angličtina

Všech fakult

Schopnost orientace v základních pojmech a metodách diferenciálních rovnic. Řešení vybraných úloh z oblastí obyčejných a parciálních diferenciálních rovnic, uvedených v anotaci, pomocí aplikace těchto metod. Řešení úloh využitím moderního matematického software. Zásadními výstupy jsou:
1) Umět explicitně řešit základní typy obyčejných diferenciálních rovnic prvního řádu (separované, lineární, exaktní, Bernoulliova, Cleiro).
2) Schopnost rozboru počáteční úlohy a určení její řešitelnosti.
3) Konstrukce řešení pomocí metody postupných aproximací.
4) Modelování obvodů pomocí lineárních rovnic vyššího řádu a jejich řešení.
5) Řešení systémů lineárních obyčejných diferenciálních rovnic, pokud je znám fundamentální system řešení.
6) Řešení homogenních systémů lineárních obyčejných diferenciálních rovnic s konstantními koeficienty metodou vlastních vektorů a metodou exponenciály matice.
7) Konstrukce partikulárních řešení nehomogenních lineárních diferenciálních systémů.
8) Zjišťování stability lineárních systémů diferenciálních rovnic s proměnnými koeficienty a s konstantími koeficienty (spravné použití kriterií stability).
9) Řešení jednoduchých parciálních diferenciálních rovnic prvního řádu.
10) Využití metody charakteristik a prvních integrálů při řešení parciálních diferenciálních rovnic prvního řádu.
11) Aplikace D’Alembertovy metody na řešení lineárních parciálních diferenciálních rovnic druhého řádu.
12) Využití Fourierovy metody při řešení lineárních parciálních diferenciálních rovnic druhého řádu.
13) Podrobná konstrukce řešení vlnové rovnice a rovnice vedení tepla.
14) Laplaceova parciální diferenciální rovnic a její řešení.
15) Formulace Dirichletovy úlohy pro lineární parciální rovnice druhého řádu a jejich řešení.

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Na přednáškách a cvičeních jsou demonstrovány aplikace diferenciálních rovnic v elektrotechnice, které navazují na obsah předmětu. Důraz je kladen také na samostatnou práci studentů během semestru, například na práci s dostupnou literaturou v rámci přípravy na přednášky a aktivitu během přednášek a během cvičení. 

Hodnoceny budou schopnosti řešit některé vybrané typy diferenciálních rovnic a také schopnosti správného použití teoretických poznatků, které úspěšné řešení podmiňují.
Výsledké hodnocení (zkouška) je bodové (0-100 bodů), ze cvičení lze uznat maximálně 30 bodů. Závěrečná zkouška je písemná a lze za ni získat maximálně 70 bodů.

1. Diferenciální rovnice prvního řádu. Základní pojmy. Existence řešení. Postupné aproximace. Přehled nejdůležitějších typů rovnic prvního řádu, které lze řešit analyticky.
2. Rovnice vyšších řádů. Řešení lineárních rovnic druhého řádu pomocí mocninných řad. Besselova rovnice a Besselovy funkce.
3. Existence a jednoznačnost řešení systémů diferenciálních rovnic prvního řádu. Lineární systémy obyčejných diferenciálních rovnic. Obecné vlastnosti řešení a jeho struktura.
4. Přenosová matice. Řešení počáteční úlohy užitím přenosové matice. Lineární systémy s konstantními koeficienty. Homogenní systémy. Eliminační metoda. Metoda charakteristických čísel.
5. Využitíití exponenciály matice. Putzerův algoritmus řešení.
6. Nehomogenní systémy. Metoda neurčitých koeficientů. Metoda variace konstant. Popis elektrických obvodů lineárními systémy.
7. Stabilita řešení systémů diferenciálních rovnic. Autonomní systémy.
8. Ljapunovova přímá metoda pro autonomní systémy. Ljapunovovská funkce. Ljapunovova přímá metoda pro neautonomní systémy.
9. Stabilita lineárních systémů. Hurwitzovo kritérium. Michajlovovo kritérium. Stabilita podle lineární aproximace. Fázová analýza lineárního dvourozměrného autonomního systému s konstantními koeficienty a případy stability.
10. Parciální diferenciální rovnice prvního řádu. Počáteční úloha. Nejjednodušší typy rovnic.
11. Charakteristický systém. Existence řešení. Obecné řešení. První integrály. Pfaffova rovnice.
12. Parciální diferenciální rovnice druhého řádu. Klasifikace rovnic. Transformace proměnných. Telegrafní rovnice. D’Alembertův vzorec.
13. Rovnice vedení tepla. Dirichletova úloha. Laplaceova rovnice. Řešení Fourierovou metodou separace proměnných.

Diferenciální rovnice jsou páteří mnoha oblastí inženýrských věd. Cílem předmětu je vytvořit základní představy o vlastnostech řešení diferenciálních rovnic, vyložit základní techniky a metody jejich řešení. Úkolem kursu je nejenom seznámit s některými přesnými metodami řešení diferenciálních rovnic (např. s metodou řešení lineárních systémů s konstantními koeficienty pomocí exponenciály matice, s metodami pro řešení některých typů parciálních diferenciálních rovnic - Fourierova metoda, D'Alembertova metoda), ale také ukázat na možnosti získání přibližných informací o vlastnostech řešení (např.při zjišťování stability řešení). Metody jsou ilustrovány na konkrétních příkladech z elektrotechniky.

Buchanan, J., N., Zhoude, Z.: A First Course in Partial Differential Equations, World Scientific Publishing Co Pte Ltd., 2nd Edition, 2017, ISBN: 978-0486686400 (EN)
Kalbaugh, D., V.: Differential Equations for Engineers: The Essentials, CRC Press, 2017, ISBN: 978-1498798815 (EN)
Kam, T., Ch.: Theory of Differential Equations in Engineering and Mechanics, CRC Press, 2017, ISBN: 978-1498767781 (EN)

Amaranath, T.: An Elementary Course in Partial Differential Equations, Narosa Publ. House, 2nd Edition, 2014, ISBN: 978-1842651568 (EN)
Epstein, M., Partial Differential Equations, Mathematical Techniques for Engineers, Springer, 2017 (in disposal in faculty library) (EN)
Keskin, A. Ümit, Ordinary Differential Equations for Engineers, Problems with MATLAB Solutions, Springer, 2019 (in disposal in faculty library) (EN)
Wei-Chau Xie, Differential Equations for Engineers, Cambridge Univerzity Press, 2014 (in disposal in faculty library) (EN)