Файл: Операционный метод интегрирования линейных дифференциальных уравнений и линейных систем дифференциальных уравнений.docx
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 317
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Интегрирование оригинала сводится к делению изображения на p, то есть: На основе рассмотренных теорем можно составить таблицу преобразования Лапласа. В таблице (рисунок 1) приведены наиболее часто встречающиеся преобразования. Здесь - различные постоянные.
Рисунок 1-таблица преобразований Лапласа.1.3.Решение линейных систем обыкновенных дифференциальных уравненийДифференциальное уравнение - уравнение, связывающее значение некоторой неизвестной функции в некоторой точке и значение её производных различных порядков в той же точке. Дифференциальное уравнение содержит в своей записи неизвестную функцию, её производные и независимые переменные; однако не любое уравнение, содержащее производные неизвестной функции, является дифференциальным уравнением.Порядок дифференциального уравнения - наибольший порядок производных, входящих в него.Процесс решения дифференциального уравнения называется интегрированием.Все дифференциальные уравнения можно разделить на линейные и не линейные.Нелинейное дифференциальное уравнение - дифференциальное уравнение (обыкновенное или с частными производными), в которое по крайней мере одна из производных неизвестной функции (включая и производную нулевого порядка - саму неизвестную функцию) входит нелинейно.Иногда под Н.Д.У. понимается наиболее общее уравнение определенного вида. Напр., нелинейнымобыкновенным дифференциальным уравнением 1-го порядка наз. уравнение с произвольной функцией при этом линейное обыкновенное дифференциальное уравнение 1-го порядка соответствует частному случаюН. д. у. с частными производными 1-го порядка для неизвестной функции z от независимых переменных имеет вид:где F- произвольная функция своих аргументов;Решение дифференциальных уравнений - основное приложение операционного метода, основанного на преобразовании Лапласа.Операционный метод включает следующие этапы:
Операционный метод решения системы линейных дифференциальных уравнений включает следующие этапы:
С переменную y проделываем тот же самый путь, меняя в таблице «x» на «y». Используя те же преобразования, учитывая начальное условие , находим:Подставим найденные изображения в исходное уравнение: :Теперь в левых частях уравнений нужно собрать все слагаемые, в которых присутствует или . В правые частиуравнений необходимо перенести все остальные слагаемые:Далее в левой части каждого уравнения проводим вынесение за скобки: При этом на первых позициях следует разместить , а на вторых позициях :Полученную систему уравнений с двумя неизвестными обычно решают по формулам Крамера. Вычислим главный определитель системы:В результате расчёта определителя получен многочлен .Далее идет важный технический прием. Данный многочлен лучше сразу же попытаться разложить на множители. В этих целях следовало бы попробовать решить квадратное уравнение , но сразу можно заметить, что .Таким образом, наш главный определитель системы: , значит система имеет единственное решение.Дальнейшее решение проведем по методу Крамера:
В итоге получаем операторное решение системы:Преимуществом рассматриваемого задания является та особенность, что дроби обычно получаются несложными, и разбираться с ними значительно проще, нежели с дробями в задачах нахождения частного решения ДУ операционным методом. Далее решаем методом неопределенных коэффициентов, с помощью которого раскладываем каждую дробь на элементарные дроби:
| Оригинал | Изображение | Оригинал | Изображение |
| 1 | | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | (t) | |
| | | |
Рисунок 1-таблица преобразований Лапласа.1.3.Решение линейных систем обыкновенных дифференциальных уравненийДифференциальное уравнение - уравнение, связывающее значение некоторой неизвестной функции в некоторой точке и значение её производных различных порядков в той же точке. Дифференциальное уравнение содержит в своей записи неизвестную функцию, её производные и независимые переменные; однако не любое уравнение, содержащее производные неизвестной функции, является дифференциальным уравнением.Порядок дифференциального уравнения - наибольший порядок производных, входящих в него.Процесс решения дифференциального уравнения называется интегрированием.Все дифференциальные уравнения можно разделить на линейные и не линейные.Нелинейное дифференциальное уравнение - дифференциальное уравнение (обыкновенное или с частными производными), в которое по крайней мере одна из производных неизвестной функции (включая и производную нулевого порядка - саму неизвестную функцию) входит нелинейно.Иногда под Н.Д.У. понимается наиболее общее уравнение определенного вида. Напр., нелинейнымобыкновенным дифференциальным уравнением 1-го порядка наз. уравнение с произвольной функцией при этом линейное обыкновенное дифференциальное уравнение 1-го порядка соответствует частному случаюН. д. у. с частными производными 1-го порядка для неизвестной функции z от независимых переменных имеет вид:где F- произвольная функция своих аргументов;Решение дифференциальных уравнений - основное приложение операционного метода, основанного на преобразовании Лапласа.Операционный метод включает следующие этапы:
-
преобразование дифференциального уравнения с заданными начальными условиями по Лапласу; при этом образуется комплексное алгебраическое уравнение относительно изображения неизвестной функции; -
решение комплексного алгебраического уравнения; -
отыскание оригинала, искомого частного решения дифференциального уравнения, удовлетворяющего заданным начальным условиям.
Операционный метод решения системы линейных дифференциальных уравнений включает следующие этапы:
-
преобразование системы дифференциальных уравнений по Лапласу; при этом образуется система линейных алгебраических уравнений относительно изображений искомых функций; -
решение системы алгебраических уравнений, например, методом Крамера; -
отыскание оригиналов методами обратного преобразования Лапласа.
-
Речь идёт только о частном решении. -
В скобочках начальных условий
находятся строго нули, и ничто другое.
С переменную y проделываем тот же самый путь, меняя в таблице «x» на «y». Используя те же преобразования, учитывая начальное условие , находим:Подставим найденные изображения в исходное уравнение: :Теперь в левых частях уравнений нужно собрать все слагаемые, в которых присутствует или . В правые частиуравнений необходимо перенести все остальные слагаемые:Далее в левой части каждого уравнения проводим вынесение за скобки: При этом на первых позициях следует разместить , а на вторых позициях :Полученную систему уравнений с двумя неизвестными обычно решают по формулам Крамера. Вычислим главный определитель системы:В результате расчёта определителя получен многочлен .Далее идет важный технический прием. Данный многочлен лучше сразу же попытаться разложить на множители. В этих целях следовало бы попробовать решить квадратное уравнение , но сразу можно заметить, что .Таким образом, наш главный определитель системы: , значит система имеет единственное решение.Дальнейшее решение проведем по методу Крамера:
В итоге получаем операторное решение системы:Преимуществом рассматриваемого задания является та особенность, что дроби обычно получаются несложными, и разбираться с ними значительно проще, нежели с дробями в задачах нахождения частного решения ДУ операционным методом. Далее решаем методом неопределенных коэффициентов, с помощью которого раскладываем каждую дробь на элементарные дроби:
-
Разбираемся с первой дробью:
-
Вторую дробь разваливаем по аналогичной схеме, при этом корректнее использовать другие константы (неопределенные коэффициенты):
(t)