Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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.

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Видео:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем уравнений

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 Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомвыражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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 Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомаргумента t, назовем канонической систему вида

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Если Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомв (2) принять за новые вспомогательные функции, то общую каноническую систему (2) можно заменить эквивалентной ей нормальной системой, состоящей из Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомуравнений. Поэтому достаточно рассматривать лишь нормальные системы.

Например, одно уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

является мастным случаем канонической системы. Положив Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомв силу исходного уравнения будем иметь

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

В результате получаем нормальную систему уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

эквивалентную исходному уравнению.

Определение:

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

дифференцируемых на интервале а Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Теорема:

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

и пусть функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомопределены в некоторой (n + 1) — мерной области D изменения переменных Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомЕсли существует окрестность Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомточки Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомв которой функции fi непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по переменным Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомто найдется интервал Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомизменения t, на котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Определение:

Система n функций

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

зависящих от t и n произвольных постоянных Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназывается общим решением нормальной системы (3) в некоторой области Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсуществования и единственности решения задачи Коши, если

1) при любых допустимых значениях Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсистема функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,

2) в области Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомфункции (6) решают любую задачу Коши.

Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназываются частными решениями.

Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомРешение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

системы (7), принимающее при Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомзначения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомопределяет в пространстве некоторую линию, проходящую через точку Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомЭта 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 Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом(рис. 1). Теорема 1 устанавливает существование и единственность такой кривой.

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомЭту плоскость переменных х1х2 называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсистемы (7), принимающее при t = to начальные значения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомизображается кривой АВ, проходящей через точку Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом(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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Введя новые функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомзаменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Заменяя в правой части производные Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомих выражениями Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомполучим

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Продолжая этот процесс, найдем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Предположим, что определитель

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

(якобиан системы функций Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомотличен от нуля при рассматриваемых значениях Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

будет разрешима относительно неизвестных Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомПри этом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомвыразятся через Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Внося найденные выражения в уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

получим одно уравнение n-го порядка

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Из самого способа его построения следует, что если Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоместь решения системы (2), то функция х1(t) будет решением уравнения (5).

Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми подставим найденные значения как известные функции

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

от t в систему уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

По предположению эту систему можно разрешить относительно Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомт. е найти Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомкак функции от t.

Можно показать, что так построенная система функций

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:

Требуется проинтегрировать систему

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Дифференцируя первое уравнение системы, имеем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

откуда, используя второе уравнение, получаем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

В силу первого уравнения системы находим функцию

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми с общей осью х = у = 0, которая также является интегральной кривой (рис. 3).

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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 Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомнельзя выразить через Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомТогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Метод интегрируемых комбинаций

Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.

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

Пример:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Мы нашли два конечных уравнения

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

из которых легко определяется общее решение системы:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

связывающее независимую переменную t и неизвестные функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомТакое конечное уравнение называется первым интегралом системы (8). Иначе: первым интегралом системы дифференциальных уравнений (8) называется дифференцируемая функция Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомне 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 Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомотличен от нуля:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

определяются все неизвестные функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

или, в матричной форме,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Теорема:

Если все функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомнепрерывны на отрезке Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомто в достаточно малой окрестности каждой точки Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомгде Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомвыполнены 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, Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми их частные производные по Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Введем линейный оператор

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Тогда система (2) запишется в виде

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Если матрица F — нулевая, т. е. Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомна интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.

Теорема:

Если X(t) является решением линейной однородной системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Теорема:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

двух решений Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомоднородной линейной системы уравнений является решением той же системы.

Следствие:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

с произвольными постоянными коэффициентами сi решений Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомлинейной однородной системы дифференциальных уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

является решением той же системы.

Теорема:

Если Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоместь решение линейной неоднородной системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

будет решением неоднородной системы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Действительно, по условию,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Пользуясь свойством аддитивности оператора Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомполучаем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Это означает, что сумма Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоместь решение неоднородной системы уравнений Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Определение:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

называются линейно зависимыми на интервале a Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

при Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпричем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомто векторы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназываются линейно независимыми на (а, b).

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

называется определителем Вронского системы векторов Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Определение:

Пусть имеем линейную однородную систему

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрица с элементами Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомСистема n решений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

с непрерывными на отрезке Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомкоэффициентами Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомявляется линейная комбинация п линейно независимых на интервале а Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

(Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом) — произвольные постоянные числа).

Пример:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

имеет, как нетрудно проверить, решения

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

(с1, с2 — произвольные постоянные).

Фундаментальная матрица

Квадратная матрица

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

столбцами которой являются линейно независимые решения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсистемы (6), называется фундаментальной матрицей этой системы. Нетрудно проверить, что фундаментальная матрица удовлетворяет матричному уравнению

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Матрица Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназывается матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Теорема:

О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомлинейной неоднородной системы дифференциальных уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

с непрерывными на отрезке Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомкоэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомнеоднородной системы (2):

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Метод вариации постоянных

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

есть общее решение однородной системы (6), тогда

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

причем решения Xk(t) линейно независимы.

Будем искать частное решение неоднородной системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомнеизвестные функции от t. Дифференцируя Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпо t, имеем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Подставляя Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомв (2), получаем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

то для определения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомполучаем систему

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

или, в развернутом виде,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомопределителем которой является определитель Вронского W(t) фундаментальной системы решений Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. Этот определитель отличен от нуля всюду на интервале a Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Подставляя эти значения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомв (9), находим частное решение системы (2)

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

(здесь под символом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпонимается одна из первообразных для функции Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

в которой все коэффициенты Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— 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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпроизвольные постоянные.

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

Пример:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Ищем решение в виде

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

имеет корни Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Подставляя в (*) Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомполучаем

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

откуда а21 = а11. Следовательно,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Полагая в Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомнаходим a22 = — a12, поэтому

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение данной системы:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Матричный метод

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрица с постоянными действительными элементами Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназывается собственным вектором матрицы А, если

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Число Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназывается собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где I — единичная матрица.

Будем предполагать, что все собственные значения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрица, элементы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомкоторой суть функции аргумента t, определенные на множестве Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. Матрица В(t) называется непрерывной на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом, если непрерывны на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомвсе ее элементы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. Матрица В(t) называется дифференцируемой на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом, если дифференцируемы на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомвсе элементы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомэтой матрицы. При этом производной матрицы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомназывается матрица, элементами которой являются производные Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методому соответствующих элементов матрицы В(t).

Пусть B(t) — n х n-матрица,

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

В частности, если В — постоянная матрица, то

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

так как Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоместь нуль-матрица.

Теорема:

Если собственные значения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпроизвольные постоянные числа.

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Умножая обе части последнего соотношения слева на Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми учитывая, что Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомпридем к системе

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Здесь Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— произвольные постоянные числа.

Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

решение Y(t) можно представить в виде

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсобственный вектор матрицы А. Поэтому, подставляя (13) в (11), получим формулу (10):

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

1) находим собственные значения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомматрицы как корни алгебраического уравнения

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

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

Пример:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Матрица А системы имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

1) Составляем характеристическое уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Корни характеристического уравнения Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

2) Находим собственные векторы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Для Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом= 4 получаем систему

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

откуда g11 = g12, так что

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Аналогично для Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом= 1 находим

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсистемы (7) действительные, то характеристическое уравнение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

При комплексном Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомрешение

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

системы (7) также будет комплексным. Действительная часть

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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

Пусть Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— действительные собственные значения, Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомОбщее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где сi — произвольные постоянные.

Пример:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

1) Характеристическое уравнение системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Его корни Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

2) Собственные векторы матриц

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

3) Решение системы

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.

Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

где с1, с2 — произвольные действительные числа.

Видео:Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

Понятие о системах дифференциальных уравнений

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

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 системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Вы будете перенаправлены на Автор24

Видео:Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvyСкачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvy

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:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

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:Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.Скачать

Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

  • Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом
  • Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом
  • Запишем систему обыкновенных дифференциальных уравнений

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    в матричном виде:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом, где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Рассмотрим матричный метод решения систем. Ограничимся однородными системами. Пусть

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    однородная система. Находим корни характеристического уравнения

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Простому корню Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомхарактеристического уравнения соответствует решение Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом, где Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом— собственный вектор матрицы Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомсоответствующий собственному значению Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. 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

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Составим характеристическое уравнение

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Его корни Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. Находим собственные , отвечающие этим собственным значениям

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Следовательно, можно взять Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми решение соответствующее первому собственному значению Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом. Точно так же, находим собственный вектор отвечающий второму собственному значению:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомРешение соответствующее второму собственному значению такое: Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Наконец, находим третье решение:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомТаким образом, третий собственный вектор можно взять Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методоми третье решение: Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомОбщее решение запишем в векторном виде:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Пример 2 Решить систему дифференциальных уравнений Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    Составляем характеристическое уравнение:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методомПоскольку система с вещественными коэффициентами, то можно найти решение соответствующее корню Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом, а другое решение, соответствующее комплексно сопряженному корню будет комплексно сопряженным найденному.

    Ищем собственные векторы:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

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

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Таким образом, общее решение системы:

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом.

    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.

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    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).

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    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.

    Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

  • Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом
  • Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом
  • Общее решение системы дифференциальных уравнений матричным методом

    Нужна помощь с курсовой или дипломной работой?

    📸 Видео

    15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

    15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

    Система линейных уравнений. Общее решение. Метод ГауссаСкачать

    Система линейных уравнений.  Общее решение. Метод Гаусса

    Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.Скачать

    Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.

    Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

    Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvy

    Системы дифференциальных уравнений. Метод исключенияСкачать

    Системы дифференциальных уравнений. Метод исключения

    9. Метод обратной матрицы для решения систем линейных уравнений / матричный методСкачать

    9. Метод обратной матрицы для решения систем линейных уравнений / матричный метод

    Линейная алгебра, 7 урок, СЛАУ. Матричный методСкачать

    Линейная алгебра, 7 урок, СЛАУ. Матричный метод

    6 способов в одном видеоСкачать

    6 способов в одном видео

    ДУ Линейные системыСкачать

    ДУ Линейные системы

    Решение системы уравнений методом обратной матрицы.Скачать

    Решение системы уравнений методом обратной матрицы.

    Лекция 11. Системы дифференциальных уравнений. Метод исключения. Матричный методСкачать

    Лекция 11. Системы дифференциальных уравнений. Метод исключения. Матричный метод
    Поделиться или сохранить к себе: