Kontinuerliga system:
Differentialekvationer
Deterministiska modeller
derivata istället för
dn(t )
rn(t )
dt
n(t ) e rt n(0)
jmf
n(t+1)-n(t)
n(t 1 ) Rn(t) n(t)
n(t) R t n( 0 )
Bestämma ekvationen
Bestäm vad som påverkar
systemet
rx
Population x
Bestäm om parametrarna är
tillväxt
positiva eller negativa, dvs
ger tillväxt eller reduktion
-dx
Bestäm om respektive
bx
‘dödslar’
parameter är linjär eller
Population x
ickelinjär
födsel
i immigration
Bestämma ekvationen
Vad påverkar systemet: tecken,
konstant, linjär eller ickelinjär:
rx, positiv, linjär
rx
Population x
tillväxt
dx(t )
rx(t )
dt
Vad påverkar systemet: tecken,
konstant, linjär eller ickelinjär:
bx, positiv, linjär
dx, negativ, linjär
i, positiv, konstant
dx(t )
(b d ) x(t ) i
dt
bx
Population x
-dx
‘dödslar’
födsel
i immigration
Differentialekvationer, del 1
Linjära differentialekvationer
Separabla ekvationer
System av linjära
differentialekvationer
kap 5.1-2
Använda numeriska metoder
kap 5.4
Vad är
differentialekvationer
Derivator i en ekvation, dvs både y
och y’ i samma ekvation
Exempel: Både koncentration och
förändring av koncentrationen
För att lösa detta så måste man
integrera på något sätt, dvs göra
om y’ till y.
De flesta differentialekvationer går
ej att lösa analytiskt, hänvisad till
numeriska lösningar
Separabla ekvationer
Separera variablerna till HL resp
VL
Integrera därefter respektive sida
dx(t )
dx(t )
tx(t )
tdt
dt
x(t )
1
x(t )dx(t ) tdt
Lösning, generell
1
x(t )dx(t ) ln x(t ) C1
1
x(t )dx(t ) tdt
1 2
tdt 2 t C2
1 2
ln x(t ) t C
2
x(t ) e
1 2
t C
2
x(t ) C ' e
1 2
t
2
Lösning, generell och
partikulär
dx(t )
tx(t )
dt
har generella lösningen:
x(t ) C ' e
1 2
t
2
Om vi vet t ex att x(0)=4 så
kan vi bestämma C’ dvs
partikulär lösningen
x(0) 4, x(0) C ' e
x(t ) 4e
1 2
t
2
1 2
0
2
C'
Separabla ekvationer,
sammanfattning
Separera variablerna till HL resp
VL
Integrera därefter respektive sida
dn(t )
dn(t )
rn(t )
rdt n(t ) C ' e rt
dt
n(t )
dn(t )
n(t )
K
r (1
)n(t ) ? ???????? n(t )
dt
K
1 C ' e rt
Tolka
differentialekvationen
Hur kommer lösningen,
lösningsfunktionen, att se ut?
När derivatan är
negativ
så avtar funktionen
positiv så växer funktionen
noll så är funktionen konstant, vid
jämvikt
dn(t )
n(t )
studera
r (1
)n(t )
dt
K
Linjär differentialekvation:
integrerande faktor
Linjär med avseende på n(t), dvs
m a p lösningsfunktionen vi söker
Dessa ekvationer kan skrivas som:
dn(t )
P(t )n(t ) Q(t )
dt
Integrerande faktorn används för att
lösa denna typ av ekvationer.
Integrerande faktor:
P ( t ) dt
(t ) e
Lösning via integrerande
faktor
dn(t )
P(t )n(t ) Q(t )
dt
P ( t ) dt
(t ) e
Integrerande faktor:
1
(t )Q(t )dt C
n(t ) (t ) (t )Q(t )dt C n(t )
(t )
Om
(t )Q(t )dt
existerar så kan du alltså bestämma
en lösning för n(t)
Exempel: integrerande faktor
dn(t )
P(t )n(t ) Q(t )
dt
P ( t ) dt
(t ) e
Integrerande faktor:
1
(t )Q(t )dt C
n(t )
(t )
Exempel:
dn(t ) 3
t n(t ) 2t 2
dt
t
(t ) e
13
t
3
2
(
t
)
Q
(
t
)
dt
e
2
t
dt 2e
lösning:
2
n(t )
e
13
t
3
(e
13
t
3
13
t
3
C ) C 2e
2
dt
e
C
1
t3
3
13
t
3
Maple: program som tar fram
analytiska lösningar
13
t
3
2
(
t
)
Q
(
t
)
dt
e
2
t
dt 2e
13
t
3
C
int(exp((1/3)*(t^3))*(2*t^2),t);
Använder samma teknik som vi samt en
stor databas
Exempel: integrerande faktor
dn(t )
P(t )n(t ) Q(t )
dt
Integrerande faktor:
P ( t ) dt
(t ) e
1
(t )Q(t )dt C
n(t )
(t )
t
dt
dn
(
t
)
Exempel:
2
0.5tn(t ) 0.2t 0.1 (t ) e
et
dt
Partiell integration:
t
t
t
(t )Q(t )dt e (0.2t 0.1)dt 0.2e t-0.3e derivera ena termen,
integrerar den andra
lösning: n(t ) 1 (0.2et t-0.3et C ) 0.2t 0.3 Ce t
t
e
Exempel: integrerande faktor
dn(t )
0.5tn(t ) 0.2t 0.1
dt
1
t
t
t
Generell lösning: n(t ) t (0.2e t-0.3e C ) 0.2t 0.3 Ce
e
Exempel:
n(0)=0.1 och
n(0) 0.2 0 0.3 Ce 0
0.1=-0.3+C
Partikulär lösning:
Maple:
C=0.4
n(t ) 0.2t 0.3 0.4e t
int(exp(t)*(0.2*t-0.3),t);
Homogen linjär
differentialekvation med
konstanta koefficienter
Samma typ av problem som för
system av linjära rekursiva talföljder,
kap 1.
Bestämma egenvärden, eller snarare
rötterna till ett polynom
d nx
d n1 x
dx
a0 n a1 n1 ... an1 an x 0
dt
dt
dt
Exempel:
d 2 x dx
6x 0
2
dt
dt
Både första och andra derivata i
ekvationen
Egenvärden och
lösningens karaktär
Lösningen fås genom att anta att
t
x
(
t
)
Ce
lösningen är
x(t ) Ce t i ekvationen
Sätt in
och bestäm
d nx
d n1 x
dx
a0 n a1 n1 ... an1 an x 0,
dt
dt
dt
x(t ) Ce t
a0Cnet a1Cn1et ... an1Cet anCet 0
a0n a1n1 ... an1 an 0,
om C 0, 0
Egenvärden och
lösningens karaktär
a0n a1n1 ... an1 an 0,
om C 0, 0
Detta är ett polynom, bestäm rötterna!
d 2 x dx
6 x 0 Begynnelsevärden: x(0)=2, x’(1)=3
2
dt
dt
2
t
6 0,
om C 0, 0
antag lösning x Ce
1 3, 2 2
Exempel:
x C1e3t C2e2t
med x(0) 2, x' (1) 3 ger
1 3t 1 2 t
x e e
5
5
Egenvärden och
lösningens karaktär
d 2 x dx
6x 0
2
dt
dt
Begynnelsevärden: x(0)=2, x’(1)=3
Partikulär lösning:
För stora t gäller att
1 3t 1 2 t
x e e
5
5
1 3t
x e
5
Lösningens karaktär
Om Im()=0
Om Im()0
Re()>0, exponentiell tillväxt
Re()>0, växande oscillationer
Re()<0, exponentiell avtagande
Re()<0, avtagande oscillationer
Re()=0, konstant
Re()=0, oscillation
System av första ordningens
homogena linjär
differentialekvationer med
konstanta koefficienter
Koppla samman flera linjära ekvationer, t ex
för två eller flera populationer eller hormon
Påminner om åldersklasser o dyl men
lösningen är et istället för Rt
Egenvärden och
lösningens karaktär
dx
ax by
dt
dy
cx dy
dt
a b
A
c d
Bestäm egenvärden, 1
och 2 samt
egenvektorer, v1 och v2
x C1v1 (1)e 1t C2v2 (1)e2t
y C1v1 (2)e 1t C2v2 (2)e2t
Du måste ha ett begynnelse värde (x,y) för att bestämma C1 och C2
Egenvärden och
lösningens karaktär
Bestäm egenvärden, 1 och 2
•Om dominerande egenvärdet är positivt så
tillväxer både x och y oavsett begynnelsevärden.
•Jämvikten, dvs (0,0), är då en source
•Om båda egenvärdena är negatova så avtar både
x och y oavsett begynnelsevärden.
•Jämvikten, dvs (0,0), är då en sink
SE sid 260 för fler definitioner utifrån
egnvärdena
lösningens karaktär
•Generellt gäller för linjära system att varje
variabel antingen går mot noll eller tillväxer
exponentiellt utom i få udda specialfall
•Alltså måste en modell som hanterar ett system
som har ett robust stabilt beteende vara ickelinjär
De flesta ekvationer kan
approximeras med linjära
funktioner inom ett litet intervall
Ekvationer som är deriverbara, dvs
är kontinuerliga inom intervall, kan
approximeras med
Taylorutveckling.
Dess första term är linjär och
därmed är det möjligt att
approximera
Intervallet är mindre ju större
derivatan är inom området
Numeriska lösningar
De flesta diffentialekvationer går ej att
lösa analytiskt.
Man får bestämma sin lösning m h a
numeriska metoder
Eulers metod är att göra om diff ekv till
differens ekvation med lämplig
steglängd
Mer raffinerade metoder, som Runge
Kutta, utnyttjar ett antal derivator vid
resp punkt. På detta sätt förbättras
riktningen, dvs värdet vid nästa steg
Matlab: Numeriska lösningar
[t,y] =ode45(’funktion',tidsintervall,begynnelsevärden);
Skapa en m-fil rigid.m
function dy = rigid(t,y)
dy = zeros(3,1); % a column vector
dy(1) = y(2) * y(3);
dy(2) = -y(1) * y(3);
dy(3) = -0.51 * y(1) * y(2);
lös ekvationen på intervallet 0-12
[t,y] = ode45('rigid',[0 12],[0 1 1])
Matlab: Numeriska lösningar
[t,y] = ode45('rigid',[0 12],[0 1 1])
plot(t,y(:,1),'-',t,y(:,2),'-.',t,y(:,3),'.')
Gör om rigid.m och pröva olika ekvationer
Vissa typer av diff ekvationer, s k styva ekvationer, bör
lösas med t ex ode15s(…)
Styva diff ekvationer