Сведение системы к одному дифференциальному уравнению высшего порядка
Системой дифференциальных уравнений называется совокупность уравнений, в каждое из которых входит независимая переменная, искомые функции и их производные.
Решение системы, состоящей из нескольких уравнений с таким же числом неизвестных функций, можно привести к решению дифференциального уравнения с одной неизвестной функцией.
Нормальная система уравнений:
как правило, может быть заменена одним дифференциальным уравнением, порядок которого равен порядку системы.
Пример:
Найти общее решение системы уравнений
Решение:
Продифференцировав первое уравнение по , заменим производную ее выражением из второго уравнения: . Продифференцировав полученное уравнение еще раз, заменим производную ее выражением из третьего уравнения: . Подставляя в последнее уравнение и , окончательно получим . Решим это уравнение. Соответствующее ему характеристическое уравнение имеет корни . Следовательно, . Функции и в соответствии с соотношениями и после дифференцирования полученного для выражения имеют вид: и .
На этой странице размещён краткий курс лекций по высшей математике для заочников с теорией, формулами и примерами решения задач:
Возможно вам будут полезны эти страницы:
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
Метод исключения — сведение системы ДУ к одному уравнению
Частным случаем канонической системы дифференциальных уравнений является одно уравнение n-го порядка, разрешенное относительно старшей производной.
Введением новых функций
это уравнение заменяется нормальной системой уравнений
Можно утверждать и обратное, что, вообще говоря, нормальная система уравнений первого порядка
эквивалентна одному уравнению порядка . На этом основан один из методов интегрирования систем дифференциальных уравнений — метод исключения .
Проиллюстрируем этот метод на примере системы двух уравнений:
Здесь — постоянные коэффициенты, а и — заданные функции; и — искомые функции. Из первого уравнения системы (1) находим
Подставляя во второе уравнение системы вместо у правую часть (2), а вместо производную от правой части (2), получаем уравнение второго порядка относительно
где — постоянные. Отсюда находим . Подставив найденное выражение для и в (2), найдем .
Пример 1. Проинтегрировать систему уравнений
Решение. Из первого уравнения системы (3) находим , тогда
Подставляя (4) во второе уравнение системы (3), получаем линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами второго порядка
Общее решение уравнения (5)
Находя производную по от (6), получаем
Общее решение системы (3):
Пример 2. Решить задачу Коши для системы
Решение. Из второго уравнения системы (7) находим
Подставляя (9) и (10) в первое уравнение системы (7), получаем уравнение , общее решение которого
Подставляя (11) в (9), найдем . Общее решение системы (7)
При начальных условиях (8) из (12) получим систему уравнений для определения
решая которую, найдем . Подставляя эти значения и в (12), получаем решение поставленной задачи Коши:
Пример 3. Решить систему уравнений
Решение. Из первого уравнения системы находим
Подставляя эти выражения для и во второе уравнение, получаем
Считая , из последнего уравнения имеем и после интегрирования получим . Теперь легко находим
Общее решение данной системы
Замечание. Не всякая система дифференциальных уравнений может быть сведена к одному уравнению более высокого порядка. Например,
не сводится к одному уравнению второго порядка. Ее общее решение .
Системы дифференциальных уравнений
Этот раздел мы решили посвятить решению систем дифференциальных уравнений простейшего вида d x d t = a 1 x + b 1 y + c 1 d y d t = a 2 x + b 2 y + c 2 , в которых a 1 , b 1 , c 1 , a 2 , b 2 , c 2 — некоторые действительные числа. Наиболее эффективным для решения таких систем уравнений является метод интегрирования. Также рассмотрим решение примера по теме.
Решением системы дифференциальных уравнений будет являться пара функций x ( t ) и y ( t ) , которая способна обратить в тождество оба уравнения системы.
Рассмотрим метод интегрирования системы ДУ d x d t = a 1 x + b 1 y + c 1 d y d t = a 2 x + b 2 y + c 2 . Выразим х из 2 -го уравнения системы для того, чтобы исключить неизвестную функцию x ( t ) из 1 -го уравнения:
d y d t = a 2 x + b 2 y + c 2 ⇒ x = 1 a 2 d y d t — b 2 y — c 2
Выполним дифференцирование 2 -го уравнения по t и разрешим его уравнение относительно d x d t :
d 2 y d t 2 = a 2 d x d t + b 2 d y d t ⇒ d x d t = 1 a 2 d 2 y d t 2 — b 2 d y d t
Теперь подставим результат предыдущих вычислений в 1 -е уравнение системы:
d x d t = a 1 x + b 1 y + c 1 ⇒ 1 a 2 d 2 y d t 2 — b 2 d y d t = a 1 a 2 d y d t — b 2 y — c 2 + b 1 y + c 1 ⇔ d 2 y d t 2 — ( a 1 + b 2 ) · d y d t + ( a 1 · b 2 — a 2 · b 1 ) · y = a 2 · c 1 — a 1 · c 2
Так мы исключили неизвестную функцию x ( t ) и получили линейное неоднородное ДУ 2 -го порядка с постоянными коэффициентами. Найдем решение этого уравнения y ( t ) и подставим его во 2 -е уравнение системы. Найдем x ( t ) . Будем считать, что на этом решение системы уравнений будет закончено.
Найдите решение системы дифференциальных уравнений d x d t = x — 1 d y d t = x + 2 y — 3
Начнем с первого уравнения системы. Разрешим его относительно x :
x = d y d t — 2 y + 3
Теперь выполним дифференцирование 2 -го уравнения системы, после чего разрешим его относительно d x d t : d 2 y d t 2 = d x d t + 2 d y d t ⇒ d x d t = d 2 y d t 2 — 2 d y d t
Полученный в ходе вычислений результат мы можем подставить в 1 -е уравнение системы ДУ:
d x d t = x — 1 d 2 y d t 2 — 2 d y d t = d y d t — 2 y + 3 — 1 d 2 y d t 2 — 3 d y d t + 2 y = 2
В результате преобразований мы получили линейное неоднородное дифференциальное уравнение 2 -го порядка с постоянными коэффициентами d 2 y d t 2 — 3 d y d t + 2 y = 2 . Если мы найдем его общее решение, то получим функцию y ( t ) .
Общее решение соответствующего ЛОДУ y 0 мы можем найти путем вычислений корней характеристического уравнения k 2 — 3 k + 2 = 0 :
D = 3 2 — 4 · 2 = 1 k 1 = 3 — 1 2 = 1 k 2 = 3 + 1 2 = 2
Корни, которые мы получили, являются действительными и различными. В связи с этим общее решение ЛОДУ будет иметь вид y 0 = C 1 · e t + C 2 · e 2 t .
Теперь найдем частное решение линейного неоднородного ДУ y
d 2 y d t 2 — 3 d y d t + 2 y = 2
Правая часть записи уравнения представляет собой многочлен нулевой степени. Это значит, что частное решение будем искать в виде y
= A , где А – это неопределенный коэффициент.
Определить неопределенный коэффициент мы можем из равенства d 2 y
= 2 :
d 2 ( A ) d t 2 — 3 d ( A ) d t + 2 A = 2 ⇒ 2 A = 2 ⇒ A = 1
Таким образом, y
= 1 и y ( t ) = y 0 + y
= C 1 · e t + C 2 · e 2 t + 1 . Одну неизвестную функцию мы нашли.
Теперь подставим найденную функцию во 2 -е уравнение системы ДУ и разрешим новое уравнение относительно x ( t ) :
d ( C 1 · e t + C 2 · e 2 t + 1 ) d t = x + 2 · ( C 1 · e t + C 2 · e 2 t + 1 ) — 3 C 1 · e t + 2 C 2 · e 2 t = x + 2 C 1 · e t + 2 C 2 · e 2 t — 1 x = — C 1 · e t + 1
Так мы вычислили вторую неизвестную функцию x ( t ) = — C 1 · e t + 1 .
Ответ: x ( t ) = — C 1 · e t + 1 y ( t ) = C 1 · e t + C 2 · e 2 t + 1
http://mathhelpplanet.com/static.php?p=metod-isklyucheniya
http://zaochnik.com/spravochnik/matematika/differentsialnye-uravnenija/sistemy-differentsialnyh-uravnenij/