- •Решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и нулевыми начальными условиями с помощью интегралов Дюамеля
- •Типовой расчет
- •1. По данному графику оригинала найти изображение:
- •2. Найти оригинал по заданному изображению:
- •4. Операционным методом решить задачу Коши:
- •5. Решить систему дифференциальных уравнений:
Лекция 2.
Применение операционного исчисления к решению линейных дифференциальных уравнений и систем уравнений с постоянными коэффициентами
Пусть требуется найти частное решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами
, (1)
удовлетворяющее начальным условиям
, (2)
где - заданные числа.
Будем считать, что искомая функция вместе с ее производными до – го порядка и функция являются оригиналами.
Обозначим: и . Пользуясь свойством дифференцирования оригинала и свойством линейности, перейдем в дифференциальном уравнении от оригиналов к изображениям:
.
или
. (3)
Полученное алгебраическое уравнение, линейное относительно изображения, называют операторным (или уравнением в изображениях). По найденному из него изображению , можно найти оригинал , используя таблицу и свойства преобразования Лапласа.
Пример 1. Операционным методом решить задачу Коши
, , .
Решение. Пусть . Тогда ,
.
По таблице оригиналов и изображений
.
Подставляя эти выражения в дифференциальное уравнение, получаем операторное уравнение:
.
Разрешим его относительно , получим
.
Найдем оригинал для каждого слагаемого в правой части полученного равенства.
.
Дробь нужно представить в виде суммы простейших дробей.
Рациональная дробь называется правильной, если степень многочлена меньше степени многочлена , т.е.. Если дробь неправильная, то можно разделить числитель на знаменатель и выделить многочлен и правильную дробь. Простейшими дробями называются правильные рациональные дроби вида
; ; .
Условие означает, что многочлен имеет комплексные корни.
Любую правильную рациональную дробь можно представить в виде суммы простейших дробей.
Если знаменатель представлен в виде разложения
(4)
где и - кратности соответствующих вещественных и комплексных корней, то разложение правильной рациональной дроби на простейшие будет иметь вид
(5)
Коэффициенты разложения находят методом частных значений или методом неопределенных коэффициентов.
Дробь представим в виде суммы простейших дробей
.
Умножив обе части последнего равенства на, получим
.
Чтобы найти неопределенный коэффициент , подставим в это уравнение . Тогда , или .
Приравнивая коэффициенты при , и в обеих частях тождества, получим систему линейных уравнений
,
из которой можно найти остальные неопределенные коэффициенты и . Из первого уравнения этой системы , из второго уравнения . Следовательно,
.
Таким образом,
.
Пример 2. Операционным методом решить систему дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями
, , .
Решение.
Пусть . Тогда .
Так как , то система операторных уравнений примет вид .
Получили систему линейных алгебраических уравнений относительно изображений и :
.
Найдем решение системы по формулам Крамера. Вычислим определитель системы и вспомогательные определители , .
Тогда , .
Частные решения и являются оригиналами для вычисленных изображений. Чтобы найти , разложим дробь на сумму простейших: .
Из этого следует, что
.
В последнем равенстве положим . Тогда , или . При : , значит . При : , откуда . Следовательно,
,
.
Таким образом, .
Решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и нулевыми начальными условиями с помощью интегралов Дюамеля
Если - решение уравнения
(6)
при нулевых начальных условиях
, , …, , (7)
то решением уравнения
(8)
при тех же начальных условиях является функция
. (9)
Доказательство.
Уравнению (6) при нулевых начальных условиях (7) соответствует операторное уравнение
, (10)
где , - характеристический многочлен уравнения (6).
Уравнению (8) при нулевых начальных условиях (7) соответствует операторное уравнение
(11)
где , а .
Из (10) и (11) найдем
(12)
Воспользуемся результатами для изображения по Лапласу интегралов Дюамеля
(13)
Положим в формуле (13) , и учтем, что . Тогда получим решение дифференциального уравнения (8) при нулевых начальных условиях в виде
(14)
Формула (14) позволяет находить решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами при нулевых начальных условиях, не находя изображения правой части этого уравнения.
Типовой расчет
1. По данному графику оригинала найти изображение:
Решение. Найдем аналитическое выражение для функции, график которой представлен на рисунке. Прежде всего запишем уравнение прямой, проходящей через точки и , и уравнение прямой, проходящей через точки и . Как известно, уравнение прямой, проходящей через точки с координатами и имеет вид . В данном случае независимая переменная , поэтому уравнение прямой примет вид. Подставляя в это уравнение координаты точек А и В получим после упрощения уравнение в виде , подставляя в уравнение координаты точек В и С, получим после упрощения уравнение в виде . Тогда функция имеет вид
(15)
Эту функцию можно записать с помощью функции Хевисайда
(16)
Построим график функции и убедимся, что он совпадает с исходным заданным графиком
Нужно преобразовать функцию к такому виду, чтобы аргументы отдельных слагаемых, за исключением постоянных, совпадали с аргументами функций Хевисайда, содержащихся в этих слагаемых. Здесь нужно подвергнуть преобразованию только последнее слагаемое.
(17)
Тогда
(18)
Изображение этой функции построим с помощью таблицы, используя теорему запаздывания
(19)
Решим теперь эту задачу с помощью Mathcad. Функция Хевисайда в этом пакете обозначается греческой буквой , комплексный аргумент изображения обозначается буквой (т.е.).
Полученный результат совпадает с (17).
2. Найти оригинал по заданному изображению:
Решение. Для решения этой задачи необходимо представить дробь в виде суммы простейших дробей.
Разложение дроби на простейшие имеет вид
, (20)
поскольку многочлен имеет два комплексно сопряженных корня, так как . Приведем сумму дробей в правой части (20) к общему знаменателю, который совпадает со знаменателем дроби в левой части (20). Тогда получим равенство числителей
(21)
Для определения коэффициентов разложения в (20), воспользуемся вначале методом частных значений. Положим в (21) , тогда получим .
Для того, чтобы определить коэффициенты и , используем метод неопределенных коэффициентов: приравняем коэффициенты при одинаковых степенях и в левой и правой частях равенства (21).
. Отсюда найдем , .
Следовательно, .
Выделим полный квадрат в знаменателе :
. Тогда
(22).
Теперь с помощью таблицы по заданному изображению можно восстановить
оригинал
Для изображения с учетом теоремы запаздывания получим из таблицы оригинал
Следовательно,
(23)
Приведем решение данной задачи с помощью Mathcad. Для каждого из слагаемых изображения получим оригиналы
Отсюда для исходного изображения оригинал имеет вид
Этот результат совпадает с (23).
3. Найти решение дифференциального уравнения , удовлетворяющее начальным условиям y(0) = y'(0) = 0.
Для решения данной задачи используем интеграл Дюамеля. Найдем вначале решение дифференциального уравнения . Соответствующее операторное уравнение для изображения имеет вид
или . Отсюда найдем
. Представим полученную дробь в виде суммы простейших дробей . Найдем коэффициенты . Для этого приведем дроби в правой части к общему знаменателю и получим равенство числителей
(24)
Для нахождения коэффициентов вначале воспользуемся методом частных значений. Положим . Тогда получим . Положим . Тогда получим . Для определения значения приравняем коэффициенты при степени слева и справа в (24): . Следовательно, . Следовательно, изображение имеет вид . По таблице найдем соответствующий оригинал .. Отсюда
. (25)
В соответствии с формулой (13) решение исходного дифференциального уравнения представляет собой интеграл
, (26)
где
- (27)
правая часть исходного уравнения. Отметим, что в (26) использовано свойство симметрии свертки двух функций.
Подставляя (25) и (27) в (26), получим
Следовательно,
. (28)
Приведем решение данной задачи с помощью Mathcad
Обозначим через (напомним, что в Mathcad комплексная переменная обозначается через )
Найдем оригинал , затем положим и найдем производную по от функции
Вычислим , где - правая часть исходного уравнения.
Правую часть можно упростить
Этот результат совпадает с выражением (28), полученным ранее.
Учитывая, что свертка двух функций не зависит от порядка их следования, можно также провести расчет по формуле (26) в виде
В результате получилось довольно громоздкое выражение. Приведем подобные члены в этом выражении и упростим результат
Этот результат также приводится к виду (28)