Lineaire differentiaalvergelijking

Moderators: ArcherBarry, Fuzzwood

Reageer
Gebruikersavatar
Berichten: 689

Lineaire differentiaalvergelijking

Ik versta de methode van de onbepaalde coëfficiënten niet, kan iemand mij hiermee helpen?

Neem bvb. de differentiaalvergelijking
\(Ly = x^2 + e^{2x}\)
met
\(L = D^4 - 3D^3+4D\)
of dus, in het geheel:
\(y'''' - 3y'''+4y' = x^2 + e^{2x}\)
.

Eerst splitsen we het probleem op:
\(Ly_a = x^2\)
en
\(Ly_b = e^{2x}\)
.

Dan lossen we de homogene diff vgl op:
\(Ly_H = 0\)
met karakteristieke vgl
\(p(\lambda) = \lambda (\lambda -2)^2 (\lambda + 1) = 0\)
en dus
\(y_{1, \ 2, \ 3, \ 4} = 1, \ e^{2x}, \ xe^{2x}, \ e^{-x}\)
En dus nu moet ik particuliere oplossingen voor
\(Ly_a = x^2\)
en
\(Ly_b = e^{2x}\)
vinden. Voor
\(Ly_a = x^2\)
doe ik dit blijkbaar door de operator
\(\overline{L} = D^3\)
in te voeren, dan wordt de karakteristieke vgl
\(\overline{p}(\lambda) \cdot p(\lambda) = \lambda^4 (\lambda -2)^2 (\lambda + 1) = 0\)
. Maar hoe weet ik in godsnaam welke operator (in dit geval
\(\overline{L} = D^3\)
) ik moet invoeren? Waarom niet een andere operator? Of bedoelen ze een operator waardoor x^2 nul wordt? Want dan kan je D^3 gebruiken, maar ook D^4 of D^5...

Dat zou betekenen dat de andere operator, om
\(Ly_b = e^{2x}\)
op te lossen, e^2x tot nul moet herleiden. D-2? Of D^2 - 4? Of D^3 - 8?

Denis
"Her face shown like the sun that I strived to reach."

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

Deze methode ken ik niet, ik zou een particuliere oplossing (met onbepaalde coëfficiënten) voorstellen, substitueren en uit het stelsel die coëfficiënten oplossen.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 689

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

Deze methode ken ik niet, ik zou een particuliere oplossing (met onbepaalde coëfficiënten) voorstellen, substitueren en uit het stelsel die coëfficiënten oplossen.
Het probleem is dat de prof op het examen zegt, los de vgl op volgens die of deze methode. Ik moet ze dus beide kunnen.

Nu, ik ben wat verder. De in te voeren operatoren zijn inderdaad D3 en D-2. Dus:

Neem de differentiaalvergelijking
\(Ly = x^2 + e^{2x}\)
met
\(L = D^4 - 3D^3+4D\)
of dus, in het geheel:
\(y'''' - 3y'''+4y' = x^2 + e^{2x}\)
.

Opsplitsen:
\(Ly_a = x^2\)
en
\(Ly_b = e^{2x}\)
.

Homogene diff vgl oplossen:
\(Ly_H = 0\)
met karakteristieke vgl
\(p(\lambda) = \lambda (\lambda -2)^2 (\lambda + 1) = 0\)
en dus
\(y_{1, \ 2, \ 3, \ 4} = 1, \ e^{2x}, \ xe^{2x}, \ e^{-x}\)
De bedoeling van de tweede operator in te voeren, is het zoeken naar de particuliere oplossing te herleiden tot het zoeken van een oplossing van een homogene diffvgl. Of, dat denk ik toch :eusa_whistle:

En dus nu moet ik particuliere oplossingen voor
\(Ly_a = x^2\)
ofwel
\(\overline{L}(Ly_a) = \overline{L}x^2 = 0\)
:
\(\overline{L}y_p = 0\)
met karakteristieke vgl
\(\overline{p}(\lambda) \cdot p(\lambda)= \lambda ^4 (\lambda -2)^2 (\lambda + 1) = 0\)
en dus
\(y_{ap1, \ ap2, \ ap3, \ ap4, \ ap5, \ ap6, \ ap7} = 1, \ x, \ x^2, \ x^3, \ e^{2x}, \ xe^{2x}, \ e^{-x}\)
En dus nu moet ik particuliere oplossingen voor
\(Ly_b = e^{2x}\)
ofwel
\(\overline{L}(Ly_b) = \overline{L}e^{2x} = 0\)
:
\(\overline{L}y_p = 0\)
met karakteristieke vgl
\(\overline{p}(\lambda) \cdot p(\lambda)= \lambda (\lambda -2)^3 (\lambda + 1) = 0\)
en dus
\(y_{bp1, \ bp2, \ bp3, \ bp4, \ bp5} = 1, \ e^{2x}, \ xe^{2x}, \ x^2e^{2x}, \ e^{-x}\)
En nu zou ik uit die 12
\(y_{pi}\)
voor
\(i \in \{ 1, \ \cdots , \ 12 \} \)
blijkbaar mijn particuliere vgl kunnen opstellen voor de hele diffvgl. Of zo iets...

Denis
"Her face shown like the sun that I strived to reach."

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

Dat zou kunnen, maar die methode is me niet bekend. Het lijkt me ook niet sneller dan wat ik zou doen :eusa_whistle:
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 689

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

In de algemene oplossing komen de termen van de oplossingen van de homogene vergelijking al voor. Deze komen echter ook voor in de oplossingen van y_ap en y_bp, dus misschien mogen we deze schrappen? Ze komen namelijk toch terug in de algemene oplossing van de differentiaalvergelijking, dankzij het fundamenteel stel oplossingen (=oplossing van homogene diffvgl)

Dan houden we als particuliere oplossing over:
\(y_p = a_0x + a_1x^2 + a_2x^3 + b_0x^2e^{2x} = x(a_0 + a_1x + a_2x^2) + b_0x^2e^{2x}\)
Kan dit?

EDIT: je postte ondertussen:
Dat zou kunnen, maar die methode is me niet bekend. Het lijkt me ook niet sneller dan wat ik zou doen
Dat begrijp ik. Ik moet echter deze oplossingsmethode ook kennen, dus als jou particuliere vgl overeenkomt met de mijne dan zit ik waarschijnlijk goed.

Denis
"Her face shown like the sun that I strived to reach."

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

HosteDenis schreef:Dan houden we als particuliere oplossing over:
\(y_p = a_0x + a_1x^2 + a_2x^3 + b_0x^2e^{2x} = x(a_0 + a_1x + a_2x^2) + b_0x^2e^{2x}\)


Kan dit?
Dat klopt; als het nu de bedoeling is d.m.v. substitutie en identificatie van de coëfficiënten die onbekende a(i)'s te bepalen, dan doen we toch "hetzelfde" eigenlijk. Alleen zou ik deze stap hebben overgeslagen, "wetende" welke particuliere oplossing je hier moet voorstellen. Misschien "weten" jullie dat niet en is dit de manier om tot dit voorstel te komen.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Gebruikersavatar
Berichten: 689

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

Dat klopt; als het nu de bedoeling is d.m.v. substitutie en identificatie van de coëfficiënten die onbekende a(i)'s te bepalen, dan doen we toch "hetzelfde" eigenlijk. Alleen zou ik deze stap hebben overgeslagen, "wetende" welke particuliere oplossing je hier moet voorstellen. Misschien "weten" jullie dat niet en is dit de manier om tot dit voorstel te komen.
Wel, "weten"... Geen idee. Als ik een lineaire diffvgl op moet lossen, dan kijk ik naar nulpunten van de karakteristieke vgl, en naar de termen van het rechterlid. Als die termen van het r-lid van de vorm
\(P(x)e^{\alpha x} \cos (\beta x)+ Q(x)e^{\alpha x} \sin ( \beta x)\)
zijn, dan heb je een formule'tje voor de termen van de particuliere oplossing te vinden. Die dan afleiden (meermaals indien nodig) en substitueren in je diffvgl om de coëfficiënten van je particuliere oplossing te vinden.

Dus wij kennen die methode, en de methode met het invoeren van een tweede operator zoals ik in mijn vorige posts deed. Beiden vinden een particuliere oplossing waarin de termen nog onbepaalde coëfficiënten hebben, en dus bij beide moet je deze particuliere oplossing nog afleiden en substitueren in je diffvgl.

EDIT: En uiteraard is er ook nog de functie van Green indien de twee bovenstaande (evenwaardige) manieren geen uitweg bieden... :eusa_whistle:

Denis
"Her face shown like the sun that I strived to reach."

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Lineaire differentiaalvergelijking

Het lijkt mij dat die eerste methode nogal omslachtig is voor dat soort bijzondere termen in het rechterlid, als je de eerste daarvoor ook gezien hebt...
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Reageer