Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Содержание
  1. Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения
  2. Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
  3. Решение однородного уравнения Эйлера
  4. Примеры
  5. Решение неоднородного уравнения Эйлера
  6. Пример
  7. Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
  8. Линейные неоднородные системы дифференциальных уравнений
  9. Метод характеристического уравнения (метод Эйлера)
  10. Системы дифференциальных уравнений с примерами решения и образцами выполнения
  11. Решение систем дифференциальных уравнений
  12. Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений
  13. Метод исключения
  14. Метод интегрируемых комбинаций
  15. Системы линейных дифференциальных уравнений
  16. Фундаментальная матрица
  17. Квадратная матрица
  18. Метод вариации постоянных
  19. Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
  20. Метод Эйлера
  21. Матричный метод
  22. Понятие о системах дифференциальных уравнений
  23. 📹 Видео

Видео:Неоднородная система линейных уравненийСкачать

Неоднородная система линейных уравнений

Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим уравнение Эйлера:
(1) .
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = e t .
Действительно, тогда
;
;
;

;
;
.

Таким образом, множители, содержащие x m , сокращаются. Остаются члены с постоянными коэффициентами. Однако на практике, для решения уравнений Эйлера, можно применять методы решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами без использования указанной выше подстановки.

Видео:Решение неоднородных линейных систем. ТемаСкачать

Решение неоднородных линейных систем. Тема

Решение однородного уравнения Эйлера

Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(2) .
Ищем решение уравнения (2) в виде
.
;
;
.
.
Подставляем в (2) и сокращаем на x k . Получаем характеристическое уравнение:
.
Решаем его и получаем n корней, которые могут быть комплексными.

Рассмотрим действительные корни. Пусть ki – кратный корень кратности m . Этим m корням соответствуют m линейно независимых решений:
.

Рассмотрим комплексные корни. Они появляются парами вместе с комплексно сопряженными. Пусть ki – кратный корень кратности m . Выразим комплексный корень ki через действительную и мнимую части:
.
Этим m корням и m комплексно сопряженным корням соответствуют 2 m линейно независимых решений:
;
;
.
.

После того как получены n линейно независимых решений, получаем общее решение уравнения (2):
(3) .

Примеры

Видео:Математика без Ху!ни. Линейное неоднородное уравнение 1 порядка. Метод вариации постоянной.Скачать

Математика без Ху!ни. Линейное неоднородное уравнение 1 порядка. Метод вариации постоянной.

Решение неоднородного уравнения Эйлера

Рассмотрим неоднородное уравнение Эйлера:
.
Метод вариации постоянных (метод Лагранжа) также применим и к уравнениям Эйлера.

Сначала мы решаем однородное уравнение (2) и получаем его общее решение (3). Затем считаем постоянные функциями от переменной x . Дифференцируем (3) n – 1 раз. Получаем выражения для n – 1 производных y по x . При каждом дифференцировании члены, содержащие производные приравниваем к нулю. Так получаем n – 1 уравнений, связывающих производные . Далее находим n -ю производную y . Подставляем полученные производные в (1) и получаем n -е уравнение, связывающее производные . Из этих уравнений определяем . После чего интегрируя, получаем общее решение уравнения (1).

Пример

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

Видеоурок "Системы диф. уравнений. Метод Эйлера"

Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью

Рассмотрим уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью:
(4)
,
где – многочлены от степеней и , соответственно.

Наиболее простой способ решения такого уравнения заключается в том, чтобы сделать подстановку
,
и решать линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 14-08-2013 Изменено: 24-10-2020

Видео:Неоднородные системы линейных уравненийСкачать

Неоднородные системы линейных уравнений

Линейные неоднородные системы дифференциальных уравнений

Неоднородную систему дифуравнений обычно представляют в следующем виде:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В отличие от однородной системы, здесь в каждом уравнении добавляется некая функция, которая зависит от t. Функции f(t) и g(t) могут быть как const, exp, так и sin, cos и т.д.

Необходимо найти частное решение системы линейных дифуравнений
Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапри начальных условиях x(0) = 6, y(0) = 5.

Итак, у нас есть линейная неоднородная система дифуравнений, где в качестве f(t) и g(t) выступают константы. Будем использовать метод исключения.

Выразим из первого уравнения системы:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Опять применим маркер * для выделения.

Обе части уравнения дифференцируем по t:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Производная const = 0, поэтому 3 исчезла.

Подставляем Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераво второе уравнение системы:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Избавимся от дробей, для чего обе части уравнения умножим на 5:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Итак, мы получили линейное неоднородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Этим и отличается наше решение от решения однородной системы уравнений.

Но иногда, отметим, в неоднородной системе может получиться и однородное уравнение.

Находим общее решение однородного уравнения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Для этого необходимо составить и решить характеристическое уравнение:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера– мы нашли сопряженные комплексные корни, поэтому:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера.

Теперь займемся поиском частного решения неоднородного уравнения вида Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера.

Находим первую и вторую производную:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставляем Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав левую часть неоднородного уравнения:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Получаем: Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Это частное решение Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераможно с легкостью подобрать устно и можно просто записать: «Очевидно, что частное решение неоднородного уравнения: Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера».

В итоге: Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Найдем функцию y(t).

Для этого найдем производную от найденной функции x(t):

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставляем Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав уравнение (*):

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Получаем общее решение системы:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Теперь найдем частное решение, соответствующее начальным условиям x(0) = 6, y(0) = 5:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Ответ: частное решение: Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Метод характеристического уравнения (метод Эйлера)

Этот метод используется крайне редко, но мы все-же рассмотрим его на примере.

Дается линейная однородная система дифуравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Требуется отыскать общее решение системы уравнений методом Эйлера.

Составим определитель второго порядка:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Далее надо составить характеристическое уравнение, для чего из каждого числа, расположенного на главной диагонали, вычтем некий параметр k:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Получили квадратное уравнение. Найдем его корни:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В случае, когда характеристическое уравнение имеет 2 различных действительных корня, общее решение системы дифференциальных уравнений будет иметь вид:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Коэффициенты в показателях экспонент Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерамы уже нашли, займемся поиском коэффициентов Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставим корень Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав характеристическое уравнение:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Составим систему двух линейных уравнений из чисел определителя:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Из которой получаем:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подберем наименьшее значение Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера, при котором Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерабудет целым. Очевидней всего будет Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера=5, тогда Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера=7/5*5 = 7.

Подставим корень Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав характеристическое уравнение:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Составим систему двух линейных уравнений из чисел определителя:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Из которой получаем:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подберем наименьшее значение Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера, при котором Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерабудет целым. Очевидней всего будет Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера.

Коэффициенты Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеранайдены, подставляем их в систему Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Ответ: общее решение: Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Chanel Allure (http://духи.рф/catalog/men/Chanel/Allure)
Есть много имен — женские имена русские (http://духи.рф/catalog/men/Chanel/Allure) поражают своей красотой и разнообразием.

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Видео:Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-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.

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

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

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 Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеравыражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Здесь x, у, z — координаты движущейся точки, t — время, f, g, h — известные функции своих аргументов.

Система вида (1) называется канонической. Обращаясь к общему случаю системы т дифференциальных уравнений с т неизвестными функциями Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерааргумента t, назовем канонической систему вида

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Если Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав (2) принять за новые вспомогательные функции, то общую каноническую систему (2) можно заменить эквивалентной ей нормальной системой, состоящей из Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерауравнений. Поэтому достаточно рассматривать лишь нормальные системы.

Например, одно уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

является мастным случаем канонической системы. Положив Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав силу исходного уравнения будем иметь

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В результате получаем нормальную систему уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

эквивалентную исходному уравнению.

Определение:

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

дифференцируемых на интервале а Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Теорема:

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Определение:

Система n функций

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

зависящих от t и n произвольных постоянных Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназывается общим решением нормальной системы (3) в некоторой области Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерасуществования и единственности решения задачи Коши, если

1) при любых допустимых значениях Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерасистема функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,

2) в области Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерафункции (6) решают любую задачу Коши.

Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназываются частными решениями.

Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераРешение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений

Метод исключения

Один из методов интегрирования — метод исключения. Частным случаем канонической системы является одно уравнение n-го порядка, разрешенное относительно старшей производной

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Введя новые функции Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеразаменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

т. е. одно уравнение n-го порядка эквивалентно нормальной системе (1)

Можно утверждать и обратное, что, вообще говоря, нормальная система п уравнений первого порядка эквивалентна одному уравнению порядка n. На этом и основан метод исключения для интегрирования систем дифференциальных уравнений.

Делается это так. Пусть имеем нормальную систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Заменяя в правой части производные Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераих выражениями Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераполучим

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Продолжая этот процесс, найдем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Предположим, что определитель

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

(якобиан системы функций Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераотличен от нуля при рассматриваемых значениях Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

будет разрешима относительно неизвестных Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераПри этом Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеравыразятся через Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Внося найденные выражения в уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

получим одно уравнение n-го порядка

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Из самого способа его построения следует, что если Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераесть решения системы (2), то функция х1(t) будет решением уравнения (5).

Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи подставим найденные значения как известные функции

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

от t в систему уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

По предположению эту систему можно разрешить относительно Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерат. е найти Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеракак функции от t.

Можно показать, что так построенная система функций

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:

Требуется проинтегрировать систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Дифференцируя первое уравнение системы, имеем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

откуда, используя второе уравнение, получаем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В силу первого уравнения системы находим функцию

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Найденные функции x(t), y(t), как легко проверить, при любых значениях С1 и С2 удовлетворяют заданной системе.

Функции x(t), y(t) можно представить в виде

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи с общей осью х = у = 0, которая также является интегральной кривой (рис. 3).

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

так что фазовые траектории данной системы суть окружности с центром в начале координат — проекции винтовых линий на плоскость хОу.

При А = 0 фазовая траектория состоит из одной точки х = 0, у = 0, называемой точкой покоя системы.

Замечание:

Может оказаться, что функции Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеранельзя выразить через Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераТогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

нельзя заменить эквивалентным уравнением второго порядка относительно х1 или x2. Эта система составлена из пары уравнений 1-го порядка, каждое из которых интегрируется независимо, что дает

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Метод интегрируемых комбинаций

Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.

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

Пример:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Мы нашли два конечных уравнения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

из которых легко определяется общее решение системы:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Если найдено п первых интегралов системы (8) и все они независимы, т. е. якобиан системы функций Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераотличен от нуля:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

определяются все неизвестные функции Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Системы линейных дифференциальных уравнений

Система дифференциальных уравнений называется линейной, если она линейна относительно неизвестных функций и их производных, входящих в уравнение. Система n линейных уравнений первого порядка, записанная в нормальной форме, имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

или, в матричной форме,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Теорема:

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

Действительно, в таком случае правые части системы (1) непрерывны по совокупности аргументов t, Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи их частные производные по Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Введем линейный оператор

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Тогда система (2) запишется в виде

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Если матрица F — нулевая, т. е. Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерана интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.

Теорема:

Если X(t) является решением линейной однородной системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Теорема:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

двух решений Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераоднородной линейной системы уравнений является решением той же системы.

Следствие:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

с произвольными постоянными коэффициентами сi решений Система неоднородных линейных уравнений методом эйлералинейной однородной системы дифференциальных уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

является решением той же системы.

Теорема:

Если Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераесть решение линейной неоднородной системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

будет решением неоднородной системы Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Действительно, по условию,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Пользуясь свойством аддитивности оператора Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераполучаем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Это означает, что сумма Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераесть решение неоднородной системы уравнений Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Определение:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

называются линейно зависимыми на интервале a Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

при Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапричем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерато векторы Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназываются линейно независимыми на (а, b).

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

называется определителем Вронского системы векторов Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Определение:

Пусть имеем линейную однородную систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрица с элементами Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераСистема n решений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

с непрерывными на отрезке Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеракоэффициентами Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераявляется линейная комбинация п линейно независимых на интервале а Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

(Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера) — произвольные постоянные числа).

Пример:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

имеет, как нетрудно проверить, решения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Общее решение системы имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

(с1, с2 — произвольные постоянные).

Фундаментальная матрица

Квадратная матрица

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

столбцами которой являются линейно независимые решения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерасистемы (6), называется фундаментальной матрицей этой системы. Нетрудно проверить, что фундаментальная матрица удовлетворяет матричному уравнению

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Матрица Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназывается матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Теорема:

О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области Система неоднородных линейных уравнений методом эйлералинейной неоднородной системы дифференциальных уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

с непрерывными на отрезке Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеракоэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеранеоднородной системы (2):

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Метод вариации постоянных

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

есть общее решение однородной системы (6), тогда

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

причем решения Xk(t) линейно независимы.

Будем искать частное решение неоднородной системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеранеизвестные функции от t. Дифференцируя Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапо t, имеем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставляя Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав (2), получаем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

то для определения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераполучаем систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

или, в развернутом виде,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

где Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера— известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставляя эти значения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерав (9), находим частное решение системы (2)

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

(здесь под символом Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапонимается одна из первообразных для функции Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

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

Метод Эйлера

Будем искать решение системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера— постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапроизвольные постоянные.

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

Пример:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Ищем решение в виде

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

имеет корни Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Подставляя в (*) Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераполучаем

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

откуда а21 = а11. Следовательно,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Полагая в Система неоднородных линейных уравнений методом эйлеранаходим a22 = — a12, поэтому

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Общее решение данной системы:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Матричный метод

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрица с постоянными действительными элементами Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназывается собственным вектором матрицы А, если

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Число Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераназывается собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где I — единичная матрица.

Будем предполагать, что все собственные значения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

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

Пусть B(t) — n х n-матрица,

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В частности, если В — постоянная матрица, то

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

так как Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераесть нуль-матрица.

Теорема:

Если собственные значения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапроизвольные постоянные числа.

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Умножая обе части последнего соотношения слева на Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераи учитывая, что Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерапридем к системе

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Здесь Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера— произвольные постоянные числа.

Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

решение Y(t) можно представить в виде

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерасобственный вектор матрицы А. Поэтому, подставляя (13) в (11), получим формулу (10):

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

1) находим собственные значения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераматрицы как корни алгебраического уравнения

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

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

Пример:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Матрица А системы имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

1) Составляем характеристическое уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Корни характеристического уравнения Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

2) Находим собственные векторы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Для Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера= 4 получаем систему

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

откуда g11 = g12, так что

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Аналогично для Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера= 1 находим

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерасистемы (7) действительные, то характеристическое уравнение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

При комплексном Система неоднородных линейных уравнений методом эйлерарешение

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

системы (7) также будет комплексным. Действительная часть

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

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

Пусть Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера— действительные собственные значения, Система неоднородных линейных уравнений методом эйлераСистема неоднородных линейных уравнений методом эйлера— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где сi — произвольные постоянные.

Пример:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

1) Характеристическое уравнение системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Его корни Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

2) Собственные векторы матриц

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

3) Решение системы

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.

Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Следовательно, всякое действительное решение системы имеет

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

где с1, с2 — произвольные действительные числа.

Видео:15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

Понятие о системах дифференциальных уравнений

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера Система неоднородных линейных уравнений методом эйлера

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

📹 Видео

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

19. Метод вариации произвольных постоянных. Линейные неоднородные диф уравнения 2-го порядкаСкачать

19. Метод вариации произвольных постоянных. Линейные неоднородные диф уравнения 2-го порядка

Система неоднородных дифференциальных уравненийСкачать

Система неоднородных дифференциальных уравнений

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

Метод ЭйлераСкачать

Метод Эйлера

Системы дифференциальных уравнений. Часть 2Скачать

Системы дифференциальных уравнений. Часть 2

Системы дифференциальных уравнений.Метод исключения.Метод Эйлера.Скачать

Системы дифференциальных уравнений.Метод исключения.Метод Эйлера.

Метод Эйлера. Решение систем ДУСкачать

Метод Эйлера. Решение систем ДУ
Поделиться или сохранить к себе: