- •Линейные уравнения и системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
- •§1. Линейные уравнения с постоянными коэффициентами
- •§ 2. Линейные нормальные системы с постоянными коэффициентами
- •Дифференциальные уравнения первого порядка
- •4. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Уравнение Бернулли.
§ 2. Линейные нормальные системы с постоянными коэффициентами
1. Линейные нормальные однородные системы с постоянными коэффициентами. Рассмотрим систему
,
(1)
где
постоянная матрица. Опишем методы
интегрирования системы (1).
10. Метод Эйлера. Решение системы
(1) ищут в виде
где
искомые постоянные числа, причем хотя
бы одно число
,
.
Подставляя
в систему (1) и сокращая на
получаем систему
ЛОАУ с
неизвестными
.
(2)
Для того, чтобы она имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы ее детерминант не был равен нулю:
.
(3)
Равенство (3) называют характеристическим
уравнением системы (1). Находя
из (3), для каждого из
находим соответствующий собственный
вектор
матрицы
,
определенный системой (2).
Рассмотрим следующие случаи:
а) Корни
характеристического уравнения
действительные и различны. Тогда
матрица
имеет
линейно независимых собственных векторов
,
где
.
Тогда решением системы будут вектор-функции
.
Функции
линейно независимы, значит, образуют
базис решений системы (1).
Действительно,
для матрицы
имеем
,
так как его столбцы –
линейно независимые собственные векторы.
Таким образом, общее решение системы линейных однородных уравнений с постоянными коэффициентами в случае действительных различных корней характеристического уравнения имеет вид
.
б) Корни характеристического
уравнения комплексные, а именно паре
комплексно сопряженных корней
характеристического уравнения
соответствует пара действительных
решений
,
.
Общее решение системы (1) в
этом случае
.
в) Среди корней
характеристического уравнения есть
кратные. Если
есть характеристическое число кратности
,
то ему соответствуют решения вида
,
(4)
где
– полиномы от
степени не выше, чем
,
которые в совокупности имеют
произвольных коэффициентов, причем все
остальные коэффициенты этих полиномов
выражаются через эти
произвольных коэффициента.
На практике при
нахождении решения, соответствующего
характеристическому числу
,
полиномы
считают полинмами (
)
степени с неопределенными коэффициентами.
Подставляя (4) в (1) и сравнивая коэффициенты
при одинаковых степенях
слева и справа, необходимо выразить все
коэффициенты через
из них, которые остаются произвольными.
Все полученные таким образом линейно независимые решения в свокупности образуют ФСР. Тогда общее решение системы имеет вид .
20. Решение с помощью матриц. Решение строится, используя понятие жордановой нормальной формы матрицы.
Набор векторов
называют жордановой цепочкой матрицы
,
если
.
Вектор
–
собственный, векторы
называются присоединенными.
Теорема о
структуре решения системы (1). Для
произвольной квадратной матрицы
порядка
существует базис
,
состоящий из жордановых цепочек
,
,...,
,
соответствующих собственным значениям
матрицы
.
Причем, для каждой такой цепочки
существует система решений, так что
решения системы (1) записываются
(5)
При этом формула
,
(6)
где
–
константы, всегда дает решение системы
(1) и каждое решение системы (1) описывается
формулой (6).
2. Линейные неоднородные системы. Рассмотрим линейную неоднородную систему
,
(7)
где
–
вектор-функция с непрерывными на
компонентами,
и
определены.
Теорема
(о структуре общего решения линейной
неоднородной системы дифференциальных
уравнений). Общее
решение системы (7) имеет вид
,
где
–
ФСР соответствующей однородной системы,
некоторое частное решение системы (7).
Для
системы
имеет место принцип суперпозиций частных
решений.
Систему линейных неоднородных уравнений можно решать:
1) методом исключения путем приведения ее к одному уравнению -го порядка,
2) методом
вариации произвольных постоянных.
Пусть базис решений системы
известен и
–
есть общее ее решение,
=col(
).
Заменим
на
,
продифференцируем
и подставим
и
в (7). Получим
или, с учетом, что
–
фундаментальная матрица соответствующей
однородной системы,
Отсюда
(
–
будет сущствовать, так как
).
Будем иметь
,
Тогда общее решение системы (1)
(8)
3) Метод
неопределенных коэффициентов. Если
то частное решение неоднородной системы
(7) находят по правилам, определенным
следующей теоремой.
Теорема.
Частное
решение системы
где
-векторный
полином степени
комплексное число, имеет вид
причем
векторный полином с компонентами
степени, не большей, чем
,
а число
совпадает с кратностью
в характеристическом уравнении.
Неизвестные
коэффициенты полиномов
(компонент
)
определяются путем подстановки и
сравнения коэффициентов подобных
членов, а действительные решения
выделяются так же, как и в методе Эйлера.
4)
Построение интегрируемых комбинаций.
Метод Даламбера. Рассмотрим
этот метод в случае системы двух уравнений
Умножая второе уравнение системы на
чило
и складывая с первым уравнением, получим
.
Перепишем
последнее уравнение в виде (
)
.
(9)
Выберем
так, чтобы
.
Тогда (9) приведется к линейному
относительно
виду
,
интегрируя которое, получим
.
(10)
Если
уравнение
имеет разные действительные корни
и
,
то из (10) получим два независимых первых
интеграла данной системы, значит,
интегрирование будет закончено.
