7.4 Drill: utled og løs en differensialligning (sjanger G)
Sjangerdrill på ODE-oppgaven: fra N2L til analytisk løsning med initialbetingelser — den kjeden som alltid ender i en Python-deloppgave.
Sjanger G — svingninger og differensiallikninger — bygger på at differensiallikninger er testet i 6 av 7 sett (86 %) og svingninger i 5 av 7 (71 %). Luftmotstand er med i 6 av 7 (86 %). Variantene som går igjen i arkivet, er:
- lineær fjær, hengende eller på vannrett underlag;
- pendel som lineariseres med Taylor;
- ikke-lineær kraft som lineariseres om en likevekt;
- førsteordens luftmotstand som separeres og integreres;
- ren differensiallikning uten fysisk innpakning, der bare klassifisering og metode testes.
Slik ligger poengene, ut fra sensorveiledningene i H2023, V2024 og V2025:
| Steg | Typisk uttelling |
|---|---|
| Oppsett av likningen fra Newtons 2. lov | bærende — resten hviler på det |
| Klassifisering (orden, lineær/ikke-lineær, homogen/inhomogen, separabel) | selvstendig poenggivende |
| Karakteristisk likning | 2 poeng |
| Generell løsning | 1 poeng |
| Initialbetingelser, fysisk begrunnet | 2 poeng |
| Grensetilfelle-tolkning | ofte en egen deloppgave |
Bruk kapitlet slik: løs oppgavene med formelarket og Rottmann ved siden av, slik eksamen faktisk er. Skriv klassifiseringen hver eneste gang, også når du ser metoden med det samme — det er tjue sekunder som gir egne poeng. Og skriv for hånd: oppgavene er kalibrert mot en fire timers skoleeksamen med penn og papir.
Kapitlet er på 90 minutter. Det deler seg naturlig i to økter, med et pausepunkt etter oppgave 6.
Forkunnskaper — sist du var her
Dette kapitlet forutsetter kap. 7.1, kap. 7.2 og kap. 7.3. Alt du trenger, samlet:
Bevegelseslikningen fra Newtons 2. lov:
Substitusjonen til likevekt som gjør en inhomogen svingelikning homogen, med og for en hengende fjær:
Generell løsning og initialbetingelser:
Dempet svingning: med , og kritisk demping ved .
Linearisering om en likevekt: og .
Pendelen: for små i radianer, som gir .
Luftmotstand: (lineær) og (kvadratisk), med terminalfart og , og løsningen med .
Vi bruker , perioden skrives og pendellengden , og tyngden er — aldri .
Seks steg. Følg dem i rekkefølge, hver gang, også når oppgaven ser enkel ut.
1. Frilegemediagram og Newtons 2. lov. Isolér legemet, navngi hver kraft, velg positiv retning — og hold den. Skriv og bytt ut med den deriverte.
2. Klassifisér. Orden, lineær eller ikke, homogen eller inhomogen, separabel eller ikke. Skriv det ut i klartekst. Dette steget er selvstendig poenggivende.
3. Velg metode ut fra klassifiseringen.
- Andreordens, lineær, homogen: substituer til likevekt om nødvendig, sett opp den karakteristiske likningen, finn den generelle løsningen.
- Førsteordens, separabel: separer variablene og integrer.
- Ikke-lineær: finn likevekten og lineariser med Taylor om nettopp den.
4. Bruk initialbetingelsene til å bestemme konstantene, og begrunn dem fysisk. Antallet skal være lik ordenen.
5. Tolk grensetilfellene. Hva skjer når , når , når en parameter går mot null eller uendelig? Stemmer det med intuisjonen?
6. Pek på det numeriske neste steget. Er likningen ikke-lineær, todimensjonal eller med varierende koeffisienter, finnes ingen lukket løsning. Da skal du si i klartekst at den må løses numerisk, og hvordan: del tiden i små steg, regn ut akselerasjonen fra likningen i hvert steg, oppdater først farten og deretter posisjonen med den oppdaterte farten. Denne metoden heter Euler–Cromer og bygges fra grunnen i Del 8.
Steg 2 er det som gir flest poeng per minutt. Det tar tjue sekunder og gir egne poeng — og det er dessuten det som hindrer deg i å velge feil metode.
Steg 5 er det som skiller. Toppbesvarelsene kontrollerer uoppfordret, og på eksamen er kontrollen ofte en egen deloppgave.
Et lodd med masse henger i en fjær med fjærkonstant . Luftmotstanden neglisjeres. Ved holdes loddet under likevekt og gis samtidig farten oppover.
a) Tegn frilegemediagram og sett opp bevegelseslikningen. Gjør den homogen.
b) Klassifiser likningen.
c) Finn den generelle løsningen.
d) Bestem konstantene fra initialbetingelsene, og finn amplituden og den største farten.
e) Hvordan ville du løst likningen numerisk hvis fjæra i tillegg hadde en kvadratisk luftmotstand? Svar med ord.
a) To krefter virker på loddet: fjærkraften og tyngden , med målt fra fjærens avspente lengde og positiv oppover. Frilegemediagrammet har altså to piler ut fra loddet: fjærkraften oppover (så lenge fjæra er strukket) og tyngden rett nedover, med koordinataksen tegnet inn.
Likevekten er , altså under avspent lengde. Med :
Sensorblikk: her ligger de første poengene, og de ligger i substitusjonen. En besvarelse som lar tyngdeleddet stå og deretter bruker oppskriften for homogene likninger, har brukt en metode som ikke gjelder. Skriv én setning om at er konstant, slik at de deriverte er uendret.
b) Andre orden (høyeste deriverte er ), lineær ( i første potens), homogen (høyresiden blir null når alt samles), og med konstante koeffisienter.
Sensorblikk: fire ord, egne poeng. Ta dem.
c) Prøveløsningen gir den karakteristiske likningen
altså komplekse røtter uten realdel, og
Sensorblikk: den karakteristiske likningen er verdt 2 poeng, den generelle løsningen 1. Skriv begge, også når du «ser» svaret — det er selve utledningen som betales.
d) Initialbetingelsene begrunnes: « under likevekt» med positiv retning oppover gir , og «farten oppover» gir .
Sensorblikk: 2 poeng ligger her, og halvparten av dem i fortegnene. Amplituden er større enn startutslaget fordi loddet fortsatt var på vei oppover da klokka startet — én setning om det viser at du har lest svaret ditt.
e) Med et ledd blir likningen ikke-lineær, og da finnes ingen lukket løsning. Framgangsmåten er å dele tiden i små steg og gå fram slik: i hvert steg regner du ut akselerasjonen fra bevegelseslikningen med den posisjonen og farten du har akkurat da, oppdaterer først farten med denne akselerasjonen, og oppdaterer deretter posisjonen med den nye farten. Startverdiene er nettopp de initialbetingelsene vi brukte i d).
To ting er avgjørende: motstandsleddet må skrives med absoluttverdi, slik at det snur fortegn av seg selv når loddet snur, og hver kraft må deles på massen før den legges inn i akselerasjonen. Metoden heter Euler–Cromer, og at farten oppdateres først, er nettopp det som gjør at svingningen ikke får kunstig voksende amplitude. Den bygges fra grunnen i Del 8.
Sensorblikk: en slik deloppgave gir full uttelling for en presis beskrivelse med riktige initialbetingelser og riktig akselerasjonsuttrykk. Det er strukturen som betales, ikke syntaksen.
Drilloppgavene (~60 min)
Tolv oppgaver på eksamensnivå, stigende. Fire er andreordens svingelikninger, tre er førsteordens med luftmotstand, to krever linearisering, og de siste tre trener klassifisering, verifisering og kritisk lesning av en gal løsning.
Ta dem gjerne over to økter — naturlig pausepunkt etter oppgave 6.
En kloss med masse ligger på et vannrett friksjonsfritt bord festet til en fjær med .
a) Sett opp bevegelseslikningen og klassifiser den.
b) Finn den karakteristiske likningen, og .
c) Klossen trekkes ut og slippes fra ro. Skriv .
d) Hvor stor er farten når klossen passerer likevektspunktet?
En kule med masse slippes fra ro i en væske. Motstanden er lineær med .
a) Sett opp bevegelseslikningen og klassifiser den.
b) Finn terminalfarten og tidskonstanten.
c) Løs likningen med separasjon av variable, og skriv .
d) Hvor lang tid tar det før farten er av terminalfarten?
Et lodd med masse henger i en fjær med .
a) Finn likevektsstrekken og sett opp den homogene bevegelseslikningen for utslaget fra likevekt.
b) Finn og .
c) Loddet slippes fra ro i fjærens avspente lengde. Skriv med positiv oppover.
d) Hvor stor er den største farten, og hvor i svingningen opptrer den?
En pendel har lengden og slippes fra ro med utslagsvinkelen .
a) Utled bevegelseslikningen for vinkelen , og klassifiser den.
b) Lineariser den, og finn og .
c) Skriv .
d) Hvor stor relativ feil gjør småvinkeltilnærmingen på perioden her?
Et lodd med masse henger i en fjær med og er koblet til en demper som gir kraften med .
a) Sett opp bevegelseslikningen for utslaget fra likevekt, og klassifiser den.
b) Sett opp den karakteristiske likningen og finn røttene.
c) Hvilket dempingstilfelle er dette? Skriv løsningen.
d) Hvor lang tid tar det før amplituden er halvert, og hvor mange svingninger rekker loddet på den tiden?
e) Hvor stor måtte vært for kritisk demping, og hva ville skjedd da?
for .
a) Finn kraften og vis at er en likevekt.
b) Avgjør om likevekten er stabil.
c) Finn frekvensen og perioden for små svingninger om likevekten.
d) Hva er den minste energien partikkelen må ha for å unnslippe mot , og hva skjer med den hvis den ikke har nok?
— naturlig pausepunkt —
Så langt har du kjørt de fire vanligste variantene. De seks siste blander dem, og tre av dem trener det som skiller en god besvarelse fra en fullstendig: klassifisering under tidspress, verifisering av eget svar, og evnen til å se hvor en annens løsning svikter.
En hagleskyter slipper en blykule med masse fra en høy bygning. Luftmotstanden er kvadratisk med .
a) Sett opp bevegelseslikningen for hele fallet, med absoluttverdi, og forklar hvorfor den er nødvendig i den generelle formen.
b) Forenkle likningen for dette fallet, og skriv ut betingelsen som gjør forenklingen gyldig.
c) Finn terminalfarten.
d) Klassifiser den forenklede likningen, og si om den kan løses analytisk.
Klassifiser hver av likningene under (orden, lineær/ikke-lineær, homogen/inhomogen, separabel eller ikke), og si i én linje hvilken metode klassifiseringen peker på. Alle konstanter er positive. Bruk høyst to minutter per likning.
a)
b)
c)
d)
e)
a) Sett opp bevegelseslikningen og klassifiser den.
b) Finn synkefarten i likevekt.
c) Løs likningen og skriv .
d) Hvor lang tid tar det før kula har nådd av likevektsfarten?
e) Hvordan ville uttrykket endret seg dersom oppdriften var større enn tyngden? Tolk fortegnet.
a) Vis ved innsetting at uttrykket løser bevegelseslikningen.
b) Les av initialbetingelsene, og beskriv med ord hvordan svingningen ble satt i gang.
c) Finn amplituden og den største farten.
d) Når passerer loddet likevektspunktet første gang?
En kloss med masse er festet til en fjær med fjærkonstant på et vannrett bord, og påvirkes i tillegg av en kvadratisk luftmotstand.
a) Sett opp bevegelseslikningen og klassifiser den.
b) Skriv likningen på tilstandsform, altså som to koblede førsteordens likninger.
c) Forklar med ord hvordan du ville løst systemet numerisk, og hvilke to startverdier du trenger.
d) Hvorfor må luftmotstandsleddet deles på massen i akselerasjonslinja, og hva ville skjedd om du glemte det?
e) Hva ville du forventet å se i en graf av utslaget mot tiden, sammenliknet med den udempede svingningen?
> «Newtons 2. lov gir . Jeg integrerer to ganger og får . Med og blir og . Svingeperioden er .»
Pek ut tre ulike feil, forklar hva som er galt i hver av dem, og skriv hvordan oppgaven skulle vært løst. Svar i fem–åtte setninger til sammen.
Å hoppe over klassifiseringen. Den er selvstendig poenggivende og tar tjue sekunder. Den hindrer deg dessuten i å velge en metode som ikke gjelder.
Å glemme substitusjonen til likevekt. Tyngden eller en annen konstant kraft gjør likningen inhomogen, og oppskriften for homogene likninger gjelder ikke direkte.
Å bytte om og , eller og . En enhetssjekk avslører begge på fem sekunder: måles i , i sekunder.
Å skrive i stedet for . er et utslag og skal måles i meter.
Å linearisere om origo når likevekten ligger et annet sted. Finn likevekten først, hver gang.
Å blande grader og radianer i . Regn om startvinkelen før du setter inn.
Felle #4 — å skrive kvadratisk motstand som uten å begrunne at farten er ensrettet. Koster poeng både i utledningen og i koden.
Å miste minustegnet i separasjonen. gir . En løsning som vokser uten grense i stedet for å flate ut, har mistet nettopp dette tegnet.
Å glemme å dele kreftene på massen i akselerasjonsuttrykket. En dimensjonskontroll av hvert ledd avslører det umiddelbart.
Å svare uten enhet og retning. Manglende retning på en vektorstørrelse koster typisk 2 poeng.
Begrepsbank
Begrepsbanken er flashcard- og repetisjonsstoff — den gjentar det du nettopp har lest. Hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget for kapitlet gjelder kjernestoffet.
Eksamensoppgaven der en fysisk situasjon skal oversettes til en differensiallikning, likningen klassifiseres og løses, og svaret tolkes — med en numerisk deloppgave til slutt.
Differensiallikninger er med i 6 av 7 sett (86 %), svingninger i 5 av 7 (71 %) og luftmotstand i 6 av 7 (86 %). Oppgaven er typisk verdt fem–seks deloppgaver, og den numeriske halen er med i alle sju settene.
Sjangeren er den mest forutsigbare i hele faget: strukturen er den samme hver gang, bare innpakningen varierer.
Fem innpakninger dekker det aller meste:
1. Lineær fjær, hengende eller på vannrett underlag — krever substitusjon til likevekt i det første tilfellet.
2. Pendel — krever Taylor-linearisering og radianer.
3. Ikke-lineær kraft — krever at likevekten finnes først, og at regnes ut der.
4. Førsteordens luftmotstand — krever separasjon, og gir terminalfarten gratis.
5. Ren differensiallikning uten fysikk — krever bare klassifisering og metodevalg.
Gjenkjenner du hvilken du har foran deg, vet du også hvilke fem steg som kommer.
Etter sensorveiledningene i H2023, V2024 og V2025: karakteristisk likning 2 poeng, generell løsning 1 poeng, initialbetingelser 2 poeng, med egne poeng for klassifiseringen og for grensetilfelle-tolkningen.
Mønsteret betyr at over halvparten av uttellingen ligger utenfor selve løsningsformelen. Svaret er dessuten ofte oppgitt i oppgaveteksten — da er det utledningen som betales, og den må være sporbar.
Praktisk konsekvens: skriv hvert steg, også de du synes er selvfølgelige. Et hopp fra likning til svar koster poeng selv når svaret er riktig.
På en fire timers eksamen med fem flertrinnsoppgaver er det om lag 48 minutter per oppgave. For en ODE-oppgave med fem deloppgaver er en grov fordeling:
- oppsett og frilegemediagram: 5 minutter;
- klassifisering: under 1 minutt;
- løsningsmetoden: 15 minutter;
- initialbetingelser og tallsvar: 10 minutter;
- grensetilfeller og den numeriske deloppgaven: 12 minutter.
Det gir rom for gjennomlesing. Merk at klassifiseringen er det billigste steget i hele budsjettet målt i poeng per minutt — og at den numeriske deloppgaven ofte er den letteste, fordi den betales for struktur og ikke for syntaks.
Fem spørsmål som fanger nesten alle feilene i denne sjangeren:
1. Har hvert ledd i likningen samme enhet, og er hver kraft delt på massen i akselerasjonsuttrykket?
2. Er antallet initialbetingelser lik ordenen, og er hver av dem begrunnet fysisk?
3. Går løsningen mot det riktige i grensene og ?
4. Har enheten og enheten sekund?
5. Har hvert tallsvar enhet og retning?
Gjennomgangen tar to minutter og redder rutinemessig flere poeng enn det siste regnestykket du ikke rakk.
Det siste steget i oppskriften: å si i klartekst at likningen må løses numerisk, og hvordan.
Formen koden trenger, er tilstandsformen: akselerasjonen uttrykt ved posisjon og fart, og de to startverdiene og . Metoden emnet bygger på, oppdaterer først farten med akselerasjonen, og deretter posisjonen med den oppdaterte farten. Den heter Euler–Cromer og utvikles i Del 8.
Poengene i denne deloppgaven gis for riktige initialbetingelser, riktig akselerasjonsuttrykk og riktig oppdateringsrekkefølge — ikke for syntaks.
Vanen med å holde bokstavene til siste steg og først da sette inn tall.
Den lønner seg av tre grunner: uttrykket kan kontrolleres med benevningskontroll og grensetilfeller, en tidlig regnefeil forplanter seg ikke usynlig, og mellomregningen blir sporbar — noe som er nettopp betingelsen for at følgefeil ikke straffes.
I en ODE-oppgave er dette særlig verdifullt, fordi svaret ofte er et uttrykk og ikke et tall.
Formuleringer i oppgaveteksten som skjuler en initialbetingelse:
- «slippes fra ro» → ;
- «passerer likevektspunktet» → i det aktuelle tidspunktet;
- «holdes i avspent lengde og slippes» → målt fra likevekt, og ;
- «gis en dytt fra likevekt» → og ;
- «henger i ro når snora kuttes» → begge initialbetingelsene er null i det nye systemet.
Å oversette slike formuleringer til tall er et eget steg, og det er der de fleste initialbetingelsesfeilene oppstår.
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av den aktuelle utdanningsinstitusjonen. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.