Dynamische Systeme und Stabilität
2. Übung

Martin Schmidt, Ross Ogilvie, Noah Schepp       24. Februar 2025
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3.
Lösungen von Differentialgleichungen.
(a)
Sei m mit m > 0. Die Konstant g ist 9,8ms2, lassen Sie aber als g. Finden Sie eine Lösung q für die Differentialgleichung mq = 𝑔𝑚 und mit q(0) = 10 und q(0) = 0. (2 Punkte)
(b)
Zeigen Sie: Für α,A,B beliebig ist y(t) := Acos(𝛼𝑡) + Bsin(𝛼𝑡) eine Lösung der Differentialgleichung y + α2y = 0. (1 Punkt)
(c)
Sei f(t,u,u) := 4u 3u 3t + 4. Zeigen Sie, dass u(t) = Aet + Be3t t mit A,B eine Lösung der Differentialgleichung u = f(t,u,u) ist. Bestimmen Sie A und B, sodass u(0) = u(0) = 0 gilt. (4 Punkte)
(d)
Finden Sie eine Differentialgleichung, für die die Funktion y(t) = Aet + Bet + C für alle A,B,C eine Lösung ist. (4 Punkte)

[Tipp: Man überlege zunächst, welche Ordnung die Differentialgleichung haben sollte. Dann berechne man y,y, und überlege, wie man die Parameter A,B,C loswird.]

4.
Systeme von Differentialgleichungen.
(a)
Schreiben Sie das folgende System von Differentialgleichungen in die Form Y (t) = 𝐴𝑌 (t). Geben Sie die Matrix A hierbei explizit an. x(t) + x(t) + 2y(t) + 3z(t) = 0 y(t) x(t) + z(t) = 0 2z(t) y(t) = 0. (2 Punkte)
(b)
Bringen Sie die skalare inhomogene lineare Differentialgleichung dritter Ordnung
y(t) + a2(t)y(t) + a1(t)y(t) + a 0(t)y(t) = f(t)

mit ak,f : , in die Form Y (t) = A(t)Y (t) + b(t) eines Differentialgleichungssystems erster Ordnung in einer Vektorfunktion Y (t). Geben Sie die von t abhängige Matrix A(t) sowie den Vektor b(t) auch hier explizit an. (3 Punkte)

5.
Lineare Unabhängigkeit von Funktionen.
(a)
Seien V ein Vektorraum und v1,,vm V . Geben Sie eine Definition für die lineare Unabhängigkeit dieser Vektoren. (1 Punkt)
(b)
Sei I ein Intervall und y1,,ym : I Funktionen. Die Funktionen sind lineare Unabhängigkeit genauso wenn
t I, k=1mc kyk(t) = 0 c1 = c2 = = cm = 0.

Erklären Sie: Woher kommt t? Warum nicht t? (1 Punkt)

(c)
Zeigen Sie: y1(t) = t und y2(t) = t2 sind linear unabhängig. (1 Punkt)


Desmos Demo: https://www.desmos.com/calculator/n1h5mzkucy

(d)
Zeigen Sie: y1(t) = sint und y2(t) = cost sind linear unabhängig. (1 Punkt)
(e)
Nehmen Sie an, dass y1 und y2 lineare abhängig sind, mit c1y1(t) + c2y2(t) = 0 für alle t und (c1,c2)(0,0). Dann muss c1y1(t) + c2y2(t) = 0 für alle t auch. Begründen Sie warum y1(t)y2(t) y2(t)y1(t) = 0.
(2 zusätzliche Punkte)
(f)
Benutzen Sie Teil (e) zu bewiesen, dass et und e2t linear unabhängig sind. (1 Punkt)