Аналитический метод решения систем линейных однородных дифференциальных уравнений
Рассматривается система линейных однородных дифференциальных уравнений (СЛДУ) первого порядка
. | (7.14) |
Система (7.14), когда в левой части уравнений стоят производные, а правая часть производных не содержит, называется нормальной. Путем замены переменных (например, ) к нормальному виду может быть приведена любая нелинейная система ДУ с производными высших порядков.
В матричной форме записи система (7.14) может быть представлена уравнением:
, | (7.15) |
где
; ; .
Пример. Привести к нормальной форме записи уравнение вида
.
Выполним замену переменных , , тогда исходное ДУ преобразуется в систему
Эта система может быть представлена в виде, приемлемом для матричной формы
Принимая во внимание, что любая матрица является отражением линейного преобразования, можно заметить, что система ДУ ставит в соответствие вектору переменных вектор производных (образ исходного вектора), . Далее этот тезис будет расширен.
В разделе 7.5 было сказано, что существует такой базис (система собственных векторов ), где матрица линейного преобразования является диагональной . В базисе . Нетрудно получить решение представленных ДУ. Оно имеет вид
, | (7.16) |
или в матричной форме
,
где - функциональная матрица (квадратная, порядка n), диагональными элементами которой являются экспоненциальные функции , , а недиагональные элементы равны нулю.
.
Учитывая преобразования перехода к старому базису, получаем
, | (7.17) |
где Н - матрица, состоящая из собственных векторов .
При t=0 матрица преобразуется в единичную, В результате получаем
.
Окончательно, решение СЛДУ
(7.18) |
Пример. Найти решение системы линейных однородных дифференциальных уравнений
с начальными условиями : , ,.
Матрица А имеет вид: . Для нахождения собственных чисел составим характеристический определитель
.
Найдем корни характеристического уравнения , которые одновременно являются собственными числами матрицы А: и .
Определим собственные вектора.
Для характеристическая матрица имеет вид
.
Строки полученной матрицы являются линейно-зависимыми. Решим систему уравнений для определения первого собственного вектора
при получим значение , тогда .
Аналогично определим второй собственный вектор .
Матрица имеет вид , а обратная к ней
.
Решение рассматриваемой системы дифференциальных уравнений получается в виде (7.18),
или .
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 553;