Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционное исчисление с примерами решения и образцами выполнения

Операционное исчисление играет важную роль при решении прикладных задач, особенно в современной автоматике и телемеханике.

Операционное исчисление — один из методов математического анализа, позволяющий в ряде случаев сводить исследование дифференциальных и некоторых типов интегральных операторов и решение уравнений, содержащих эти операторы, к рассмотрению более простых алгебраических задач.

Методы операционного исчисления предполагают реализацию следующей условной схемы решения задачи.

  1. От искомых функций переходят к некоторым другим функциям — их изображениям.
  2. Над изображениями производят операции, соответствующие заданным операциям над самими функциями.
  3. Получив некоторый результат при действиях над изображениями, возвращаются к самим функциям.

В качестве преобразования, позволяющего перейти от функции к их изображениям, будем применять так называемое преобразование Лапласа.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Видео:Операционное исчисление. Решить неоднородное дифференциальное уравнение 2 порядкаСкачать

Операционное исчисление. Решить неоднородное дифференциальное уравнение 2 порядка

Преобразование Лапласа

Оригиналы и их изображения:

Основными первоначальными понятиями операционного исчисления являются понятия функции-оригинала и функции-изображения.

Пусть f(t) — действительная функция действительного переменного t (под t будем понимать время или координату).

Функция f(t) называется оригиналом, если она удовлетворяет следующим условиям:

  1. Операционный метод решения дифференциальных уравнений
  2. f(t)— кусочно-непрерывная при Операционный метод решения дифференциальных уравненийт. е. она непрерывна или имеет точки разрыва I рода, причем на каждом конечном промежутке оси t таких точек лишь конечное число.
  3. Существуют такие числа Операционный метод решения дифференциальных уравненийчто для всех t выполняется неравенство Операционный метод решения дифференциальных уравнений, т. е. при возрастании t функция f(t) может возрастать не быстрее некоторой показательной функции. Число Операционный метод решения дифференциальных уравненийназывается показателем роста f(t).

Условия 1-3 выполняются для большинства функций, описывающих различные физические процессы.

Первое условие означает, что процесс начинается с некоторого момента времени; удобнее считать, что в момент t = 0. Третьему условию удовлетворяют ограниченные функции (для них можно положить Операционный метод решения дифференциальных уравнений), степенные Операционный метод решения дифференциальных уравненийи другие (для функций вида Операционный метод решения дифференциальных уравнений( условие 3 не выполняется). Не является оригиналом, например, функция Операционный метод решения дифференциальных уравнений(не удовлетворяет второму условию).

Замечание:

Функция f(t) может быть и комплексной функцией действительно переменного, т. е. иметь вид Операционный метод решения дифференциальных уравненийона считается оригиналом, если действительные функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляются оригиналами.

Изображением оригинала f(t) называется функция F(p) комплексного переменного Операционный метод решения дифференциальных уравнений, определяемая интегралом

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операцию перехода от оригинала f(t) к изображению F(p) называют преобразованием Лапласа. Соответствие между оригиналом f(t) и изображением F(p) записывается в виде Операционный метод решения дифференциальных уравненийили Операционный метод решения дифференциальных уравнений(принято оригиналы обозначать малыми буквами, а их изображения — соответствующими большими буквами).

Теорема:

Существование изображения. Для всякого оригинала f(t) изображение F(p) существует (определено) в полуплоскости Операционный метод решения дифференциальных уравнений— показатель роста функции f(t) , причем функция F(p) является аналитической в этой полуплоскости Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

Докажем первую часть теоремы. Пусть Операционный метод решения дифференциальных уравненийпроизвольная точка полуплоскости Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. рис. 302).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Учитывая, что Операционный метод решения дифференциальных уравненийнаходим:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Отсюда вытекает абсолютная сходимость интеграла (78.1), т. е. изображение F(p) существует и однозначно в полуплоскости Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Следствие:

Необходимый признак существования изображения. Если функция F(p) является изображением функции f(t) , то

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Это утверждение непосредственно вытекает из неравенства (78.2), когдаОперационный метод решения дифференциальных уравнений

Так как F(p) — аналитическая функция в полуплоскости

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

по любому направлению. Отсюда, в частности, следует, что функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийне могут быть изображениями.

Отметим, что из аналитичности функции F(p) следует, что все ее особые точки должны лежать левее прямой Операционный метод решения дифференциальных уравненийили на самой этой прямой. Функция F(p) , не удовлетворяющая этому условию, не является изображением функции f(t). Не является изображением, например, функция Операционный метод решения дифференциальных уравнений(ее особые точки расположены на всей оси s).

Теорема:

О единственности оригинала. Если функция F(p) служит изображением двух оригиналов Операционный метод решения дифференциальных уравнений, то эти оригиналы совпадают друг с другом во всех точках, в которых они непрерывны.
(Примем без доказательства.)

Пример:

Найти изображение единичной функции Хевисайда

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

По формуле (78.1) при Операционный метод решения дифференциальных уравненийнаходим:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. e. Операционный метод решения дифференциальных уравнений, или, в символической записи, Операционный метод решения дифференциальных уравнений

В дальнейшем функцию-оригинал будем кратко записывать в виде f(t) , подразумевал, что

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение функции Операционный метод решения дифференциальных уравнений— любое число.

Решение:

Данная функция является оригиналом. По формуле (78.1) имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

если Re(p — a) > 0. Таким образом,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение функции f(t) = t.

Решение:

В этом случае преобразование Лапласа имеет вид

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Замечание:

Функция Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляется аналитической не только в полуплоскости Rep > Re а, где интеграл (78.1) сходится, а на всей комплексной плоскости р, кроме точки р = а. Такая особенность наблюдается и для многих других изображений. Далее для нас будет более важным, как правило, само изображение функции, а не область, в которой оно выражается интегралом (78.1).

Свойства преобразования Лапласа

Находить изображения, пользуясь только определением изображения, не всегда просто и удобно. Свойства преобразования Лапласа существенно облегчают задачу нахождения изображений для большого числа разнообразных функций, а также задачу отыскания оригиналов по их изображениям.

Линейность

Линейной комбинации оригиналов соответствует такая же линейная комбинация изображений, т. е. если

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

— постоянные числа, то

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Используя свойства интеграла, находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображения функций Операционный метод решения дифференциальных уравнений— любое число), с (const), Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Пользуясь свойством линейности, формулой (78.3), находим:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Аналогично получаем формулу

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Далее, Операционный метод решения дифференциальных уравненийт. е.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Аналогично получаем формулу

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т.е. умножение аргумента оригинала на положительное число Операционный метод решения дифференциальных уравненийприводит к делению изображения и его аргумента на это число.

По формуле (78.1) имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

(так как безразлично, какой буквой обозначена переменная интегрирования).
Например, пусть Операционный метод решения дифференциальных уравнений. Тогда

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Смещение (затухание)

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. умножение оригинала на функцию Операционный метод решения дифференциальных уравненийвлечет за собой смещение переменной р.

В силу формулы (78.1) имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Благодаря этому свойству можно расширить таблицу соответствия между оригиналами и их изображениями:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти оригинал по его изображению

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Преобразуем данную дробь так, чтобы можно было воспользоваться свойством смещения:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

(См. формулы (78.9), (78.10) и свойство линейности.)

Запаздывание

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. запаздывание оригинала на положительную величину Операционный метод решения дифференциальных уравненийприводит к умножению изображения оригинала без запаздывания на Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

Положив Операционный метод решения дифференциальных уравнений, получим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Поясним термин «запаздывание». Графики функции f(t) и Операционный метод решения дифференциальных уравненийимеют одинаковый вид, но график функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийсдвинут на Операционный метод решения дифференциальных уравненийединиц

Рис. 304
Рис. 305
вправо (см. рис. 304). Следовательно, функции f(t) и Операционный метод решения дифференциальных уравненийописывают один и тот же процесс, но процесс, описываемый функцией Операционный метод решения дифференциальных уравнений, начинается с опозданием на время Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

Свойство запаздывания удобно применять при отыскании изображения функций, которые на разных участках задаются различными аналитическими выражениями; функций, описывающих импульсные процессы.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

называется обобщенной единично ной функцией (см. рис 305).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

можно записать так:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение f(t) = t — 1.

Решение:

Для того чтобы быть оригиналом, функция f(t) должна удовлетворять условиям 1-3 (см. п. 78.1). В этом смысле исходную задачу можно понимать двояко.

Если понимать функцию f(t) как

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. рис. 306, а), то, зная, что Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. формулу (78.4)), Операционный метод решения дифференциальных уравненийи, используя свойство линейности, находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Если же понимать функцию f(t) как

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. рис. 306, б), то, используя свойство запаздывания, находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение функции

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Данная функция описывает единичный импульс (см. рис. 307), который можно рассматривать как разность двух оригиналов: единичной функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийи обобщенной единичной функции Операционный метод решения дифференциальных уравнений. Поэтому

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение функции

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Функция-оригинал изображена на рис. 308. Запишем ее одним аналитическим выражением, используя функции Хевисайда Операционный метод решения дифференциальных уравнений:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Раскроем скобки и приведем подобные слагаемые:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Изображение функции f(t) будет равно

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Замечания:

1.Изображение периодического оригинала с периодом, равным Т,

есть Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

применяется значительно реже.

Дифференцирование оригинала

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийи функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляются оригиналами, то

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

По определению изображения находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Итак, Операционный метод решения дифференциальных уравненийПользуясь полученным результатом, найдем изображение второй производной f»(t):

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Аналогично найдем изображение третьей производной f»‘(t):

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Применяя формулу (78.11) (п — 1) раз, получим формулу (78.14).

Замечание. Формулы (78.11)-(78.14) просто выглядят при нулевых начальных условиях: если

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. дифференцированию оригинала соответствует умножение его изображения на р.

Рассмотренное свойство дифференцирования оригинала вместе со свойством линейности широко используется при решении линейных дифференциальных уравнений.

Пример:

Найти изображение выражения

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Пусть Операционный метод решения дифференциальных уравненийТогда, согласно формулам (78.11)—(78.13), имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Дифференцирование изображения

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийто

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. дифференцированию изображения соответствует умножение его оригинала на (-t).

Согласно теореме 78.1 существования изображения, F(p) является аналитической функцией в полуплоскости Операционный метод решения дифференциальных уравненийСледовательно, у нее существует производная любого порядка. Дифференцируя интеграл (78.1) по параметру р (обоснование законности этой операции опустим), получим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображения функций Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Так как Операционный метод решения дифференциальных уравнений, то, в силу свойства дифференцирования изображения, имеем Операционный метод решения дифференциальных уравненийт. е.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Продолжая дифференцирование, получим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

С учетом свойства смещения получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Согласно формуле (78.5), Операционный метод решения дифференциальных уравненийСледовательно,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Аналогично, используя формулы (78.6), (78.7) и (78.8), находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

С учетом свойства смещения и формул (78.15) и (78.16), получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Интегрирование оригинала

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. интегрированию оригинала от 0 до t соответствует деление его изображения на р.

Функция Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляется оригиналом (можно проверить).

Пусть Операционный метод решения дифференциальных уравненийТогда по свойству дифференцирования оригинала имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

(так как Операционный метод решения дифференциальных уравнений). А так как

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Интегрирование изображения

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийи интеграл Операционный метод решения дифференциальных уравненийсходится, то Операционный метод решения дифференциальных уравненийт. е. интегрированию изображения от p до Операционный метод решения дифференциальных уравненийсоответствует деление его оригинала на t.

Используя формулу (78.1) и изменяя порядок интегрирования (обоснование законности этой операции опускаем), получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти изображение функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийнайти изображение интегрального синуса Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

т. е. Операционный метод решения дифференциальных уравненийПрименяя свойство интегрирования t оригинала, получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Умножение изображений

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийто

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Можно показать, что функция Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляется оригиналом.

Используя преобразование Лапласа (78.1), можно записать

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Область D интегрирования полученного двукратного интеграла определяется условиями Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. рис. 309).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Изменяя порядок интегрирования и полагая Операционный метод решения дифференциальных уравнений, получим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Интеграл в правой части формулы (78.17) называется сверткой функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийи обозначается символом Операционный метод решения дифференциальных уравнений, т. е.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Можно убедиться (положив Операционный метод решения дифференциальных уравнений), что свертывание обладает свойством переместительности, т. е. Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Умножение изображений соответствует свертыванию их оригиналов, т. е.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти оригинал функций

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Следствие:

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийтакже является оригиналом, то

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Запишем произведение Операционный метод решения дифференциальных уравненийв виде

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Первое слагаемое в правой части есть произведение изображений, соответствующих оригиналам Операционный метод решения дифференциальных уравненийПоэтому на основании свойства умножения изображений и линейности можно записать Операционный метод решения дифференциальных уравненийили

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Формула (78.18) называется формулой Дюамеля. На основании свойства переместительности свертки формулу Дюамеля можно записать в виде

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Формулу Дюамеля можно применять для определения оригиналов по известным изображениям.

Пример:

Найти оригинал, соответствующий изображению

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

то на основании формулы Дюамеля (78.18) имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Умножение оригиналов

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где путь интегрирования — вертикальная прямая Операционный метод решения дифференциальных уравнений(см. рис. 310) (примем без доказательства).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Рассмотренные свойства преобразования Лапласа представляют собой основные правила (аппарат) операционного исчисления. Для удобства пользования перечислим эти свойства.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

6. Дифференцирование изображения

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Таблица оригиналов и изображений

Составим краткую таблицу, устанавливающую соответствие между некоторыми оригиналами (часто встречающимися на практике) и их изображениями. Достаточно полная таблица оригиналов и изображений, позволяющая по заданному оригиналу находить изображение и наоборот, есть, в частности, в книге «Справочник по операционному исчислению» (авторы В. А. Диткин и П. И. Кузнецов).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Видео:Решение ДУ.Операционный методСкачать

Решение ДУ.Операционный метод

Обратное преобразование Лапласа

Теоремы разложения:

Рассмотрим две теоремы, называемые теоремами разложения, позволяющие по заданному изображению F(p) находить соответствующий ему оригинал f(t).

Теорема:

Если функция F(p) в окрестности точки Операционный метод решения дифференциальных уравненийможет быть представлена в виде ряда Лорана

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

является оригиналом, имеющим изображение F(p), т. е.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Примем эту теорему без доказательства.

Пример:

Найти оригинал f(t), если

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Следовательно, на основании теоремы 79.1

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Запишем лорановское разложение функции Операционный метод решения дифференциальных уравненийв окрестности точкиОперационный метод решения дифференциальных уравнений:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где Операционный метод решения дифференциальных уравненийСледовательно,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Теорема:

Если Операционный метод решения дифференциальных уравненийправильная рациональная дробь, знаменатель которой В(р) имеет лишь простые корни (нули) Операционный метод решения дифференциальных уравненийто функция

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

является оригиналом, имеющим изображение F(p).

Отметим, что дробь Операционный метод решения дифференциальных уравненийдолжна быть правильной (степень многочлена А(р) ниже степени многочлена В(р)) в противном случае не выполняется необходимый признак существования изображения

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

не может быть изображением.

Разложим правильную рациональную дробь Операционный метод решения дифференциальных уравненийна простейшие:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где Операционный метод решения дифференциальных уравнений— неопределенные коэффициенты. Для определения коэффициента Операционный метод решения дифференциальных уравненийэтого разложения умножим обе части этого равенства почленно на Операционный метод решения дифференциальных уравнений:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Переходя в этом равенстве к пределу при Операционный метод решения дифференциальных уравнений, получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Итак, Операционный метод решения дифференциальных уравненийАналогичным путем (умножая обе части равенства (79.2) на Операционный метод решения дифференциальных уравненийнайдем Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Подставляя найденные значения Операционный метод решения дифференциальных уравненийв равенство (79.2), получим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Так как по формуле (78.3)

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

то на основании свойства линейности имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Замечание:

Легко заметить, что коэффициенты Операционный метод решения дифференциальных уравненийопределяются как вычеты комплексной функции F(p) в простых полюсах (формула (77.4)):

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Можно показать, что если Операционный метод решения дифференциальных уравненийправильная дробь, но корни (нули) Операционный метод решения дифференциальных уравненийзнаменателя В(р) имеют кратности Операционный метод решения дифференциальных уравненийсоответственно, то в этом случае оригинал изображения F(p) определяется формулой

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Теорему 79.2 можно сформулировать следующим образом:
Теорема:

Если изображение Операционный метод решения дифференциальных уравненийявляется дробно-рациональной функцией от Операционный метод решения дифференциальных уравнений— простые или кратные полюсы этой функции, то оригинал f(t), соответствующий изображению F(p), определяется формулой

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Формула Римана-Меллина

Общий способ определения оригинала по изображению дает обратное преобразование Лапласа (формула обращения Римана-Меллина), имеющее вид

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где интеграл берется вдоль любой прямой Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

При определенных условиях интеграл (79.5) вычисляется по формуле

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Замечание:

На практике отыскание функции-оригинала обычно проводят по следующему плану: прежде всего следует по таблице оригиналов и изображений попытаться отыскать для заданного изображения F(p) соответствующий ему оригинал; второй путь состоит в том, что функцию F(p) стараются представить в виде суммы простейших рациональных дробей, а затем, пользуясь свойством линейности, найти оригинал; наконец, использовать теоремы разложения, свойство умножения изображений, формулу обращения и т.д.

Пример:

Найти оригинал по его изображению

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Проще всего поступить так:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

(использовали свойство линейности и формулы (78.5) и (78.6)).

Если же использовать теорему 79.2 разложения, то будем иметь:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

корни знаменателя Операционный метод решения дифференциальных уравненийи, согласно формуле (79.1),

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти функцию-оригинал, если ее изображение
задано как Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

— простой корень знаменателя, Операционный метод решения дифференциальных уравнений— 3-кратный корень (m = 3). Используя формулы (79.1) и (79.3), имеем:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Приведем другой способ нахождения f(t). Разобьем дробь Операционный метод решения дифференциальных уравнений

на сумму простейших дробей:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Приведем третий способ нахождения f(t). Представим F(p) как
произведение Операционный метод решения дифференциальных уравненийи так как Операционный метод решения дифференциальных уравненийпользуясь свойством умножения изображений, имеем:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем

Пусть требуется найти частное решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

удовлетворяющее начальным условиям

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где Операционный метод решения дифференциальных уравнений— заданные числа.

Будем считать, что искомая функция y(t) вместе с ее рассматриваемыми производными и функция f(t) являются оригиналами.

Пусть Операционный метод решения дифференциальных уравненийПользуясь свойствами дифференцирования оригинала и линейности, перейдем в уравнении(80.1) от оригиналов к изображениям:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Полученное уравнение называют операторным (или уравнением в изображениях). Разрешим его относительно Y:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

— алгебраические многочлены от p степени п и п-1 соответственно. Из последнего уравнения находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Полученное равенство называют операторным решением дифференциального уравнения (80.1). Оно имеет более простой вид, если все начальные условия равны нулю, т. е.Операционный метод решения дифференциальных уравнений

В этом случае Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Находя оригинал y(t), соответствующий найденному изображению (80.2), получаем, в силу теоремы единственности, частное решение дифференциального уравнения (80.1).

Замечание:

Полученное решение y(t) во многих случаях оказывается справедливым при всех значениях t (а не только при Операционный метод решения дифференциальных уравнений).

Пример:

Решить операционным методом дифференциальное уравнение Операционный метод решения дифференциальных уравненийпри условиях Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Пусть Операционный метод решения дифференциальных уравненийТогда

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Подставляя эти выражения в дифференциальное уравнение, получаем операторное уравнение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Отсюда Операционный метод решения дифференциальных уравненийНаходим y(t). Можно разбить дробь на сумму простейших Операционный метод решения дифференциальных уравненийно так как корни знаменателя Операционный метод решения дифференциальных уравненийпростые, то удобно воспользоваться второй теоремой разложения (формула (79.1)), в которой

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Пример:

Найти решение уравнения

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

при условии Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

График данной функции имеет вид, изображенный на рисунке 311.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

С помощью единичной функции правую часть данного дифференциального уравнения можно записать одним аналитическим выражением:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Таким образом, имеем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операторное уравнение, при нулевых начальных условиях имеет вид

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

то по теореме запаздывания находим:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Аналогично применяется операционный метод для решения систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Покажем это на конкретном примере.

Пример:

Решить систему дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решение:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Система операторных уравнений принимает вид

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решая эту систему алгебраических уравнений, находим:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Переходя от изображений к оригиналам, получаем искомые решения:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений

С помощью операционного исчисления можно также находить решения линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, уравнений в частных производных, уравнений в конечных разностях (разностных уравнений); производить суммирование рядов; вычислять интегралы. При этом решение этих и других задач значительно упрощается.

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения дифференциальных уравнений Операционный метод решения 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:ДУ Операционный методСкачать

ДУ Операционный метод

Примеры решений задач по операционному исчислению (преобразованию Лапласа)

Операционное (символическое) исчисление – это один из методов математического анализа, позволяющий в некоторых случаях свести исследование и решение дифференциальных, псевдодифференциальных, интегральных уравнений, к более простым алгебраическим задачам.

Изучая преобразование Лапласа, мы вводим оригинал функции $f(t)$ и ее изображение $F(p)$, находимое по формуле:

$$F(p) = int_0^infty f(t) e^dt$$

Для быстроты и удобства решения задач составлена таблица изображений и оригиналов, которая, наряду с теоремами (линейности, подобия, смещения, запаздывания), свойствами и правилами дифференцирования и интегрирования изображения/оригинала, постоянно используется в решении примеров.

В этом разделе вы найдете готовые задания разного типа: восстановление оригинала или изображения функции, нахождение свертки функций, решение ДУ, систем ДУ или интегральных уравнений с помощью преобразования Лапласа и т.д.

Видео:13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядкаСкачать

13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядка

Как найти изображение функции

Задача 1. Найти изображение данного оригинала, или оригинала, удовлетворяющего данному уравнению

Задача 2. Пользуясь определением, найти изображение функции $f(t)=3^t$.

Задача 3. Найти изображение функции: $int_0^t cos tau cdot e^dtau. $

Задача 4. Найти изображение оригинала $f(x)$ двумя способами:
1) Вычислив интеграл $F(p) = int_0^infty f(x) e^dx$;
2) Воспользовавшись таблице изображений и свойствами преобразования Лапласа.
Оригинал задается формулой (курсочно-линейная функция, см. файл).

Видео:Операционное исчисление. Решение дифференциального уравнения четвертого порядка.Скачать

Операционное исчисление. Решение дифференциального уравнения четвертого порядка.

Как найти оригинал функции

Задача 5. Найти оригинал изображения $F(p)$, где

Задача 6. Найти оригинал изображения

Задача 7. Найти оригинал для функции с помощью вычетов

Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Как решить ДУ (систему ДУ) операционным методом

Задача 8. Найти частное решение дифференциального уравнения с заданными начальными условиями операторным методом

Задача 9. Найти решение задачи Коши методами операционного исчисления

Задача 10. Методом операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее заданным начальным условиям.

Задача 11. Методом операционного исчисления найти решение задачи Коши для ДУ 3-го порядка

Задача 12. Решите задачу Коши для системы дифференциальных уравнений с помощью преобразования Лапласа.

Задача 13. C помощью формулы Дюамеля найти решение уравнения

Задача 14. Решить систему ДУ с помощью преобразования Лапласа

Видео:Система дифференциальных уравнений. Операционный методСкачать

Система дифференциальных уравнений. Операционный метод

Как решить интегральное уравнение

Задача 15. Методом операционного исчисления найти решение интегрального уравнения

$$ y(t)=cos t +int_0^t (t-tau)^2 y(tau)d tau. $$

Задача 16. Решить интегральное уравнение

$$ int_0^t ch (tau) x(t-tau)d tau = t. $$

Видео:14. Операционное исчисление. Система ДУСкачать

14. Операционное исчисление.  Система ДУ

Как найти свертку функций

Задача 17. Найти свертку функций $f(t)=1$ и $phi(t)=sin 5t$.

Видео:Решение диф.уравнений операторным методомСкачать

Решение диф.уравнений операторным методом

Помощь с решением заданий

Если вам нужна помощь с решением задач и контрольных по этой и другим темам математического анализа, обращайтесь в МатБюро. Стоимость подробной консультации от 100 рублей , оформление производится в Word, срок от 1 дня.

Видео:Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Статья на тему: «Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

«Актуальность создания школьных служб примирения/медиации в образовательных организациях»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем

Операционный метод приобрел большое значение при решении линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Эффективность применения операционного исчисления при решении линейных обыкновенных дифференциальных уравнений состоит в удобстве и простоте вычислений. Прежде всего это относится к решению систем таких уравнений [4, с. 131].

Рассмотрим обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами

Операционный метод решения дифференциальных уравнений (1)

где коэффициенты Операционный метод решения дифференциальных уравнений-постоянные величины, при начальных условиях

x(0)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений , Операционный метод решения дифференциальных уравнений (0) Операционный метод решения дифференциальных уравнений, . , Операционный метод решения дифференциальных уравнений (0)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений(2)

где Операционный метод решения дифференциальных уравнений— заданные числа [3, с. 126].

Операционный метод решения состоит в том, что мы считаем как искомую функцию x(t), так и правую часть f(t) оригиналами и переходим от уравнения (1) , связывающего оригиналы, к уравнению, связывающему их изображения X(p) и F(p), тогда x(t) X(p) , а f(t) F(p) . Воспользуемся теоремой о дифференцировании оригинала:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Применяя свойство линейности получаем вместо уравнения (1) алгебраическое соотношение, которое назовем изображением, или операторным уравнением:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений+ Операционный метод решения дифференциальных уравнений+. + Операционный метод решения дифференциальных уравнений( Операционный метод решения дифференциальных уравнений)+ Операционный метод решения дифференциальных уравнений[2, с. 127—128]

В результате мы получили уже не дифференциальное, а алгебраическое уравнение относительно неизвестного изображения X(p).

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

где Операционный метод решения дифференциальных уравнений,

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений-алгебраические многочлены от p степени n и n-1 соответственно [1, с. 264].

Из последнего уравнения находим

Операционный метод решения дифференциальных уравнений(3)

Полученное равенство называют операторным решением дифференциального уравнения (1). Остается по полученному изображению X(p) найти оригинал x(t) , применяя для этого соответствующие правила операционного исчисления. Найденный оригинал x(t) будет являться частным решением дифференциального уравнения (1) [3, с. 128].

Пример: найдем решение дифференциального уравнения операционным методом Операционный метод решения дифференциальных уравненийпри условиях Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений= Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Подставим эти выражения в дифференциальное уравнение, получим операторное уравнение: Операционный метод решения дифференциальных уравнений. Отсюда X(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Для нахождения оригинала разложим дробь на простейшие

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

A(p+1)+B(p-3)(p+1)+C Операционный метод решения дифференциальных уравнений =1

Ap+A+B Операционный метод решения дифференциальных уравнений -2Bp-3B+C Операционный метод решения дифференциальных уравнений -6Cp+9 С =1

Составим систему уравнений:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решив ее, получаем

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Итак X(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений, откуда

x(t)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений— решение данного дифференциального уравнения.

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами можно решать операционными методами совершенно так же, как и отдельные уравнения; все отличие заключается лишь в том, что вместо одного изображающего уравнения приходим к системе таких уравнений, причем система эта в отношении изображений искомых функций будет линейно алгебраической. При этом никаких предварительных преобразований исходной системы дифференциальных уравнений производить не требуется [3, с. 134].

Метод решения таких систем покажем на примере.

Пример: решить систему дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

при начальных условиях x(0)=2 , y(0)=0.

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Подставим эти выражения в систему дифференциальных уравнений, система операторных уравнений принимает вид:

Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Решая эту систему уже алгебраических уравнений , находим:

X(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений,

Y(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений

Раскладывая найденные изображения на простые дроби находим:

X(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений,

Y(p)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

Переходя от изображений к оригиналам, получаем искомые решения:

x(t)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений

y(t)= Операционный метод решения дифференциальных уравнений.

Таким образом операционный метод позволяет в ряде случаев значительно упростить процедуру нахождения решения линейных дифференциальных уравнений и их систем.

1.Араманович И.Г., Лунц Г.Л., Эльсгольц Л.Э. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости. -М., Главная редакция физико-математической литературы, 1968 г., — стр. 416. — Избранные главы высшей математики для инженеров и студентов втузов. — 263—268 с.

2.Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Физматгиз, 1961. — 127—132 с.

3.Шостак Р.Я. Операционное исчисление. Краткий курс. Изд. второе, доп.Учебное пособие для вузов М. «Высшая школа», 1972 — 126—139 с.

4.Штокало И.3. Операционное исчисление (обобщения и приложения) Киев, Издательство «Наукова Думка», 1972 —131—144 с.

🔥 Видео

Операционный метод для задачи КошиСкачать

Операционный метод для задачи Коши

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

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.

Операторный метод решения дифференциальных уравнений | Решение задачСкачать

Операторный метод решения дифференциальных уравнений | Решение задач

Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

12 Операционное исчисление. Решить однородное ДУ 2 порядка.Скачать

12  Операционное исчисление. Решить однородное ДУ 2 порядка.

Метод Лапласа решения ДУСкачать

Метод Лапласа решения ДУ

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Часть 1.Скачать

2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Часть 1.
Поделиться или сохранить к себе: