Решение систем дифференциальных уравнений матричным способом
Вы будете перенаправлены на Автор24
Матричная запись системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) с постоянными коэффициентами
Линейную однородную СОДУ с постоянными коэффициентами $\left\<\begin
где $y_ <1>\left(x\right),\; y_ <2>\left(x\right),\; \ldots ,\; y_
Теперь на основе правила умножения матриц данную СОДУ можно записать в виде матричного уравнения $\frac
Общий метод решения СОДУ с постоянными коэффициентами
Решение СОДУ отыскивается в следующем виде: $y_ <1>=\alpha _ <1>\cdot e^
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 $k\cdot \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
Получаем характеристическое уравнение:
Корни характеристического уравнения: $k_ <1>=1$, $k_ <2>=9$.
Получаем решение СОДУ в матричной форме:
В обычной форме решение СОДУ имеет вид: $\left\<\begin
Получи деньги за свои студенческие работы
Курсовые, рефераты или другие работы
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 19 01 2022
Калькулятор Обыкновенных Дифференциальных Уравнений (ОДУ) и Систем (СОДУ)
Порядок производной указывается штрихами — y»’ или числом после одного штриха — y’5
Ввод распознает различные синонимы функций, как asin , arsin , arcsin
Знак умножения и скобки расставляются дополнительно — запись 2sinx сходна 2*sin(x)
Список математических функций и констант :
• ln(x) — натуральный логарифм
• sh(x) — гиперболический синус
• ch(x) — гиперболический косинус
• th(x) — гиперболический тангенс
• cth(x) — гиперболический котангенс
• sch(x) — гиперболический секанс
• csch(x) — гиперболический косеканс
• arsh(x) — обратный гиперболический синус
• arch(x) — обратный гиперболический косинус
• arth(x) — обратный гиперболический тангенс
• arcth(x) — обратный гиперболический котангенс
• arsch(x) — обратный гиперболический секанс
• arcsch(x) — обратный гиперболический косеканс
Интегрирование однородных линейных систем ДУ
с постоянными коэффициентами. Метод Эйлера
Линейной однородной системой с постоянными коэффициентами называется система дифференциальных уравнений вида
где коэффициенты — постоянные, а — искомые функции от .
Систему (1) можно коротко записать в виде одного матричного уравнения
называется частным решением уравнения (2) в интервале , если выполняется тождество
Система частных решений
(здесь в записи нижний индекс указывает номер решения, а верхний — номер функции в решении) называется фундаментальной на интервале , если ее определитель Вронского
Теорема. Если система частных решений однородного уравнения (2) является фундаментальной, то общее решение этого уравнения имеет вид
где — произвольные постоянные.
Линейные системы можно интегрировать различными способами, рассмотренными ранее, например методом исключения, путем нахождения интегрируемых комбинаций и т.д.
Для интегрирования однородных линейных систем с постоянными коэффициентами применяется также метод Эйлера .
Рассмотрим этот метод в применении к системе трех линейных дифференциальных уравнений:
Решение системы (3) ищем в виде
Подставляя (4) в (3) и сокращая на , получаем систему уравнений для определения и
Система (5) имеет ненулевое решение, когда ее определитель равен нулю,
Уравнение (6) называется характеристическим .
А. Пусть корни и характеристического уравнения — вещественные и различные . Подставив в (5) вместо число и решив систему (5), получим числа и . Затем положим в (5) и получим числа и, наконец, при получим и . Соответственно трем наборам чисел и получим три частных решения
Общее решение системы (3) имеет вид
Пример 1. Решить систему дифференциальных уравнений
Решение. Составляем характеристическое уравнение
Корням соответствуют числа
Выписываем частные решения
Общее решение системы:
Б. Рассмотрим теперь случай, когда корни характеристического уравнения комплексные .
Пример 2. Решить систему линейных однородных дифференциальных уравнений
Решение. Выпишем систему для определения и
имеет корни . Подставляя в (8), получаем два уравнения для определения и
из которых одно является следствием другого (в силу того, что определитель системы (8) равен нулю).
Возьмем , тогда первое частное решение запишется так:
Аналогично, подставляя в (8) корень , найдем второе частное решение:
Перейдем к новой фундаментальной системе решений:
Пользуясь известной формулой Эйлера , из (9), (10) и (11) получаем
Общим решением системы (7) будет
Замечание. Найдя первое частное решение (9), можно было бы сразу написать общее решение системы (7), пользуясь формулами
где и обозначают соответственно действительную и мнимую части комплексного числа , т. е. если , то , .
В. Случай кратных корней.
Пример 3. Решить систему
Решение. Характеристическое уравнение
Решение следует искать в виде
Подставляя (13) в первое уравнение системы (12), получаем
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях в левой и правой части (14), получаем:
Величины и остаются произвольными. Обозначая их соответственно через и , получаем общее решение системы (12):
Замечание. Легко проверить, что если (13) подставить во второе уравнение системы (12), то получим тот же результат (15). В самом деле, из равенства
получаем два соотношения для определения и через и
Пример 4. Решить задачу Коши для системы линейных дифференциальных уравнений
с начальными условиями .
Решение. Характеристическое уравнение
Корни уравнения (17): . Действительному корню отвечает решение
Подставляя (18) в систему (16) и сокращая на , получаем
откуда . Полагаем, например, , тогда и частное решение (18):
Комплексному корню отвечает решение
подставив которое в (16) и сокращая на , получим
откуда , так что, например, при имеем и частное решение
Корню соответствует решение, комплексно сопряженное решению (20), т.е.
Учитывая (19), (20), (21), получаем общее решение
Выделим, наконец, решение с начальными условиями . Из (22) при имеем
Воспользовавшись формулами Эйлера , окончательно получим
http://mathdf.com/dif/ru/
http://mathhelpplanet.com/static.php?p=integrirovanie-odnorodnyh-linyeinyh-sistem