med begynnelsevillkoren får vi att A = n yn = 2 1 2 √ och B = 3 2 vilket ger √ ! πn 3 πn 1 n − 1 2n cos sin + . + + 2 3 2 3 4 12 6