Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем 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:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Системы дифференциальных уравнений с примерами решения и образцами выполнения

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Видео:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Видеоурок "Системы дифференциальных 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 Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомвыражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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 Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомаргумента t, назовем канонической систему вида

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Например, одно уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

является мастным случаем канонической системы. Положив Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомв силу исходного уравнения будем иметь

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

В результате получаем нормальную систему уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

эквивалентную исходному уравнению.

Определение:

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

дифференцируемых на интервале а Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Теорема:

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

и пусть функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомопределены в некоторой (n + 1) — мерной области D изменения переменных Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомЕсли существует окрестность Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомточки Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомв которой функции fi непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по переменным Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомто найдется интервал Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомизменения t, на котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Определение:

Система n функций

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

зависящих от t и n произвольных постоянных Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназывается общим решением нормальной системы (3) в некоторой области Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомсуществования и единственности решения задачи Коши, если

1) при любых допустимых значениях Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомсистема функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,

2) в области Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомфункции (6) решают любую задачу Коши.

Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназываются частными решениями.

Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомРешение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

системы (7), принимающее при Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомзначения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомопределяет в пространстве некоторую линию, проходящую через точку Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомЭта 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 Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом(рис. 1). Теорема 1 устанавливает существование и единственность такой кривой.

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомЭту плоскость переменных х1х2 называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомсистемы (7), принимающее при t = to начальные значения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомизображается кривой АВ, проходящей через точку Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом(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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Введя новые функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомзаменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Заменяя в правой части производные Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомих выражениями Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомполучим

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Продолжая этот процесс, найдем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Предположим, что определитель

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

(якобиан системы функций Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомотличен от нуля при рассматриваемых значениях Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

будет разрешима относительно неизвестных Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомПри этом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомвыразятся через Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Внося найденные выражения в уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

получим одно уравнение n-го порядка

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

от t в систему уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

По предположению эту систему можно разрешить относительно Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомт. е найти Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомкак функции от t.

Можно показать, что так построенная система функций

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:

Требуется проинтегрировать систему

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Дифференцируя первое уравнение системы, имеем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

откуда, используя второе уравнение, получаем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

В силу первого уравнения системы находим функцию

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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 Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомнельзя выразить через Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомТогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Метод интегрируемых комбинаций

Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.

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

Пример:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Мы нашли два конечных уравнения

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

из которых легко определяется общее решение системы:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

связывающее независимую переменную t и неизвестные функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомТакое конечное уравнение называется первым интегралом системы (8). Иначе: первым интегралом системы дифференциальных уравнений (8) называется дифференцируемая функция Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомне 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 Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомотличен от нуля:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

определяются все неизвестные функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

или, в матричной форме,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Теорема:

Если все функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомнепрерывны на отрезке Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомто в достаточно малой окрестности каждой точки Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомгде Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомвыполнены 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, Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоми их частные производные по Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Введем линейный оператор

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Тогда система (2) запишется в виде

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Если матрица F — нулевая, т. е. Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомна интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.

Теорема:

Если X(t) является решением линейной однородной системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Теорема:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

двух решений Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомоднородной линейной системы уравнений является решением той же системы.

Следствие:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

с произвольными постоянными коэффициентами сi решений Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомлинейной однородной системы дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

является решением той же системы.

Теорема:

Если Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоместь решение линейной неоднородной системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

будет решением неоднородной системы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Действительно, по условию,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Пользуясь свойством аддитивности оператора Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомполучаем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Это означает, что сумма Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоместь решение неоднородной системы уравнений Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Определение:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

называются линейно зависимыми на интервале a Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

при Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпричем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомто векторы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназываются линейно независимыми на (а, b).

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

называется определителем Вронского системы векторов Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Определение:

Пусть имеем линейную однородную систему

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрица с элементами Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомСистема n решений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

с непрерывными на отрезке Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомкоэффициентами Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомявляется линейная комбинация п линейно независимых на интервале а Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

(Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом) — произвольные постоянные числа).

Пример:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

имеет, как нетрудно проверить, решения

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Общее решение системы имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

(с1, с2 — произвольные постоянные).

Фундаментальная матрица

Квадратная матрица

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Матрица Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназывается матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Теорема:

О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомлинейной неоднородной системы дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

с непрерывными на отрезке Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомкоэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомнеоднородной системы (2):

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Метод вариации постоянных

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

есть общее решение однородной системы (6), тогда

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

причем решения Xk(t) линейно независимы.

Будем искать частное решение неоднородной системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомнеизвестные функции от t. Дифференцируя Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпо t, имеем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Подставляя Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомв (2), получаем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

то для определения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомполучаем систему

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

или, в развернутом виде,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомопределителем которой является определитель Вронского W(t) фундаментальной системы решений Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. Этот определитель отличен от нуля всюду на интервале a Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Подставляя эти значения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомв (9), находим частное решение системы (2)

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

(здесь под символом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпонимается одна из первообразных для функции Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

в которой все коэффициенты Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— 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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоми перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпроизвольные постоянные.

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

Пример:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Ищем решение в виде

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

имеет корни Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Подставляя в (*) Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомполучаем

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

откуда а21 = а11. Следовательно,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Полагая в Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомнаходим a22 = — a12, поэтому

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Общее решение данной системы:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Матричный метод

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрица с постоянными действительными элементами Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназывается собственным вектором матрицы А, если

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Число Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназывается собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где I — единичная матрица.

Будем предполагать, что все собственные значения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрица, элементы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомкоторой суть функции аргумента t, определенные на множестве Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. Матрица В(t) называется непрерывной на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом, если непрерывны на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомвсе ее элементы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. Матрица В(t) называется дифференцируемой на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом, если дифференцируемы на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомвсе элементы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомэтой матрицы. При этом производной матрицы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомназывается матрица, элементами которой являются производные Решение систем дифференциальных уравнений матричным способому соответствующих элементов матрицы В(t).

Пусть B(t) — n х n-матрица,

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

В частности, если В — постоянная матрица, то

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

так как Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоместь нуль-матрица.

Теорема:

Если собственные значения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпроизвольные постоянные числа.

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Умножая обе части последнего соотношения слева на Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоми учитывая, что Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомпридем к системе

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Здесь Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— произвольные постоянные числа.

Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

решение Y(t) можно представить в виде

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

1) находим собственные значения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомматрицы как корни алгебраического уравнения

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

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

Пример:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Матрица А системы имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

1) Составляем характеристическое уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Корни характеристического уравнения Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

2) Находим собственные векторы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Для Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом= 4 получаем систему

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

откуда g11 = g12, так что

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Аналогично для Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом= 1 находим

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомсистемы (7) действительные, то характеристическое уравнение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

При комплексном Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомрешение

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

системы (7) также будет комплексным. Действительная часть

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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

Пусть Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— действительные собственные значения, Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомРешение систем дифференциальных уравнений матричным способом— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где сi — произвольные постоянные.

Пример:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

1) Характеристическое уравнение системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Его корни Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

2) Собственные векторы матриц

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

3) Решение системы

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.

Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

где с1, с2 — произвольные действительные числа.

Видео:Решение матричных уравненийСкачать

Решение матричных уравнений

Понятие о системах дифференциальных уравнений

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

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 уравнений методом обратной матрицы.Скачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы.

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

  • Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом
  • Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом
  • Запишем систему обыкновенных дифференциальных уравнений

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    в матричном виде:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом, где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Рассмотрим матричный метод решения систем. Ограничимся однородными системами. Пусть

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    однородная система. Находим корни характеристического уравнения

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Простому корню Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомхарактеристического уравнения соответствует решение Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом, где Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом— собственный вектор матрицы Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомсоответствующий собственному значению Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. 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

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Составим характеристическое уравнение

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Его корни Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. Находим собственные , отвечающие этим собственным значениям

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Следовательно, можно взять Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоми решение соответствующее первому собственному значению Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом. Точно так же, находим собственный вектор отвечающий второму собственному значению:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомРешение соответствующее второму собственному значению такое: Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Наконец, находим третье решение:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомТаким образом, третий собственный вектор можно взять Решение систем дифференциальных уравнений матричным способоми третье решение: Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомОбщее решение запишем в векторном виде:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Пример 2 Решить систему дифференциальных уравнений Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    Составляем характеристическое уравнение:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способомПоскольку система с вещественными коэффициентами, то можно найти решение соответствующее корню Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом, а другое решение, соответствующее комплексно сопряженному корню будет комплексно сопряженным найденному.

    Ищем собственные векторы:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

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

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Таким образом, общее решение системы:

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом.

    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.

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    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).

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    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.

    Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

  • Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом
  • Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом
  • Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом

    Нужна помощь с курсовой или дипломной работой?

    💥 Видео

    Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

    Решение системы уравнений методом Гаусса

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

    Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.

    Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМСкачать

    Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМ

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

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

    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

    15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

    15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

    MathCAD Решение системы линейных уравнений матричным методомСкачать

    MathCAD  Решение системы линейных уравнений матричным методом

    Решение системы уравнений методом Крамера 2x2Скачать

    Решение системы уравнений методом Крамера 2x2

    Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.Скачать

    Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

    Матричный метод решения систем линейных уравнений (метод обратной матрицы)Скачать

    Матричный метод решения систем линейных уравнений (метод обратной матрицы)

    Система дифференциальных уравнений. Операционный методСкачать

    Система дифференциальных уравнений. Операционный метод
    Поделиться или сохранить к себе: