\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \renewcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bbf}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-10mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\qedhere}{}\]

Johdantoa

Insinööritieteissa päädytään usein ongelmiin, joissa tuntemattomat suureet riippuvat ajasta tai muuttuvat muuten jollakin annetulla välillä. Tällaiset ongelmat ovat lähes poikkeuksetta yhtälöitä, joissa esiintyy tuntemattomana funktio ja sen derivaattoja. Tällaisia yhtälöitä kutsutaan differentiaaliyhtälöiksi. Fysiikassa mittaustuloksiin perustuvat luonnonlait on yleensä tapana antaa differentiaaliyhtälöiden avulla.

Tarkastellaan seuraavaksi kahta varsin perustavanlaatuista ongelmaa esimerkkeinä differentiaaliyhtälöistä.

Esimerkki 3.1.1

  1. Sijoitetaan lasi vettä pöydälle kun ympäröivän ilman lämpötila on \(T_u\). Merkitään veden lämpötilaa \(T(t)\) hetkellä \(t\), eli oletetaan veden ja lasin lämpötilan tasoittuneen samaksi. Lämpö virtaa kuumasta kylmään ja lämpötilan muutosnopeus \(T'(t)\) on suoraan verrannollinen lasin ja ilman väliseen lämpötilaeroon \(T(t)-T_u\), eli

    (1)\[ T'(t)=-k(T(t)-T_u),\]

    missä \(k>0\) on verrannollisuuskerroin. Kerroin \(-k\) on välttämättä negatiivinen, koska lasin ollessa ilmaa lämpimämpi \(T(t)-T_u>0\) ja lämpötila \(T(t)\) vähenee ja siten derivaatta \(T'(t)\) on negatiivinen. Päinvastaisessa tilanteessa on oltava \(T(t)-T_u<0\) ja \(T'(t)>0\). Jos vakiot \(k\) ja \(T_u\) tunnetaan, niin ratkaise funktio \(T(t)\).

  2. Suoraviivaisesti liikkuvaan kappaleeseen vaikuttaa vakiosuuruinen työntövoima \(F_0\) ja vauhdista \(v\) riippuva vastusvoima \(-kv^2\), missä \(k>0\) on vakio. Kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima on \(F_0-kv^2\), joten Newtonin lain mukaan \(F_0-kv^2=ma\), missä \(m\) on massa ja \(a\) on kiihtyvyys. Merkitään kappaleen paikkaa \(x(t)\) hetkellä \(t\). Koska \(x'(t)=v(t)\) ja \(x''(t)=v'(t)=a(t)\), niin

    \[F_0-kx'(t)^2=mx''(t).\]

    Jos vakiot \(F_0\), \(k\) ja \(m\) tunnetaan, niin ratkaise funktio \(x(t)\).

Palautusta lähetetään...