Оглавление:
Также как и обыкновенные дифференциальные уравнения, системы дифференциальных уравнений применяются для описания многих процессов реальной действительности. В частности, к ним относятся различного рода физические и химические процессы, процессы нефте- и газодобычи, геологии, экономики и т.д. Действительно, если некоторые физические величины (перемещение тела, пластовое давление жидкости в фиксированной точке с тремя координатами, концентрация веществ, объемы продаж продуктов) оказываются меняющимися со временем под воздействием тех или иных факторов, то, как правило, закон их изменения по времени описывается именно системой дифференциальных уравнений, т.е. системой, связывающей исходные переменные как функции времени и производные этих функций. Независимой переменной в системе дифференциальных уравнений может выступать не только время, но и другие физические величины: координата, цена продукта и т.д.
Решение систем дифференциальных уравнений
К системе дифференциальных уравнений приводит уже простейшая задача динамики точки: даны силы, действующие на материальную точку; найти закон движения, т. е. найти функции выражающие зависимость координат движущейся точки от времени. Система, которая при этом получается, в общем случае имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-71974.png)
Здесь x, у, z — координаты движущейся точки, t — время, f, g, h — известные функции своих аргументов.
Система вида (1) называется канонической. Обращаясь к общему случаю системы т дифференциальных уравнений с т неизвестными функциями аргумента t, назовем канонической систему вида
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-71976.png)
разрешенную относительно старших производных. Система уравнений первого порядка, разрешенных относительно производных от искомых функций,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-71977.png)
называется нормальной.
Если в (2) принять за новые вспомогательные функции, то общую каноническую систему (2) можно заменить эквивалентной ей нормальной системой, состоящей из
уравнений. Поэтому достаточно рассматривать лишь нормальные системы.
Например, одно уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-71981.png)
является мастным случаем канонической системы. Положив в силу исходного уравнения будем иметь
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72046.png)
В результате получаем нормальную систему уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72047.png)
эквивалентную исходному уравнению.
Определение:
Решением нормальной системы (3) на интервале (а, Ь) изменения аргумента t называется всякая система n функций
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72051.png)
дифференцируемых на интервале а < t < b, обращающая уравнения системы (3) в тождества по t на интервале (а, b).
Задача Коши для системы (3) формулируется так: найти решение (4) системы, удовлетворяющее при начальным условиям
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72055.png)
Теорема:
Существования и единственности решения задачи Коши. Пусть имеем нормальную систему дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72058.png)
и пусть функции определены в некоторой (n + 1) — мерной области D изменения переменных
Если существует окрестность
точки
в которой функции fi непрерывны по совокупности аргументов и имеют ограниченные частные производные по переменным
то найдется интервал
изменения t, на котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72092.png)
Определение:
Система n функций
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72093.png)
зависящих от t и n произвольных постоянных называется общим решением нормальной системы (3) в некоторой области
существования и единственности решения задачи Коши, если
1) при любых допустимых значениях система функций (6) обращает уравнения (3) в тождества,
2) в области функции (6) решают любую задачу Коши.
Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных называются частными решениями.
Обратимся для наглядности к нормальной системе двух уравнений,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72165.png)
Будем рассматривать систему значений t, x1, х2 как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат Решение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72174.png)
системы (7), принимающее при значения
определяет в пространстве некоторую линию, проходящую через точку
Эта линия называется интегральной кривой нормальной системы (7). Задача Коши для системы (7) получает следующую геометрическую формулировку: в пространстве переменных t, x1, х2 найти интегральную кривую, проходящую через данную точку
(рис. 1). Теорема 1 устанавливает существование и единственность такой кривой.
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72201.png)
Нормальной системе (7) и ее решению можно придать еще такое истолкование: будем независимую переменную t рассматривать как параметр, а решение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72199.png)
системы — как параметрические уравнения кривой на плоскости Эту плоскость переменных х1х2 называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение
системы (7), принимающее при t = to начальные значения
изображается кривой АВ, проходящей через точку
(рис. 2). Эту кривую называют траекторией системы (фазовой траекторией). Траектория системы (7) есть проекция интегральной кривой на фазовую плоскость. По интегральной кривой фазовая траектория определяется однозначно, но не наоборот.
Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений
Метод исключения
Один из методов интегрирования — метод исключения. Частным случаем канонической системы является одно уравнение n-го порядка, разрешенное относительно старшей производной
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72257.png)
Введя новые функции заменим это уравнение следующей нормальной системой n уравнений:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72266.png)
т. е. одно уравнение n-го порядка эквивалентно нормальной системе (1)
Можно утверждать и обратное, что, вообще говоря, нормальная система п уравнений первого порядка эквивалентна одному уравнению порядка n. На этом и основан метод исключения для интегрирования систем дифференциальных уравнений.
Делается это так. Пусть имеем нормальную систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72275.png)
Продифференцируем первое из уравнений (2) по t. Имеем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72276.png)
Заменяя в правой части производные их выражениями
получим
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72295.png)
Уравнение (3) снова дифференцируем по t. Принимая во внимание систему (2), получим
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72301.png)
Продолжая этот процесс, найдем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72314.png)
Предположим, что определитель
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72317.png)
(якобиан системы функций отличен от нуля при рассматриваемых значениях
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72328.png)
Тогда система уравнений, составленная из первого уравнения системы (2) и уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72336.png)
будет разрешима относительно неизвестных При этом
выразятся через
Внося найденные выражения в уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72354.png)
получим одно уравнение n-го порядка
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72355.png)
Из самого способа его построения следует, что если есть решения системы (2), то функция х1(t) будет решением уравнения (5).
Обратно, пусть Х1(t) — решение уравнения (5). Дифференцируя это решение по t, вычислим и подставим найденные значения как известные функции
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72368.png)
от t в систему уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72378.png)
По предположению эту систему можно разрешить относительно т. е найти
как функции от t.
Можно показать, что так построенная система функций
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72384.png)
составляет решение системы дифференциальных уравнений (2). Пример:
Требуется проинтегрировать систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72387.png)
Дифференцируя первое уравнение системы, имеем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72390.png)
откуда, используя второе уравнение, получаем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72392.png)
— линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами с одной неизвестной функцией. Его общее решение имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72397.png)
В силу первого уравнения системы находим функцию
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72401.png)
Найденные функции x(t), y(t), как легко проверить, при любых значениях С1 и С2 удовлетворяют заданной системе.
Функции x(t), y(t) можно представить в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72404.png)
откуда видно, что интегральные кривые системы (6) — винтовые линии с шагом и с общей осью х = у = 0, которая также является интегральной кривой (рис. 3).
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72412.png)
Исключая в формулах (7) параметр t, получаем уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72414.png)
так что фазовые траектории данной системы суть окружности с центром в начале координат — проекции винтовых линий на плоскость хОу.
При А = 0 фазовая траектория состоит из одной точки х = 0, у = 0, называемой точкой покоя системы.
Замечание:
Может оказаться, что функции нельзя выразить через
Тогда уравнения n-го порядка, эквивалентного исходной системе, мы не получим. Вот простой пример. Систему уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72425.png)
нельзя заменить эквивалентным уравнением второго порядка относительно х1 или x2. Эта система составлена из пары уравнений 1-го порядка, каждое из которых интегрируется независимо, что дает
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72430.png)
Метод интегрируемых комбинаций
Интегрирование нормальных систем дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72459.png)
иногда осуществляется методом интегрируемых комбинаций.
Интегрируемой комбинацией называется дифференциальное уравнение, являющееся следствием уравнений (8), но уже легко интегрирующееся.
Пример:
Проинтегрировать систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72463.png)
Складывая почленно данные уравнения, находим одну интегрируемую комбинацию:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72466.png)
Вычитая почленно из первого уравнения системы второе, получаем вторую интегрируемую комбинацию:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72470.png)
Мы нашли два конечных уравнения
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72476.png)
из которых легко определяется общее решение системы:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72481.png)
Одна интегрируемая комбинация дает возможность получить одно уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72484.png)
связывающее независимую переменную t и неизвестные функции Такое конечное уравнение называется первым интегралом системы (8). Иначе: первым интегралом системы дифференциальных уравнений (8) называется дифференцируемая функция
не равная тождественно постоянной, но сохраняющая постоянное значение на любой интегральной кривой этой системы.
Если найдено п первых интегралов системы (8) и все они независимы, т. е. якобиан системы функций отличен от нуля:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72499.png)
то задача интефирования системы (8) решена (так как из системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72500.png)
определяются все неизвестные функции
Системы линейных дифференциальных уравнений
Система дифференциальных уравнений называется линейной, если она линейна относительно неизвестных функций и их производных, входящих в уравнение. Система n линейных уравнений первого порядка, записанная в нормальной форме, имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72511.png)
или, в матричной форме,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72519.png)
Теорема:
Если все функции непрерывны на отрезке
то в достаточно малой окрестности каждой точки
где
выполнены условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши, следовательно, через каждую такую точку проходит единственная интегральная кривая системы (1).
Действительно, в таком случае правые части системы (1) непрерывны по совокупности аргументов t, и их частные производные по
ограничены, так как эти производные равны непрерывным на отрезке [а,b] коэффициентам
Введем линейный оператор
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72536.png)
Тогда система (2) запишется в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72537.png)
Если матрица F — нулевая, т. е. на интервале (а,b), то система (2) называется линейной однородной и имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72542.png)
Приведем некоторые теоремы, устанавливающие свойства решений линейных систем.
Теорема:
Если X(t) является решением линейной однородной системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72543.png)
то cX(t), где с — произвольная постоянная, является решением той же системы.
Теорема:
Сумма
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72694.png)
двух решений однородной линейной системы уравнений является решением той же системы.
Следствие:
Линейная комбинация
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72699.png)
с произвольными постоянными коэффициентами сi решений линейной однородной системы дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72708.png)
является решением той же системы.
Теорема:
Если есть решение линейной неоднородной системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72712.png)
a Xo(t) — решение соответствующей однородной системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72713.png)
будет решением неоднородной системы
Действительно, по условию,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72718.png)
Пользуясь свойством аддитивности оператора получаем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72720.png)
Это означает, что сумма есть решение неоднородной системы уравнений
Определение:
Векторы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72734.png)
называются линейно зависимыми на интервале a < t < b, если существуют постоянные числа , такие, что
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72740.png)
при причем по крайней мере одно из чисел аi, не равно нулю. Если тождество (5) справедливо только при
то векторы
называются линейно независимыми на (а, b).
Заметим, что одно векторное тождество (5) эквивалентно n тождествам:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72756.png)
Определитель
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72759.png)
называется определителем Вронского системы векторов
Определение:
Пусть имеем линейную однородную систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72767.png)
где матрица с элементами
Система n решений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-72772.png)
линейной однородной системы (6), линейно независимых на интервале а < t < Ь, называется фундаментальной.
Теорема:
Определитель Вронского W(t) фундаментальной на интервале а < t < b системы решений линейной однородной системы (6) с непрерывными на отрезке коэффициентами
отличен от нуля во всех точках интервала (а, Ь)
Теорема:
О структуре общего решения линейной однородной системы. Общим решением в области линейной однородной системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73283.png)
с непрерывными на отрезке коэффициентами
является линейная комбинация п линейно независимых на интервале а < t < b решений
системы (6) :
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73289.png)
() — произвольные постоянные числа).
Пример:
Система
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73296.png)
имеет, как нетрудно проверить, решения
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73300.png)
Эти решения линейно независимы, так как определитель Вронского отличен от нуля:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73301.png)
Общее решение системы имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73303.png)
(с1, с2 — произвольные постоянные).
Фундаментальная матрица
Квадратная матрица
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73307.png)
столбцами которой являются линейно независимые решения системы (6), называется фундаментальной матрицей этой системы. Нетрудно проверить, что фундаментальная матрица удовлетворяет матричному уравнению
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73319.png)
Если Х(t) — фундаментальная матрица системы (6), то общее решение системы можно представить в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73324.png)
— постоянная матрица-столбец с произвольными элементами. Полагая в (7) t = t0, имеем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73332.png)
откуда
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73334.png)
следовательно,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73335.png)
Матрица называется матрицей Коши. С ее помощью решение системы (6) можно представить так:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73340.png)
Теорема:
О структуре общего решения линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений. Общее решение в области линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73350.png)
с непрерывными на отрезке коэффициентами aij(t) и правыми частями fi(t) равно сумме общего решения
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73352.png)
соответствующей однородной системы и какого-нибудь частного решения неоднородной системы (2):
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73358.png)
Метод вариации постоянных
Если известно общее решение линейной однородной системы (6), то частное решение неоднородной системы можно находить методом вариации постоянных (метод Лагранжа).
Пусть
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73362.png)
есть общее решение однородной системы (6), тогда
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73364.png)
причем решения Xk(t) линейно независимы.
Будем искать частное решение неоднородной системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73366.png)
где неизвестные функции от t. Дифференцируя
по t, имеем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73371.png)
Подставляя в (2), получаем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73379.png)
Так как
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73384.png)
то для определения получаем систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73387.png)
или, в развернутом виде,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73388.png)
Система (10) есть линейная алгебраическая система относительно определителем которой является определитель Вронского W(t) фундаментальной системы решений
. Этот определитель отличен от нуля всюду на интервале a < t < Ь, так что система (10) имеет единственное решение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73398.png)
где — известные непрерывные функции. Интегрируя последние соотношения, находим
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73403.png)
Подставляя эти значения в (9), находим частное решение системы (2)
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73413.png)
(здесь под символом понимается одна из первообразных для функции
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Рассмотрим линейную систему дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73423.png)
в которой все коэффициенты — постоянные. Чаще всего такая система интегрируется сведением ее к одному уравнению более высокого порядка, причем это уравнение будет также линейным с постоянными коэффициентами. Другой эффективный метод интегрирования систем с постоянными коэффициентами — метод преобразования Лапласа.
Мы рассмотрим еще метод Эйлера интегрирования линейных однородных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Он состоит в следующем.
Метод Эйлера
Будем искать решение системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73451.png)
где — постоянные. Подставляя Xk в форме (2) в систему (1), сокращая на
и перенося все члены в одну часть равенства, получаем систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73466.png)
Для того, чтобы эта система (3) линейных однородных алгебраических уравнений с n неизвестными имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы ее определитель был равен нулю:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73474.png)
Уравнение (4) называется характеристическим. В его левой части стоит многочлен относительно степени n. Из этого уравнения определяются те значения
, при которых система (3) имеет нетривиальные решения
. Если все корни
характеристического уравнения (4) различны, то, подставляя их по очереди в систему (3), находим соответствующие им нетривиальные решения
этой системы n, следовательно, находим п решений исходной системы дифференциальных уравнений (1) в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73497.png)
где второй индекс указывает номер решения, а первый — номер неизвестной функции. Построенные таким образом п частных решений линейной однородной системы (1)
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73500.png)
образуют, как можно проверить, фундаментальную систему решений этой системы.
Следовательно, общее решение однородной системы дифференциальных уравнений (1) имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73505.png)
где произвольные постоянные.
Случай, когда характеристическое уравнение имеет кратные корни, мы рассматривать не будем.
Пример:
Решить систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73520.png)
Ищем решение в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73524.png)
Характеристическое уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73526.png)
имеет корни
Система (3) для определения a1, а2 выглядит так:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73534.png)
Подставляя в (*) получаем
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73541.png)
откуда а21 = а11. Следовательно,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73547.png)
Полагая в находим a22 = — a12, поэтому
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73563.png)
Общее решение данной системы:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73564.png)
Матричный метод
Изложим еще матричный метод интегрирования однородной системы (1). Запишем систему (1) в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73569.png)
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73574.png)
матрица с постоянными действительными элементами
Напомним некоторые понятия из линейной алгебры. Вектор называется собственным вектором матрицы А, если
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73602.png)
Число называется собственным значением матрицы А, отвечающим собственному вектору g, и является корнем характеристического уравнения
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73605.png)
где I — единичная матрица.
Будем предполагать, что все собственные значения матрицы А различны. В этом случае собственные векторы g1, g2, …gn линейно независимы и существует
матрица Т, приводящая матрицу А к диагональному виду, т. е. такая, что
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73615.png)
Столбцами матрицы Т являются координаты собственных векторов g1, g2 …, gn матрицы А.
Введем еще следующие понятия. Пусть В(t) — матрица, элементы
которой суть функции аргумента t, определенные на множестве
. Матрица В(t) называется непрерывной на
, если непрерывны на
все ее элементы
. Матрица В(t) называется дифференцируемой на
, если дифференцируемы на
все элементы
этой матрицы. При этом производной матрицы
называется матрица, элементами которой являются производные
у соответствующих элементов матрицы В(t).
Пусть B(t) — n х n-матрица,
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73662.png)
— вектор-столбец. Учитывая правила алгебры матриц, непосредственной проверкой убеждаемся в справедливости формулы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73666.png)
В частности, если В — постоянная матрица, то
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-73669.png)
так как есть нуль-матрица.
Теорема:
Если собственные значения матрицы А различны, то общее решение системы (7) имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75302.png)
где g1, g2,…, gn — собственные векторы-столбцы матрицы А, произвольные постоянные числа.
Введем новый неизвестный вектор-столбец Y(t) по формуле
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75310.png)
где Т — матрица, приводящая матрицу А к диагональному виду. Подставляя X(t) из (11) в (7), получим систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75312.png)
Умножая обе части последнего соотношения слева на и учитывая, что
придем к системе
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75322.png)
Мы получили систему из n независимых уравнений, которая без труда интегрируется:
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75327.png)
Здесь — произвольные постоянные числа.
Вводя единичные n-мерные векторы-столбцы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75334.png)
решение Y(t) можно представить в виде
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75337.png)
В силу (11) Х(t) = TY(t). Так как столбцы матрицы Т есть собственные векторы матрицы собственный вектор матрицы А. Поэтому, подставляя (13) в (11), получим формулу (10):
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75342.png)
Таким образом, если матрица А системы дифференциальных уравнений (7) имеет различные собственные значения, для получения общего решения этой системы:
1) находим собственные значения матрицы как корни алгебраического уравнения
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75344.png)
2) находим все собственные векторы g1, g2,…, gn;
3) выписываем общее решение системы дифференциальных уравнений (7) по формуле (10).
Пример:
Решить систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75347.png)
Матрица А системы имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75349.png)
1) Составляем характеристическое уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75352.png)
Корни характеристического уравнения
2) Находим собственные векторы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75357.png)
Для = 4 получаем систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75360.png)
откуда g11 = g12, так что
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75362.png)
Аналогично для = 1 находим
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75363.png)
3) Пользуясь формулой (10), получаем общее решение системы дифференциальных уравнений
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75365.png)
Корни характеристического уравнения могут быть действительными и комплексными. Так как по предположению коэффициенты системы (7) действительные, то характеристическое уравнение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75366.png)
будет иметь действительные коэффициенты. Поэтому наряду с комплексным корнем оно будет иметь и корень
*, комплексно сопряженный с
. Нетрудно показать, что если g — собственный вектор, отвечающий собственному значению
, то
* — тоже собственное значение, которому отвечает собственный вектор g*, комплексно сопряженный с g.
При комплексном решение
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75385.png)
системы (7) также будет комплексным. Действительная часть
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75393.png)
и мнимая часть
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75395.png)
этого решения являются решениями системы (7). Собственному значению * будет отвечать пара действительных решений X1 и -Х2, т. е. та же пара, что и для собственного значения
. Таким образом, паре
,
* комплексно сопряженных собственных значений отвечает пара действительных решений системы (7) дифференциальных уравнений.
Пусть — действительные собственные значения,
— комплексные собственные значения. Тогда всякое действительное решение системы (7) имеет вид
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75407.png)
где сi — произвольные постоянные.
Пример:
Решить систему
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75408.png)
Матрица системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75409.png)
1) Характеристическое уравнение системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75410.png)
Его корни
2) Собственные векторы матриц
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75413.png)
3) Решение системы
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75418.png)
где а1, а2 — произвольные комплексные постоянные.
Найдем действительные решения системы. Пользуясь формулой Эйлера
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75425.png)
Следовательно, всякое действительное решение системы имеет
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75451.png)
![Решение систем дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/image-75456.png)
где с1, с2 — произвольные действительные числа.
Понятие о системах дифференциальных уравнений
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/1-407.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_1-106.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_2-101.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_3-94.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_4-75.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_5-60.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_6-48.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_7-36.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_8-29.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_9-29.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_10-25.png)
![Понятие о системах дифференциальных уравнений](https://lfirmal.com/wp-content/uploads/2019/12/Screenshot_12-21.png)
Смотрите также:
Экстремальные значения функции нескольких переменных | Двойной интеграл |
Полный дифференциал | Тройной интеграл |
Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:
- Тождественные преобразования алгебраических выражений
- Функции и графики
- Преобразования графиков функций
- Квадратная функция и её графики
- Алгебраические неравенства
- Неравенства
- Неравенства с переменными
- Прогрессии в математике
- Арифметическая прогрессия
- Геометрическая прогрессия
- Показатели в математике
- Логарифмы в математике
- Исследование уравнений
- Уравнения высших степеней
- Уравнения высших степеней с одним неизвестным
- Комплексные числа
- Непрерывная дробь (цепная дробь)
- Алгебраические уравнения
- Неопределенные уравнения
- Соединения
- Бином Ньютона
- Число е
- Непрерывные дроби
- Функция
- Исследование функций
- Предел
- Интеграл
- Двойной интеграл
- Тройной интеграл
- Интегрирование
- Неопределённый интеграл
- Определенный интеграл
- Криволинейные интегралы
- Поверхностные интегралы
- Несобственные интегралы
- Кратные интегралы
- Интегралы, зависящие от параметра
- Квадратный трехчлен
- Производная
- Применение производной к исследованию функций
- Приложения производной
- Дифференциал функции
- Дифференцирование в математике
- Формулы и правила дифференцирования
- Дифференциальное исчисление
- Дифференциальные уравнения
- Дифференциальные уравнения первого порядка
- Дифференциальные уравнения высших порядков
- Дифференциальные уравнения в частных производных
- Тригонометрические функции
- Тригонометрические уравнения и неравенства
- Показательная функция
- Показательные уравнения
- Обобщенная степень
- Взаимно обратные функции
- Логарифмическая функция
- Уравнения и неравенства
- Положительные и отрицательные числа
- Алгебраические выражения
- Иррациональные алгебраические выражения
- Преобразование алгебраических выражений
- Преобразование дробных алгебраических выражений
- Разложение многочленов на множители
- Многочлены от одного переменного
- Алгебраические дроби
- Пропорции
- Уравнения
- Системы уравнений
- Системы уравнений высших степеней
- Системы алгебраических уравнений
- Системы линейных уравнений
- Арифметический квадратный корень
- Квадратные и кубические корни
- Извлечение квадратного корня
- Рациональные числа
- Иррациональные числа
- Арифметический корень
- Квадратные уравнения
- Иррациональные уравнения
- Последовательность
- Ряды сходящиеся и расходящиеся
- Тригонометрические функции произвольного угла
- Тригонометрические формулы
- Обратные тригонометрические функции
- Теорема Безу
- Математическая индукция
- Показатель степени
- Показательные функции и логарифмы
- Множество
- Множество действительных чисел
- Числовые множества
- Преобразование рациональных выражений
- Преобразование иррациональных выражений
- Геометрия
- Действительные числа
- Степени и корни
- Степень с рациональным показателем
- Тригонометрические функции угла
- Тригонометрические функции числового аргумента
- Тригонометрические выражения и их преобразования
- Преобразование тригонометрических выражений
- Комбинаторика
- Вычислительная математика
- Прямая линия на плоскости и ее уравнения
- Прямая и плоскость
- Линии и уравнения
- Прямая линия
- Уравнения прямой и плоскости в пространстве
- Кривые второго порядка
- Кривые и поверхности второго порядка
- Числовые ряды
- Степенные ряды
- Ряды Фурье
- Преобразование Фурье
- Функциональные ряды
- Функции многих переменных
- Метод координат
- Гармонический анализ
- Вещественные числа
- Предел последовательности
- Аналитическая геометрия
- Аналитическая геометрия на плоскости
- Аналитическая геометрия в пространстве
- Функции одной переменной
- Высшая алгебра
- Векторная алгебра
- Векторный анализ
- Векторы
- Скалярное произведение векторов
- Векторное произведение векторов
- Смешанное произведение векторов
- Операции над векторами
- Непрерывность функций
- Предел и непрерывность функций нескольких переменных
- Предел и непрерывность функции одной переменной
- Производные и дифференциалы функции одной переменной
- Частные производные и дифференцируемость функций нескольких переменных
- Дифференциальное исчисление функции одной переменной
- Матрицы
- Линейные и евклидовы пространства
- Линейные отображения
- Дифференциальные теоремы о среднем
- Теория устойчивости дифференциальных уравнений
- Функции комплексного переменного
- Преобразование Лапласа
- Теории поля
- Операционное исчисление
- Системы координат
- Рациональная функция
- Интегральное исчисление
- Интегральное исчисление функций одной переменной
- Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- Отношение в математике
- Математическая логика
- Графы в математике
- Линейные пространства
- Первообразная и неопределенный интеграл
- Линейная функция
- Выпуклые множества точек
- Система координат