Главная > Краткий справочник для инженеров и студентов
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

12.6. Системы обыкновенных дифференциальных уравнений

Некоторые определения. Многие системы дифференциальных уравнений могут быть записаны в так называемой нормальной форме:

Решением системы ДУ называется совокупность функций которые при подстановке в каждое из уравнений превращают его в тождество. Одно порядка всегда можно заменить нормальной системой (4), вводя вспомогательные неизвестные функции. Часто верно и обратное: нахождение решения системы (4) можно свести к решению одного порядка.

Пример 1. Решить систему ДУ

Решение. Выразив из первого уравнения и подставив его во второе уравнение, получим линейное ДУ второго порядка для . Общее решение этого уравнения имеет вид Вторая неизвестная функция находится из полученного выше выражения для .

Общее решение нормальной системы (4) имеет вид

— произвольные постоянные. Задавая значения искомых функций при некотором значении можно поставить для системы ДУ задачу о нахождении частного решения, удовлетворяющего заданным начальным условиям (задачу Коши). Как и в случае одного ДУ, для системы (4) имеет место теорема, гарантирующая существование и единственность частного решения при непрерывности правых частей вместе с их частными производными.

В приложениях наиболее часто встречаются нормальные системы линейных ДУ. Для краткости ограничимся системой двух линейных уравнений с постоянными коэффициентами:

Такие системы обычно решают, не сводя их к одному ДУ. Если то система называется однородной. Общее решение неоднородной системы (5) складывается из общего решения соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения неоднородной системы (как и в случае одного линейного ДУ).

Для построения общего решения однородной системы сначала находят ее частное решение, имеющее вид

где — собственное значение матрицы системы, т.е. корень характеристического уравнения

а координаты собственного вектора находят из системы линейных однородных алгебраических уравнений

После этого строят общее решение однородной системы. Возможны следующие случаи.

1. Характеристическое уравнение (6) имеет два действительных различных корня k1 и k2. Этим корням отвечают два собственных вектора с координатами (координаты определяются с точностью до числовых множителей). Общее решение исходной однородной системы ДУ определяется линейной комбинацией частных решений

где — произвольные постоянные.

Пример 2. Решить систему

Решение. Характеристическое уравнение

имеет корни Система уравнений (7) для нахождения координат собственных векторов записывается в виде

Отсюда Взяв, например, получим Таким образом, первым частным решением однородной системы ДУ является (с точностью до постоянного множителя)

При аналогичным образом находим второе частное решение: Линейная комбинация двух найденных частных решений дает общее решение однородной системы:

В этом примере легко усматривается частное решение полной (неоднородной) системы: Поэтому общее решение исходной неоднородной системы ДУ имеет вид

2. Характеристическое уравнение (6). имеет пару комплексно сопряженных корней В этомслучае следует найти комплексное частное решение однородной системы ДУ (аналогично тому, как это делалось выше при отыскании частного решения, отвечающего действительному корню). Отделяя затем действительную и мнимую части комплексного решения, получим два действительных линейно независимых частных решения, линейная комбинация которых даст общее решение однородной системы ДУ.

Пример 3. Решить систему ДУ:

Решение. Характеристическое уравнение

имеет корни Система () для нахождения координат (комплексного) собственного вектора имеет вид

Из этой системы при находим одно из ненулевых решений: Соответствующее комплексное решение системы дается формулами — Отделяя здесь действительные и мнимые части и составляя их линейную комбинацию, получим общее решение системы:

3. Характеристическое уравнение (6) имеет один действительный двукратный корень Полный анализ этого случая проводится методами линейной алгебры. На практике решение системы удобно искать методом неопределенных коэффициентов в виде

Пример 4. Решить систему

Решение. Характеристическое уравнение

имеет двукратный корень Решение системы ищем в виде () при Подставляя эти выражения в исходную систему и сокращая на получим Отсюда видно, что а и можно считать произвольными числами (которые обозначим соответственно через и и что Таким образом, общее решение исходной однородной системы ДУ запишется в виде

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru