Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Интегрирование однородных линейных систем ДУ
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

Видео:Метод ЭйлераСкачать

Метод Эйлера

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.

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Видео:Видеоурок "Системы диф. уравнений. Метод Эйлера"Скачать

Видеоурок "Системы диф. уравнений. Метод Эйлера"

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 Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеравыражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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 Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерааргумента t, назовем канонической систему вида

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

разрешенную относительно старших производных. Система уравнений первого порядка, разрешенных относительно производных от искомых функций,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Если Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерав (2) принять за новые вспомогательные функции, то общую каноническую систему (2) можно заменить эквивалентной ей нормальной системой, состоящей из Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерауравнений. Поэтому достаточно рассматривать лишь нормальные системы.

Например, одно уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

является мастным случаем канонической системы. Положив Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерав силу исходного уравнения будем иметь

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

В результате получаем нормальную систему уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

эквивалентную исходному уравнению.

Определение:

Решением нормальной системы (3) на интервале (а, Ь) изменения аргумента t называется всякая система n функций

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

дифференцируемых на интервале а Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Теорема:

Существования и единственности решения задачи Коши. Пусть имеем нормальную систему дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

и пусть функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераопределены в некоторой (n + 1) — мерной области D изменения переменных Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераЕсли существует окрестность Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераточки Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерав которой функции fi непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по переменным Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерато найдется интервал Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераизменения t, на котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Определение:

Система n функций

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

зависящих от t и n произвольных постоянных Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназывается общим решением нормальной системы (3) в некоторой области Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасуществования и единственности решения задачи Коши, если

1) при любых допустимых значениях Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасистема функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,

2) в области Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерафункции (6) решают любую задачу Коши.

Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназываются частными решениями.

Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераРешение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

системы (7), принимающее при Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеразначения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераопределяет в пространстве некоторую линию, проходящую через точку Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераЭта линия называется интегральной кривой нормальной системы (7). Задача Коши для системы (7) получает следующую геометрическую формулировку: в пространстве переменных t, x1, х2 найти интегральную кривую, проходящую через данную точку Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера(рис. 1). Теорема 1 устанавливает существование и единственность такой кривой.

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Нормальной системе (7) и ее решению можно придать еще такое истолкование: будем независимую переменную t рассматривать как параметр, а решение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераЭту плоскость переменных х1х2 называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасистемы (7), принимающее при t = to начальные значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераизображается кривой АВ, проходящей через точку Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера(рис. 2). Эту кривую называют траекторией системы (фазовой траекторией). Траектория системы (7) есть проекция интегральной кривой на фазовую плоскость. По интегральной кривой фазовая траектория определяется однозначно, но не наоборот.

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

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Введя новые функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеразаменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Заменяя в правой части производные Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераих выражениями Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераполучим

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Уравнение (3) снова дифференцируем по t. Принимая во внимание систему (2), получим

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Продолжая этот процесс, найдем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Предположим, что определитель

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

(якобиан системы функций Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераотличен от нуля при рассматриваемых значениях Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Тогда система уравнений, составленная из первого уравнения системы (2) и уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

будет разрешима относительно неизвестных Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераПри этом Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеравыразятся через Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Внося найденные выражения в уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

получим одно уравнение n-го порядка

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Из самого способа его построения следует, что если Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераесть решения системы (2), то функция х1(t) будет решением уравнения (5).

Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераи подставим найденные значения как известные функции

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

от t в систему уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

По предположению эту систему можно разрешить относительно Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерат. е найти Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеракак функции от t.

Можно показать, что так построенная система функций

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:

Требуется проинтегрировать систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Дифференцируя первое уравнение системы, имеем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

откуда, используя второе уравнение, получаем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

— линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами с одной неизвестной функцией. Его общее решение имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

В силу первого уравнения системы находим функцию

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераи с общей осью х = у = 0, которая также является интегральной кривой (рис. 3).

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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 Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеранельзя выразить через Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераТогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Метод интегрируемых комбинаций

Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.

Интегрируемой комбинацией называется дифференциальное уравнение, являющееся следствием уравнений (8), но уже легко интегрирующееся.

Пример:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Вычитая почленно из первого уравнения системы второе, получаем вторую интегрируемую комбинацию:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Мы нашли два конечных уравнения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

из которых легко определяется общее решение системы:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

связывающее независимую переменную t и неизвестные функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераТакое конечное уравнение называется первым интегралом системы (8). Иначе: первым интегралом системы дифференциальных уравнений (8) называется дифференцируемая функция Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеране равная тождественно постоянной, но сохраняющая постоянное значение на любой интегральной кривой этой системы.

Если найдено п первых интегралов системы (8) и все они независимы, т. е. якобиан системы функций Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераотличен от нуля:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

то задача интефирования системы (8) решена (так как из системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

определяются все неизвестные функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

или, в матричной форме,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Теорема:

Если все функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеранепрерывны на отрезке Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерато в достаточно малой окрестности каждой точки Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерагде Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеравыполнены условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши, следовательно, через каждую такую точку проходит единственная интегральная кривая системы (1).

Действительно, в таком случае правые части системы (1) непрерывны по совокупности аргументов t, Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераи их частные производные по Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Введем линейный оператор

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Тогда система (2) запишется в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Если матрица F — нулевая, т. е. Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерана интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.

Теорема:

Если X(t) является решением линейной однородной системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

то cX(t), где с — произвольная постоянная, является решением той же системы.

Теорема:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

двух решений Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераоднородной линейной системы уравнений является решением той же системы.

Следствие:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

с произвольными постоянными коэффициентами сi решений Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлералинейной однородной системы дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

является решением той же системы.

Теорема:

Если Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераесть решение линейной неоднородной системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

будет решением неоднородной системы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Действительно, по условию,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Пользуясь свойством аддитивности оператора Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераполучаем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Это означает, что сумма Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераесть решение неоднородной системы уравнений Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Определение:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

называются линейно зависимыми на интервале a Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

при Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапричем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерато векторы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназываются линейно независимыми на (а, b).

Заметим, что одно векторное тождество (5) эквивалентно n тождествам:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

называется определителем Вронского системы векторов Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Определение:

Пусть имеем линейную однородную систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрица с элементами Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераСистема n решений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

с непрерывными на отрезке Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеракоэффициентами Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераявляется линейная комбинация п линейно независимых на интервале а Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

(Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера) — произвольные постоянные числа).

Пример:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

имеет, как нетрудно проверить, решения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Эти решения линейно независимы, так как определитель Вронского отличен от нуля:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Общее решение системы имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

(с1, с2 — произвольные постоянные).

Фундаментальная матрица

Квадратная матрица

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

столбцами которой являются линейно независимые решения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасистемы (6), называется фундаментальной матрицей этой системы. Нетрудно проверить, что фундаментальная матрица удовлетворяет матричному уравнению

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Если Х(t) — фундаментальная матрица системы (6), то общее решение системы можно представить в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

— постоянная матрица-столбец с произвольными элементами. Полагая в (7) t = t0, имеем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Матрица Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназывается матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Теорема:

О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлералинейной неоднородной системы дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

с непрерывными на отрезке Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеракоэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеранеоднородной системы (2):

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Метод вариации постоянных

Если известно общее решение линейной однородной системы (6), то частное решение неоднородной системы можно находить методом вариации постоянных (метод Лагранжа).

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

есть общее решение однородной системы (6), тогда

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

причем решения Xk(t) линейно независимы.

Будем искать частное решение неоднородной системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеранеизвестные функции от t. Дифференцируя Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапо t, имеем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Подставляя Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерав (2), получаем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

то для определения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераполучаем систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

или, в развернутом виде,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераопределителем которой является определитель Вронского W(t) фундаментальной системы решений Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Этот определитель отличен от нуля всюду на интервале a Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Подставляя эти значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерав (9), находим частное решение системы (2)

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

(здесь под символом Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапонимается одна из первообразных для функции Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

в которой все коэффициенты Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— постоянные. Чаще всего такая система интегрируется сведением ее к одному уравнению более высокого порядка, причем это уравнение будет также линейным с постоянными коэффициентами. Другой эффективный метод интегрирования систем с постоянными коэффициентами — метод преобразования Лапласа.

Мы рассмотрим еще метод Эйлера интегрирования линейных однородных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Он состоит в следующем.

Метод Эйлера

Будем искать решение системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераи перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Для того, чтобы эта система (3) линейных однородных алгебраических уравнений с n неизвестными Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераимела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы ее определитель был равен нулю:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Уравнение (4) называется характеристическим. В его левой части стоит многочлен относительно Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерастепени n. Из этого уравнения определяются те значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера, при которых система (3) имеет нетривиальные решения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Если все корни Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерахарактеристического уравнения (4) различны, то, подставляя их по очереди в систему (3), находим соответствующие им нетривиальные решения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераэтой системы n, следовательно, находим п решений исходной системы дифференциальных уравнений (1) в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где второй индекс указывает номер решения, а первый — номер неизвестной функции. Построенные таким образом п частных решений линейной однородной системы (1)

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

образуют, как можно проверить, фундаментальную систему решений этой системы.

Следовательно, общее решение однородной системы дифференциальных уравнений (1) имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапроизвольные постоянные.

Случай, когда характеристическое уравнение имеет кратные корни, мы рассматривать не будем.

Пример:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Ищем решение в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

имеет корни Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Система (3) для определения a1, а2 выглядит так:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Подставляя в (*) Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераполучаем

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

откуда а21 = а11. Следовательно,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Полагая в Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеранаходим a22 = — a12, поэтому

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Общее решение данной системы:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Матричный метод

Изложим еще матричный метод интегрирования однородной системы (1). Запишем систему (1) в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрица с постоянными действительными элементами Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназывается собственным вектором матрицы А, если

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Число Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназывается собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где I — единичная матрица.

Будем предполагать, что все собственные значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Столбцами матрицы Т являются координаты собственных векторов g1, g2 …, gn матрицы А.

Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрица, элементы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеракоторой суть функции аргумента t, определенные на множестве Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Матрица В(t) называется непрерывной на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера, если непрерывны на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеравсе ее элементы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Матрица В(t) называется дифференцируемой на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера, если дифференцируемы на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлеравсе элементы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераэтой матрицы. При этом производной матрицы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераназывается матрица, элементами которой являются производные Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерау соответствующих элементов матрицы В(t).

Пусть B(t) — n х n-матрица,

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

— вектор-столбец. Учитывая правила алгебры матриц, непосредственной проверкой убеждаемся в справедливости формулы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

В частности, если В — постоянная матрица, то

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

так как Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераесть нуль-матрица.

Теорема:

Если собственные значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапроизвольные постоянные числа.

Введем новый неизвестный вектор-столбец Y(t) по формуле

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где Т — матрица, приводящая матрицу А к диагональному виду. Подставляя X(t) из (11) в (7), получим систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Умножая обе части последнего соотношения слева на Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераи учитывая, что Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерапридем к системе

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Мы получили систему из n независимых уравнений, которая без труда интегрируется:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Здесь Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— произвольные постоянные числа.

Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

решение Y(t) можно представить в виде

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасобственный вектор матрицы А. Поэтому, подставляя (13) в (11), получим формулу (10):

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Таким образом, если матрица А системы дифференциальных уравнений (7) имеет различные собственные значения, для получения общего решения этой системы:

1) находим собственные значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераматрицы как корни алгебраического уравнения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

2) находим все собственные векторы g1, g2,…, gn;

3) выписываем общее решение системы дифференциальных уравнений (7) по формуле (10).

Пример:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Матрица А системы имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

1) Составляем характеристическое уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Корни характеристического уравнения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

2) Находим собственные векторы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Для Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера= 4 получаем систему

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

откуда g11 = g12, так что

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Аналогично для Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера= 1 находим

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

3) Пользуясь формулой (10), получаем общее решение системы дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерасистемы (7) действительные, то характеристическое уравнение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

будет иметь действительные коэффициенты. Поэтому наряду с комплексным корнем Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераоно будет иметь и корень Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера*, комплексно сопряженный с Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Нетрудно показать, что если g — собственный вектор, отвечающий собственному значению Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера, то Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера* — тоже собственное значение, которому отвечает собственный вектор g*, комплексно сопряженный с g.

При комплексном Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлерарешение

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

системы (7) также будет комплексным. Действительная часть

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

этого решения являются решениями системы (7). Собственному значению Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера* будет отвечать пара действительных решений X1 и -Х2, т. е. та же пара, что и для собственного значения Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера. Таким образом, паре Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера, Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера* комплексно сопряженных собственных значений отвечает пара действительных решений системы (7) дифференциальных уравнений.

Пусть Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— действительные собственные значения, Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлераЛинейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где сi — произвольные постоянные.

Пример:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

1) Характеристическое уравнение системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Его корни Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

2) Собственные векторы матриц

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

3) Решение системы

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.

Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

где с1, с2 — произвольные действительные числа.

Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Понятие о системах дифференциальных уравнений

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

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:Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения

Линейная однородная система дифференциальных уравнений метод эйлера

Более общее уравнение Эйлера имеет вид:
.
Это уравнение подстановкой t = ax+b приводится к более простому виду, которое мы и будем рассматривать.

Видео:Метод Эйлера. Решение систем ДУСкачать

Метод Эйлера. Решение систем ДУ

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

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

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:15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

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:Численное решение задачи Коши методом ЭйлераСкачать

Численное решение задачи Коши методом Эйлера

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

Дифференциальные уравнения за 8 часовСкачать

Дифференциальные уравнения за 8 часов

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Уравнения в частных производных первого порядка| poporyadku.schoolСкачать

Уравнения в частных производных первого порядка| poporyadku.school

Линейные системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейные системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

6. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однороднымСкачать

6. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однородным

Дифференциальное уравнение. Формула ЭйлераСкачать

Дифференциальное уравнение. Формула Эйлера

Системы дифференциальных уравнений.Метод исключения.Метод Эйлера.Скачать

Системы дифференциальных уравнений.Метод исключения.Метод Эйлера.

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

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

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.

Системы дифференциальных уравнений. Часть 2Скачать

Системы дифференциальных уравнений. Часть 2
Поделиться или сохранить к себе: