с постоянными коэффициентами. Метод Эйлера
Линейной однородной системой с постоянными коэффициентами называется система дифференциальных уравнений вида
где коэффициенты — постоянные, а — искомые функции от .
Систему (1) можно коротко записать в виде одного матричного уравнения
называется частным решением уравнения (2) в интервале , если выполняется тождество
Система частных решений
(здесь в записи нижний индекс указывает номер решения, а верхний — номер функции в решении) называется фундаментальной на интервале , если ее определитель Вронского
Теорема. Если система частных решений однородного уравнения (2) является фундаментальной, то общее решение этого уравнения имеет вид
где — произвольные постоянные.
Линейные системы можно интегрировать различными способами, рассмотренными ранее, например методом исключения, путем нахождения интегрируемых комбинаций и т.д.
Для интегрирования однородных линейных систем с постоянными коэффициентами применяется также метод Эйлера .
Рассмотрим этот метод в применении к системе трех линейных дифференциальных уравнений:
Решение системы (3) ищем в виде
Подставляя (4) в (3) и сокращая на , получаем систему уравнений для определения и
Система (5) имеет ненулевое решение, когда ее определитель равен нулю,
Уравнение (6) называется характеристическим .
А. Пусть корни и характеристического уравнения — вещественные и различные . Подставив в (5) вместо число и решив систему (5), получим числа и . Затем положим в (5) и получим числа и, наконец, при получим и . Соответственно трем наборам чисел и получим три частных решения
Общее решение системы (3) имеет вид
Пример 1. Решить систему дифференциальных уравнений
Решение. Составляем характеристическое уравнение
Корням соответствуют числа
Выписываем частные решения
Общее решение системы:
Б. Рассмотрим теперь случай, когда корни характеристического уравнения комплексные .
Пример 2. Решить систему линейных однородных дифференциальных уравнений
Решение. Выпишем систему для определения и
имеет корни . Подставляя в (8), получаем два уравнения для определения и
из которых одно является следствием другого (в силу того, что определитель системы (8) равен нулю).
Возьмем , тогда первое частное решение запишется так:
Аналогично, подставляя в (8) корень , найдем второе частное решение:
Перейдем к новой фундаментальной системе решений:
Пользуясь известной формулой Эйлера , из (9), (10) и (11) получаем
Общим решением системы (7) будет
Замечание. Найдя первое частное решение (9), можно было бы сразу написать общее решение системы (7), пользуясь формулами
где и обозначают соответственно действительную и мнимую части комплексного числа , т. е. если , то , .
В. Случай кратных корней.
Пример 3. Решить систему
Решение. Характеристическое уравнение
Решение следует искать в виде
Подставляя (13) в первое уравнение системы (12), получаем
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях в левой и правой части (14), получаем:
Величины и остаются произвольными. Обозначая их соответственно через и , получаем общее решение системы (12):
Замечание. Легко проверить, что если (13) подставить во второе уравнение системы (12), то получим тот же результат (15). В самом деле, из равенства
получаем два соотношения для определения и через и
Пример 4. Решить задачу Коши для системы линейных дифференциальных уравнений
с начальными условиями .
Решение. Характеристическое уравнение
Корни уравнения (17): . Действительному корню отвечает решение
Подставляя (18) в систему (16) и сокращая на , получаем
откуда . Полагаем, например, , тогда и частное решение (18):
Комплексному корню отвечает решение
подставив которое в (16) и сокращая на , получим
откуда , так что, например, при имеем и частное решение
Корню соответствует решение, комплексно сопряженное решению (20), т.е.
Учитывая (19), (20), (21), получаем общее решение
Выделим, наконец, решение с начальными условиями . Из (22) при имеем
Воспользовавшись формулами Эйлера , окончательно получим
- Системы дифференциальных уравнений с примерами решения и образцами выполнения
- Решение систем дифференциальных уравнений
- Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений
- Метод исключения
- Метод интегрируемых комбинаций
- Системы линейных дифференциальных уравнений
- Фундаментальная матрица
- Квадратная матрица
- Метод вариации постоянных
- Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
- Метод Эйлера
- Матричный метод
- Понятие о системах дифференциальных уравнений
- Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения
- Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
- Решение однородного уравнения Эйлера
- Примеры
- Решение неоднородного уравнения Эйлера
- Пример
- Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
- 📹 Видео
Видео:Видеоурок "Системы диф. уравнений. Метод Эйлера"Скачать

Системы дифференциальных уравнений с примерами решения и образцами выполнения
Также как и обыкновенные дифференциальные уравнения, системы дифференциальных уравнений применяются для описания многих процессов реальной действительности. В частности, к ним относятся различного рода физические и химические процессы, процессы нефте- и газодобычи, геологии, экономики и т.д. Действительно, если некоторые физические величины (перемещение тела, пластовое давление жидкости в фиксированной точке с тремя координатами, концентрация веществ, объемы продаж продуктов) оказываются меняющимися со временем под воздействием тех или иных факторов, то, как правило, закон их изменения по времени описывается именно системой дифференциальных уравнений, т.е. системой, связывающей исходные переменные как функции времени и производные этих функций. Независимой переменной в системе дифференциальных уравнений может выступать не только время, но и другие физические величины: координата, цена продукта и т.д.
Видео:Метод ЭйлераСкачать

Решение систем дифференциальных уравнений
К системе дифференциальных уравнений приводит уже простейшая задача динамики точки: даны силы, действующие на материальную точку; найти закон движения, т. е. найти функции 
Здесь x, у, z — координаты движущейся точки, t — время, f, g, h — известные функции своих аргументов.
Система вида (1) называется канонической. Обращаясь к общему случаю системы т дифференциальных уравнений с т неизвестными функциями 
разрешенную относительно старших производных. Система уравнений первого порядка, разрешенных относительно производных от искомых функций,
Если 

Например, одно уравнение
является мастным случаем канонической системы. Положив 
В результате получаем нормальную систему уравнений
эквивалентную исходному уравнению.
Определение:
Решением нормальной системы (3) на интервале (а, Ь) изменения аргумента t называется всякая система n функций
дифференцируемых на интервале а
Теорема:
Существования и единственности решения задачи Коши. Пусть имеем нормальную систему дифференциальных уравнений
и пусть функции 





Определение:
Система n функций
зависящих от t и n произвольных постоянных 

1) при любых допустимых значениях 
2) в области 
Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных 
Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,
Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат 
системы (7), принимающее при 



Нормальной системе (7) и ее решению можно придать еще такое истолкование: будем независимую переменную t рассматривать как параметр, а решение
системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости 



Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений
Метод исключения
Один из методов интегрирования — метод исключения. Частным случаем канонической системы является одно уравнение n-го порядка, разрешенное относительно старшей производной
Введя новые функции 
т. е. одно уравнение n-го порядка эквивалентно нормальной системе (1)
Можно утверждать и обратное, что, вообще говоря, нормальная система п уравнений первого порядка эквивалентна одному уравнению порядка n. На этом и основан метод исключения для интегрирования систем дифференциальных уравнений.
Делается это так. Пусть имеем нормальную систему
Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем
Заменяя в правой части производные 

Уравнение (3) снова дифференцируем по t. Принимая во внимание систему (2), получим
Продолжая этот процесс, найдем
Предположим, что определитель
(якобиан системы функций 
Тогда система уравнений, составленная из первого уравнения системы (2) и уравнений
будет разрешима относительно неизвестных 

Внося найденные выражения в уравнение
получим одно уравнение n-го порядка
Из самого способа его построения следует, что если 
Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим 
от t в систему уравнений
По предположению эту систему можно разрешить относительно 

Можно показать, что так построенная система функций
составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:
Требуется проинтегрировать систему
Дифференцируя первое уравнение системы, имеем
откуда, используя второе уравнение, получаем
— линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами с одной неизвестной функцией. Его общее решение имеет вид
В силу первого уравнения системы находим функцию
Найденные функции x(t), y(t), как легко проверить, при любых значениях С1 и С2 удовлетворяют заданной системе.
Функции x(t), y(t) можно представить в виде
откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом 
Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение
так что фазовые траектории данной системы суть окружности с центром в начале координат — проекции винтовых линий на плоскость хОу.
При А = 0 фазовая траектория состоит из одной точки х = 0, у = 0, называемой точкой покоя системы.
Замечание:
Может оказаться, что функции 

нельзя заменить эквивалентным уравнением второго порядка относительно х1 или x2. Эта система составлена из пары уравнений 1-го порядка, каждое из которых интегрируется независимо, что дает
Метод интегрируемых комбинаций
Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений
иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.
Интегрируемой комбинацией называется дифференциальное уравнение, являющееся следствием уравнений (8), но уже легко интегрирующееся.
Пример:
Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:
Вычитая почленно из первого уравнения системы второе, получаем вторую интегрируемую комбинацию:
Мы нашли два конечных уравнения
из которых легко определяется общее решение системы:
Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение
связывающее независимую переменную t и неизвестные функции 

Если найдено п первых интегралов системы (8) и все они независимы, т. е. якобиан системы функций 
то задача интефирования системы (8) решена (так как из системы
определяются все неизвестные функции
Системы линейных дифференциальных уравнений
Система дифференциальных уравнений называется линейной, если она линейна относительно неизвестных функций и их производных, входящих в уравнение. Система n линейных уравнений первого порядка, записанная в нормальной форме, имеет вид
или, в матричной форме,
Теорема:
Если все функции 



Действительно, в таком случае правые части системы (1) непрерывны по совокупности аргументов t, 

Введем линейный оператор
Тогда система (2) запишется в виде
Если матрица F — нулевая, т. е. 
Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.
Теорема:
Если X(t) является решением линейной однородной системы
то cX(t), где с — произвольная постоянная, является решением той же системы.
Теорема:
двух решений 
Следствие:
с произвольными постоянными коэффициентами сi решений 
является решением той же системы.
Теорема:
Если 
a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы
будет решением неоднородной системы
Действительно, по условию,
Пользуясь свойством аддитивности оператора 
Это означает, что сумма 
Определение:
называются линейно зависимыми на интервале a
при 



Заметим, что одно векторное тождество (5) эквивалентно n тождествам:
называется определителем Вронского системы векторов
Определение:
Пусть имеем линейную однородную систему
где 

линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а
с непрерывными на отрезке 

(
Пример:
имеет, как нетрудно проверить, решения
Эти решения линейно независимы, так как определитель Вронского отличен от нуля:
Общее решение системы имеет вид
(с1, с2 — произвольные постоянные).
Фундаментальная матрица
Квадратная матрица
столбцами которой являются линейно независимые решения 
Если Х(t) — фундаментальная матрица системы (6), то общее решение системы можно представить в виде
— постоянная матрица-столбец с произвольными элементами. Полагая в (7) t = t0, имеем
Матрица 
Теорема:
О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области 
с непрерывными на отрезке 
соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения 
Метод вариации постоянных
Если известно общее решение линейной однородной системы (6), то частное решение неоднородной системы можно находить методом вариации постоянных (метод Лагранжа).
есть общее решение однородной системы (6), тогда
причем решения Xk(t) линейно независимы.
Будем искать частное решение неоднородной системы
где 

Подставляя 
то для определения 
или, в развернутом виде,
Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно 

где 
Подставляя эти значения 
(здесь под символом 
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений
в которой все коэффициенты 
Мы рассмотрим еще метод Эйлера интегрирования линейных однородных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Он состоит в следующем.
Метод Эйлера
Будем искать решение системы
где 

Для того, чтобы эта система (3) линейных однородных алгебраических уравнений с n неизвестными 
Уравнение (4) называется характеристическим. В его левой части стоит многочлен относительно 




где второй индекс указывает номер решения, а первый — номер неизвестной функции. Построенные таким образом п частных решений линейной однородной системы (1)
образуют, как можно проверить, фундаментальную систему решений этой системы.
Следовательно, общее решение однородной системы дифференциальных уравнений (1) имеет вид
где 
Случай, когда характеристическое уравнение имеет кратные корни, мы рассматривать не будем.
Пример:
Ищем решение в виде
имеет корни
Система (3) для определения a1, а2 выглядит так:
Подставляя в (*) 
откуда а21 = а11. Следовательно,
Полагая в 
Общее решение данной системы:
Матричный метод
Изложим еще матричный метод интегрирования однородной системы (1). Запишем систему (1) в виде


Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор 
Число 
где I — единичная матрица.
Будем предполагать, что все собственные значения 

Столбцами матрицы Т являются координаты собственных векторов g1, g2 …, gn матрицы А.
Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — 










Пусть B(t) — n х n-матрица,
— вектор-столбец. Учитывая правила алгебры матриц, непосредственной проверкой убеждаемся в справедливости формулы
В частности, если В — постоянная матрица, то
так как 
Теорема:
Если собственные значения 
где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, 
Введем новый неизвестный вектор-столбец Y(t) по формуле
где Т — матрица, приводящая матрицу А к диагональному виду. Подставляя X(t) из (11) в (7), получим систему
Умножая обе части последнего соотношения слева на 

Мы получили систему из n независимых уравнений, которая без труда интегрируется:
Здесь 
Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы
решение Y(t) можно представить в виде
В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы 
Таким образом, если матрица А системы дифференциальных уравнений (7) имеет различные собственные значения, для получения общего решения этой системы:
1) находим собственные значения 
2) находим все собственные векторы g1, g2,…, gn;
3) выписываем общее решение системы дифференциальных уравнений (7) по формуле (10).
Пример:
Матрица А системы имеет вид
1) Составляем характеристическое уравнение
Корни характеристического уравнения
2) Находим собственные векторы
Для 
откуда g11 = g12, так что
Аналогично для 
3) Пользуясь формулой (10), получаем общее решение системы дифференциальных уравнений
Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты 
будет иметь действительные коэффициенты. Поэтому наряду с комплексным корнем 




При комплексном 
системы (7) также будет комплексным. Действительная часть
этого решения являются решениями системы (7). Собственному значению 



Пусть 

где сi — произвольные постоянные.
Пример:
1) Характеристическое уравнение системы
Его корни
2) Собственные векторы матриц
3) Решение системы
где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.
Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера
Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

где с1, с2 — произвольные действительные числа.
Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Понятие о системах дифференциальных уравнений











Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:




















































Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Видео:Метод Эйлера. Решение систем ДУСкачать

Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения
Более общее уравнение Эйлера имеет вид:
.
Это уравнение подстановкой t = ax+b приводится к более простому виду, которое мы и будем рассматривать.
Видео:Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
Рассмотрим уравнение Эйлера:
(1) .
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = e t .
Действительно, тогда
;
;
;
;
;
.
Таким образом, множители, содержащие x m , сокращаются. Остаются члены с постоянными коэффициентами. Однако на практике, для решения уравнений Эйлера, можно применять методы решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами без использования указанной выше подстановки.
Видео:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Решение однородного уравнения Эйлера
Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(2) .
Ищем решение уравнения (2) в виде
.
;
;
.
.
Подставляем в (2) и сокращаем на x k . Получаем характеристическое уравнение:
.
Решаем его и получаем n корней, которые могут быть комплексными.
Рассмотрим действительные корни. Пусть ki – кратный корень кратности m . Этим m корням соответствуют m линейно независимых решений:
.
Рассмотрим комплексные корни. Они появляются парами вместе с комплексно сопряженными. Пусть ki – кратный корень кратности m . Выразим комплексный корень ki через действительную и мнимую части:
.
Этим m корням и m комплексно сопряженным корням соответствуют 2 m линейно независимых решений:
;
;
.
.
После того как получены n линейно независимых решений, получаем общее решение уравнения (2):
(3) .
Примеры
Видео:Численное решение задачи Коши методом ЭйлераСкачать

Решение неоднородного уравнения Эйлера
Рассмотрим неоднородное уравнение Эйлера:
.
Метод вариации постоянных (метод Лагранжа) также применим и к уравнениям Эйлера.
Сначала мы решаем однородное уравнение (2) и получаем его общее решение (3). Затем считаем постоянные функциями от переменной x . Дифференцируем (3) n – 1 раз. Получаем выражения для n – 1 производных y по x . При каждом дифференцировании члены, содержащие производные приравниваем к нулю. Так получаем n – 1 уравнений, связывающих производные . Далее находим n -ю производную y . Подставляем полученные производные в (1) и получаем n -е уравнение, связывающее производные . Из этих уравнений определяем . После чего интегрируя, получаем общее решение уравнения (1).
Пример
Видео:15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
Рассмотрим уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью:
(4)
,
где – многочлены от степеней и , соответственно.
Наиболее простой способ решения такого уравнения заключается в том, чтобы сделать подстановку
,
и решать линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 14-08-2013 Изменено: 24-10-2020
📹 Видео
Линейные системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентамиСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Уравнения в частных производных первого порядка| poporyadku.schoolСкачать

Дифференциальные уравнения за 8 часовСкачать

6. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однороднымСкачать

Системы дифференциальных уравнений. Часть 2Скачать

Дифференциальное уравнение. Формула ЭйлераСкачать

Системы дифференциальных уравнений.Метод исключения.Метод Эйлера.Скачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.Скачать






























































































































































