Системы обыкновенных дифференциальных уравнений

Содержание

Слайд 2

Дана система n уравнений с n неизвестными функциями

Нормальная система дифференциальных уравнений

Дана система n уравнений с n неизвестными функциями Нормальная система дифференциальных уравнений
(1) называется линейной, если функции , входящие в правые части, линейны относительно неизвестных функций :
(3)

Слайд 3

Система (3) называется неоднородной, если хотя бы одна из функций не равна

Система (3) называется неоднородной, если хотя бы одна из функций не равна
тождественно нулю.

Система (3) называется однородной, если все функции

Слайд 4

Запись системы (3) в матричной форме.

Обозначим
Коротко:

Запись системы (3) в матричной форме. Обозначим Коротко:

Слайд 5

Линейные однородные системы с постоянными коэффициентами

Пусть в системе (3) все коэффициенты постоянны

Линейные однородные системы с постоянными коэффициентами Пусть в системе (3) все коэффициенты
и .
(4)
Или в векторной форме .
Какой вид имеет общее решение системы ( 4)?

Слайд 6

Пусть

- одно решение системы (4),
- второе решение системы (4)
- n-ое решение

Пусть - одно решение системы (4), - второе решение системы (4) - n-ое решение системы (4)
системы (4)

Слайд 7

Определитель Вронского системы решений

В случае системы определителем Вронского для функций называется:
Система решений

Определитель Вронского системы решений В случае системы определителем Вронского для функций называется:
образует ФСР на
[a;b], если

Слайд 8

Теорема о структуре общего решения системы

Если решения образуют ФСР, то общее

Теорема о структуре общего решения системы Если решения образуют ФСР, то общее
решение этой системы находится по формуле:
, где
произвольные постоянные.

Слайд 9

Пусть n = 3
(5)
Решаем (5) методом Эйлера. Ищем частное решение

Пусть n = 3 (5) Решаем (5) методом Эйлера. Ищем частное решение
в виде:
Определим постоянные так, чтобы
было решением системы (5):

Слайд 10

После подстановки в (5) получим

следующую систему:
или
(6)
Это система линейных однородных алгебраических уравнений относительно

После подстановки в (5) получим следующую систему: или (6) Это система линейных
неизвестных имеет ненулевые решения, если ее основной определитель равен нулю:

Слайд 11

То есть

получаем характеристическое уравнение системы (5):
Получим уравнение третьей степени относительно k. Значит

То есть получаем характеристическое уравнение системы (5): Получим уравнение третьей степени относительно
оно имеет 3 корня, действительных или комплексных, простых или кратных.

Слайд 12

Первый случай: корни характеристического уравнения действительные и различные.

В этом случае мы получаем

Первый случай: корни характеристического уравнения действительные и различные. В этом случае мы
три следующих частных решения системы (5):
При этом найдем значения постоянных как
решение системы (6), полагая последовательно
.

Слайд 13

Можно показать, что .

Следовательно, образуют фундаментальную систему решений для (5), и

Можно показать, что . Следовательно, образуют фундаментальную систему решений для (5), и
тогда общее решение системы (5) будет:
.
Или подробнее

Слайд 14

Пример (первый способ)

Пример (первый способ)

Слайд 15

Пример (второй способ)

Дана та же система дифференциальных уравнений
. Ищем решение в

Пример (второй способ) Дана та же система дифференциальных уравнений . Ищем решение в виде:
виде:

Слайд 16

Общее решение:

По теореме о структуре общего решения
Пусть тогда

Общее решение: По теореме о структуре общего решения Пусть тогда

Слайд 17

Случай комплексных корней характеристического уравнения

Пусть корни характеристического уравнения - комплексно-сопряженные.
Y и заменим

Случай комплексных корней характеристического уравнения Пусть корни характеристического уравнения - комплексно-сопряженные. Y
на пару действительных решений:
и

Слайд 18

Пример

Пример

Слайд 19

Выделяем действительную и мнимую части

Получим:
Общее решение: значит

Выделяем действительную и мнимую части Получим: Общее решение: значит

Слайд 20

Кратные корни характеристического уравнения

Например, корень характеристического уравнения имеет кратность 3, то решение

Кратные корни характеристического уравнения Например, корень характеристического уравнения имеет кратность 3, то
нужно искать в виде:
Числа находятся
методом неопределенных
коэффициентов.

Слайд 21

Пример

Дана система двух уравнений:
, характеристическое уравнение:
Ищем решение системы в виде:
Найдем производные

Пример Дана система двух уравнений: , характеристическое уравнение: Ищем решение системы в
и подставим в данную систему:

Слайд 22

Разделим на

Получим:
Приравняем коэффициенты при x :
Приравняем коэффициенты при :

Разделим на Получим: Приравняем коэффициенты при x : Приравняем коэффициенты при :

Слайд 23

Получаем систему:
2 уравнения с 4-мя неизвестными, 2 из них являются свободными. Пусть

Получаем систему: 2 уравнения с 4-мя неизвестными, 2 из них являются свободными. Пусть тогда Ответ:
тогда
Ответ:

Слайд 24

Неоднородные системы дифференциальных уравнений

Найти общее решение:
(1)
Соответствующая однородная система:
Ее общее решение: .
Подставляем

Неоднородные системы дифференциальных уравнений Найти общее решение: (1) Соответствующая однородная система: Ее
эти значения в (1), считая неизвестными функциями x.

Слайд 25

После приведения, получим систему:
Решая ее относительно и затем интегрируя, получим

После приведения, получим систему: Решая ее относительно и затем интегрируя, получим