Матрица коши системы дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Матрица коши системы дифференциальных уравнений

  • Матрица коши системы дифференциальных уравнений
  • Матрица коши системы дифференциальных уравнений
  • Запишем систему обыкновенных дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    в матричном виде:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений, где Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Рассмотрим матричный метод решения систем. Ограничимся однородными системами. Пусть

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    однородная система. Находим корни характеристического уравнения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Простому корню Матрица коши системы дифференциальных уравненийхарактеристического уравнения соответствует решение Матрица коши системы дифференциальных уравнений, где Матрица коши системы дифференциальных уравнений— собственный вектор матрицы Матрица коши системы дифференциальных уравненийсоответствующий собственному значению Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Для кратного корня, ситуация более сложная, чем при решении одного уравнения. В этом случае число линейно независимых решений системы может быть меньше кратности корня. Если пара собственных корней характеристического уравнения комплексно сопряженные, то и решения тоже комплексно сопряженные. Поэтому можно выделить пару действительных решений. Приведем несколько примеров.

    Пример 1 Решить систему дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Составим характеристическое уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Его корни Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Находим собственные , отвечающие этим собственным значениям

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Следовательно, можно взять Матрица коши системы дифференциальных уравненийи решение соответствующее первому собственному значению Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Точно так же, находим собственный вектор отвечающий второму собственному значению:

    Матрица коши системы дифференциальных уравненийРешение соответствующее второму собственному значению такое: Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Наконец, находим третье решение:

    Матрица коши системы дифференциальных уравненийТаким образом, третий собственный вектор можно взять Матрица коши системы дифференциальных уравненийи третье решение: Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Матрица коши системы дифференциальных уравненийОбщее решение запишем в векторном виде:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Пример 2 Решить систему дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Составляем характеристическое уравнение:

    Матрица коши системы дифференциальных уравненийПоскольку система с вещественными коэффициентами, то можно найти решение соответствующее корню Матрица коши системы дифференциальных уравнений, а другое решение, соответствующее комплексно сопряженному корню будет комплексно сопряженным найденному.

    Ищем собственные векторы:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Второе уравнение системы не пишем, так как оно линейно зависимое с первым. Можем взять Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Таким образом, решение такое: Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Чтобы найти два вещественных решения, нужно взять действительную и мнимые части полученного комплексного решения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Таким образом, общее решение системы:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений.

    Длины волн инфракрасного света достаточно велики, чтобы перемещаться сквозь облака, которые в противном случае блокировали бы наш обзор. Используя большие инфракра сные телескопы, астрономы смогли заглянуть в ядро нашей галактики. Большое количество звезд излучают часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, крошечной части спектра, к которой чувствительны наши глаза.

    Так как длина волны коррелирует с энергией, цвет звезды говорит нам, насколько она горячая. Используя телескопы, чувствительные к различным диапазонам длин волн спектра, астрономы получают представление о широком круге объектов и явлений во вселенной.

    Пример №1 Постройте центральную симметрию тетраэдра, относительно точки O, изображенных на рисунке 3.

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Для построения такой центральной симметрии сначала проведем через все точки тетраэдра прямые, каждая из которых будет проходить через точку O. На них построим отрезки, удовлетворяющие условиям |AO|=|A?O|, |BO|=|B?O|, |CO|=|C?O|, |DO|=|D?O| Таким образом, и получим искомую симметрию (рис. 4).

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    В ряду разных механических движений особенным значением обладают колебания. Это движения и процессы, имеющие периодичность во времени.

    В среде электромагнитных явлений также значительное место заняли электромагнитные колебания. В этих колебаниях заряды, токи, электрические и магнитные поля изменяются согласно периодическим законам.

    Совет №1 Велосипедист, имеющий скорость 300 м/с, или идеальный газ, оказывающий давление 100 паскалей в большой тепловой машине — это странно.

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

  • Матрица коши системы дифференциальных уравнений
  • Матрица коши системы дифференциальных уравнений
  • Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Нужна помощь с курсовой или дипломной работой?

    Видео:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

    Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

    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.

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

    Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

    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 Матрица коши системы дифференциальных уравненийвыражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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 Матрица коши системы дифференциальных уравненийаргумента t, назовем канонической систему вида

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Если Матрица коши системы дифференциальных уравненийв (2) принять за новые вспомогательные функции, то общую каноническую систему (2) можно заменить эквивалентной ей нормальной системой, состоящей из Матрица коши системы дифференциальных уравненийуравнений. Поэтому достаточно рассматривать лишь нормальные системы.

    Например, одно уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    является мастным случаем канонической системы. Положив Матрица коши системы дифференциальных уравненийв силу исходного уравнения будем иметь

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    В результате получаем нормальную систему уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    эквивалентную исходному уравнению.

    Определение:

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    дифференцируемых на интервале а Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Теорема:

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    и пусть функции Матрица коши системы дифференциальных уравненийопределены в некоторой (n + 1) — мерной области D изменения переменных Матрица коши системы дифференциальных уравненийЕсли существует окрестность Матрица коши системы дифференциальных уравненийточки Матрица коши системы дифференциальных уравненийв которой функции fi непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по переменным Матрица коши системы дифференциальных уравненийто найдется интервал Матрица коши системы дифференциальных уравненийизменения t, на котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Определение:

    Система n функций

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    зависящих от t и n произвольных постоянных Матрица коши системы дифференциальных уравненийназывается общим решением нормальной системы (3) в некоторой области Матрица коши системы дифференциальных уравненийсуществования и единственности решения задачи Коши, если

    1) при любых допустимых значениях Матрица коши системы дифференциальных уравненийсистема функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,

    2) в области Матрица коши системы дифференциальных уравненийфункции (6) решают любую задачу Коши.

    Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных Матрица коши системы дифференциальных уравненийназываются частными решениями.

    Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Матрица коши системы дифференциальных уравненийРешение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    системы (7), принимающее при Матрица коши системы дифференциальных уравненийзначения Матрица коши системы дифференциальных уравненийопределяет в пространстве некоторую линию, проходящую через точку Матрица коши системы дифференциальных уравненийЭта 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 Матрица коши системы дифференциальных уравнений(рис. 1). Теорема 1 устанавливает существование и единственность такой кривой.

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости Матрица коши системы дифференциальных уравненийЭту плоскость переменных х1х2 называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение Матрица коши системы дифференциальных уравненийсистемы (7), принимающее при t = to начальные значения Матрица коши системы дифференциальных уравненийизображается кривой АВ, проходящей через точку Матрица коши системы дифференциальных уравнений(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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Введя новые функции Матрица коши системы дифференциальных уравненийзаменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Заменяя в правой части производные Матрица коши системы дифференциальных уравненийих выражениями Матрица коши системы дифференциальных уравненийполучим

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Продолжая этот процесс, найдем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Предположим, что определитель

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    (якобиан системы функций Матрица коши системы дифференциальных уравненийотличен от нуля при рассматриваемых значениях Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    будет разрешима относительно неизвестных Матрица коши системы дифференциальных уравненийПри этом Матрица коши системы дифференциальных уравненийвыразятся через Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Внося найденные выражения в уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    получим одно уравнение n-го порядка

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Из самого способа его построения следует, что если Матрица коши системы дифференциальных уравненийесть решения системы (2), то функция х1(t) будет решением уравнения (5).

    Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим Матрица коши системы дифференциальных уравненийи подставим найденные значения как известные функции

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    от t в систему уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    По предположению эту систему можно разрешить относительно Матрица коши системы дифференциальных уравненийт. е найти Матрица коши системы дифференциальных уравненийкак функции от t.

    Можно показать, что так построенная система функций

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:

    Требуется проинтегрировать систему

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Дифференцируя первое уравнение системы, имеем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    откуда, используя второе уравнение, получаем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    В силу первого уравнения системы находим функцию

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом Матрица коши системы дифференциальных уравненийи с общей осью х = у = 0, которая также является интегральной кривой (рис. 3).

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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 Матрица коши системы дифференциальных уравненийнельзя выразить через Матрица коши системы дифференциальных уравненийТогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Метод интегрируемых комбинаций

    Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.

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

    Пример:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Мы нашли два конечных уравнения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    из которых легко определяется общее решение системы:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    связывающее независимую переменную t и неизвестные функции Матрица коши системы дифференциальных уравненийТакое конечное уравнение называется первым интегралом системы (8). Иначе: первым интегралом системы дифференциальных уравнений (8) называется дифференцируемая функция Матрица коши системы дифференциальных уравненийне 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 Матрица коши системы дифференциальных уравненийотличен от нуля:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    определяются все неизвестные функции Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    или, в матричной форме,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Теорема:

    Если все функции Матрица коши системы дифференциальных уравненийнепрерывны на отрезке Матрица коши системы дифференциальных уравненийто в достаточно малой окрестности каждой точки Матрица коши системы дифференциальных уравненийгде Матрица коши системы дифференциальных уравненийвыполнены 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, Матрица коши системы дифференциальных уравненийи их частные производные по Матрица коши системы дифференциальных уравненийограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Введем линейный оператор

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Тогда система (2) запишется в виде

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Если матрица F — нулевая, т. е. Матрица коши системы дифференциальных уравненийна интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.

    Теорема:

    Если X(t) является решением линейной однородной системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Теорема:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    двух решений Матрица коши системы дифференциальных уравненийоднородной линейной системы уравнений является решением той же системы.

    Следствие:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    с произвольными постоянными коэффициентами сi решений Матрица коши системы дифференциальных уравненийлинейной однородной системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    является решением той же системы.

    Теорема:

    Если Матрица коши системы дифференциальных уравненийесть решение линейной неоднородной системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    будет решением неоднородной системы Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Действительно, по условию,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Пользуясь свойством аддитивности оператора Матрица коши системы дифференциальных уравненийполучаем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Это означает, что сумма Матрица коши системы дифференциальных уравненийесть решение неоднородной системы уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Определение:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    называются линейно зависимыми на интервале a Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    при Матрица коши системы дифференциальных уравненийпричем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при Матрица коши системы дифференциальных уравненийто векторы Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравненийназываются линейно независимыми на (а, b).

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    называется определителем Вронского системы векторов Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Определение:

    Пусть имеем линейную однородную систему

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрица с элементами Матрица коши системы дифференциальных уравненийСистема n решений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    с непрерывными на отрезке Матрица коши системы дифференциальных уравненийкоэффициентами Матрица коши системы дифференциальных уравненийявляется линейная комбинация п линейно независимых на интервале а Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    (Матрица коши системы дифференциальных уравнений) — произвольные постоянные числа).

    Пример:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    имеет, как нетрудно проверить, решения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Общее решение системы имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    (с1, с2 — произвольные постоянные).

    Фундаментальная матрица

    Квадратная матрица

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    столбцами которой являются линейно независимые решения Матрица коши системы дифференциальных уравненийсистемы (6), называется фундаментальной матрицей этой системы. Нетрудно проверить, что фундаментальная матрица удовлетворяет матричному уравнению

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица Матрица коши системы дифференциальных уравненийназывается матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Теорема:

    О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области Матрица коши системы дифференциальных уравненийлинейной неоднородной системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    с непрерывными на отрезке Матрица коши системы дифференциальных уравненийкоэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения Матрица коши системы дифференциальных уравненийнеоднородной системы (2):

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Метод вариации постоянных

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    есть общее решение однородной системы (6), тогда

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    причем решения Xk(t) линейно независимы.

    Будем искать частное решение неоднородной системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где Матрица коши системы дифференциальных уравненийнеизвестные функции от t. Дифференцируя Матрица коши системы дифференциальных уравненийпо t, имеем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Подставляя Матрица коши системы дифференциальных уравненийв (2), получаем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    то для определения Матрица коши системы дифференциальных уравненийполучаем систему

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    или, в развернутом виде,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно Матрица коши системы дифференциальных уравненийопределителем которой является определитель Вронского W(t) фундаментальной системы решений Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Этот определитель отличен от нуля всюду на интервале a Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где Матрица коши системы дифференциальных уравнений— известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Подставляя эти значения Матрица коши системы дифференциальных уравненийв (9), находим частное решение системы (2)

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    (здесь под символом Матрица коши системы дифференциальных уравненийпонимается одна из первообразных для функции Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

    Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    в которой все коэффициенты Матрица коши системы дифференциальных уравнений— 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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где Матрица коши системы дифференциальных уравнений— постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на Матрица коши системы дифференциальных уравненийи перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Для того, чтобы эта система (3) линейных однородных алгебраических уравнений с n неизвестными Матрица коши системы дифференциальных уравненийимела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы ее определитель был равен нулю:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где Матрица коши системы дифференциальных уравненийпроизвольные постоянные.

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

    Пример:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Ищем решение в виде

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    имеет корни Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Подставляя в (*) Матрица коши системы дифференциальных уравненийполучаем

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    откуда а21 = а11. Следовательно,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Полагая в Матрица коши системы дифференциальных уравненийнаходим a22 = — a12, поэтому

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Общее решение данной системы:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матричный метод

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрица с постоянными действительными элементами Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор Матрица коши системы дифференциальных уравненийназывается собственным вектором матрицы А, если

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Число Матрица коши системы дифференциальных уравненийназывается собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где I — единичная матрица.

    Будем предполагать, что все собственные значения Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрица, элементы Матрица коши системы дифференциальных уравненийкоторой суть функции аргумента t, определенные на множестве Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Матрица В(t) называется непрерывной на Матрица коши системы дифференциальных уравнений, если непрерывны на Матрица коши системы дифференциальных уравненийвсе ее элементы Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Матрица В(t) называется дифференцируемой на Матрица коши системы дифференциальных уравнений, если дифференцируемы на Матрица коши системы дифференциальных уравненийвсе элементы Матрица коши системы дифференциальных уравненийэтой матрицы. При этом производной матрицы Матрица коши системы дифференциальных уравненийназывается матрица, элементами которой являются производные Матрица коши системы дифференциальных уравненийу соответствующих элементов матрицы В(t).

    Пусть B(t) — n х n-матрица,

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    В частности, если В — постоянная матрица, то

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    так как Матрица коши системы дифференциальных уравненийесть нуль-матрица.

    Теорема:

    Если собственные значения Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, Матрица коши системы дифференциальных уравненийпроизвольные постоянные числа.

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Умножая обе части последнего соотношения слева на Матрица коши системы дифференциальных уравненийи учитывая, что Матрица коши системы дифференциальных уравненийпридем к системе

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Здесь Матрица коши системы дифференциальных уравнений— произвольные постоянные числа.

    Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    решение Y(t) можно представить в виде

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы Матрица коши системы дифференциальных уравненийсобственный вектор матрицы А. Поэтому, подставляя (13) в (11), получим формулу (10):

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    1) находим собственные значения Матрица коши системы дифференциальных уравненийматрицы как корни алгебраического уравнения

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

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

    Пример:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица А системы имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    1) Составляем характеристическое уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Корни характеристического уравнения Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    2) Находим собственные векторы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Для Матрица коши системы дифференциальных уравнений= 4 получаем систему

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    откуда g11 = g12, так что

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Аналогично для Матрица коши системы дифференциальных уравнений= 1 находим

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты Матрица коши системы дифференциальных уравненийсистемы (7) действительные, то характеристическое уравнение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    будет иметь действительные коэффициенты. Поэтому наряду с комплексным корнем Матрица коши системы дифференциальных уравненийоно будет иметь и корень Матрица коши системы дифференциальных уравнений*, комплексно сопряженный с Матрица коши системы дифференциальных уравнений. Нетрудно показать, что если g — собственный вектор, отвечающий собственному значению Матрица коши системы дифференциальных уравнений, то Матрица коши системы дифференциальных уравнений* — тоже собственное значение, которому отвечает собственный вектор g*, комплексно сопряженный с g.

    При комплексном Матрица коши системы дифференциальных уравненийрешение

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    системы (7) также будет комплексным. Действительная часть

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

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

    Пусть Матрица коши системы дифференциальных уравнений— действительные собственные значения, Матрица коши системы дифференциальных уравненийМатрица коши системы дифференциальных уравнений— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где сi — произвольные постоянные.

    Пример:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    1) Характеристическое уравнение системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Его корни Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    2) Собственные векторы матриц

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    3) Решение системы

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.

    Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    где с1, с2 — произвольные действительные числа.

    Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

    Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

    Понятие о системах дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Решение заданий и задач по предметам:

    Дополнительные лекции по высшей математике:

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений Матрица коши системы дифференциальных уравнений

    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:Решение систем Д/У: 1. Знакомство с функциями odeXYСкачать

    Решение систем Д/У: 1. Знакомство с функциями odeXY

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Вы будете перенаправлены на Автор24

    Видео:Задача Коши для системы д. у.Скачать

    Задача Коши для системы д. у.

    Матричная запись системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) с постоянными коэффициентами

    Линейную однородную СОДУ с постоянными коэффициентами $left<begin <frac<dy_> =a_ cdot y_ +a_ cdot y_ +ldots +a_ cdot y_ > \ <frac<dy_> =a_ cdot y_ +a_ cdot y_ +ldots +a_ cdot y_ > \ \ <frac<dy_> =a_ cdot y_ +a_ cdot y_ +ldots +a_ cdot y_ > endright. $,

    где $y_ left(xright),; y_ left(xright),; ldots ,; y_ left(xright)$ — искомые функции независимой переменной $x$, коэффициенты $a_ ,; 1le j,kle n$ — заданные действительные числа представим в матричной записи:

    Теперь на основе правила умножения матриц данную СОДУ можно записать в виде матричного уравнения $frac =Acdot Y$.

    Видео:Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

    Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

    Общий метод решения СОДУ с постоянными коэффициентами

    Решение СОДУ отыскивается в следующем виде: $y_ =alpha _ cdot e^ $, $y_ =alpha _ cdot e^ $, dots , $y_ =alpha _ cdot e^ $. В матричной форме: $Y=left(begin <y_> \ <y_> \ \ <y_> endright)=e^ cdot left(begin <alpha _> \ <alpha _> \ \ <alpha _> endright)$.

    Теперь матричному уравнению данной СОДУ можно придать вид:

    Полученное уравнение можно представить так:

    Последнее равенство показывает, что вектор $alpha $ с помощью матрицы $A$ преобразуется в параллельный ему вектор $kcdot alpha $. Это значит, что вектор $alpha $ является собственным вектором матрицы $A$, соответствующий собственному значению $k$.

    Готовые работы на аналогичную тему

    Это уравнение называется характеристическим.

    Одно из значений в этой матрице выбирают произвольно.

    Окончательно, решение данной системы в матричной форме записывается следующим образом:

    где $C_ $ — произвольные постоянные.

    Записываем матрицу системы: $A=left(begin & \ & endright)$.

    Получаем характеристическое уравнение:

    Корни характеристического уравнения: $k_ =1$, $k_ =9$.

    Получаем решение СОДУ в матричной форме:

    В обычной форме решение СОДУ имеет вид: $left<begin <y_=C_ cdot e^ +C_ cdot e^ > \ <y_=-C_ cdot e^ +C_ cdot e^ > endright. $.

    Получи деньги за свои студенческие работы

    Курсовые, рефераты или другие работы

    Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 19 01 2022

    🔥 Видео

    Матричный метод решения систем уравненийСкачать

    Матричный метод решения систем уравнений

    Численное решение системы дифференциальных уравнений(задачи Коши)Скачать

    Численное решение системы дифференциальных уравнений(задачи Коши)

    Матрица интенсивностей. Система уравнений КолмогороваСкачать

    Матрица интенсивностей. Система уравнений Колмогорова

    Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

    Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

    Решение матричных уравненийСкачать

    Решение матричных уравнений

    18+ Математика без Ху!ни. Векторное произведение.Скачать

    18+ Математика без Ху!ни. Векторное произведение.

    КАК РАЗОБРАТЬСЯ В ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКЕСкачать

    КАК РАЗОБРАТЬСЯ В ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКЕ

    ОДУ. 4 Системы дифференциальных уравненийСкачать

    ОДУ. 4 Системы дифференциальных уравнений

    Математика это не ИсламСкачать

    Математика это не Ислам

    Системы дифференциальных уравненийСкачать

    Системы дифференциальных уравнений
    Поделиться или сохранить к себе: