intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Hệ phương trình vi phân tuyến tính

Chia sẻ: Tran Khanh Nhat | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:12

792
lượt xem
112
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Hệ phương trình vi phân tuyến tính tập hợp các bài tập về hệ phương trình vi phân tuyến tính có hướng dẫn giải và đáp số chi tiết, thuận tiện cho sinh viên theo dõi, tự kiểm tra kiến thức.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Hệ phương trình vi phân tuyến tính

  1. Tiểu luận phương pháp toán lý HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN TUYẾN TÍNH x ' = 4x − 4 y Bài tập1: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau   y ' = 3x − 3 y Lời giải: Phương trình đặc trưng là: 4− λ −4 det( A − λ I ) = = (4 − λ )( − 3 − λ ) + 12 = λ (λ − 1) = 0 ⇒ λ = 0 ∨ λ = 1 3 −3 − λ • Với λ = 0 , ta có phương trình vectơ riêng là:  4 − 4  b1   0   4b1 − 4b2   0   m ( A − λ I )b = 0 ⇔  = ⇔  3b − 3b  =  0  ⇒ b =  m  với m là hằng số.  3 − 3  b2   0       1 2     1 Chọn vectơ riêng là b=   1  • Với λ = 1 , ta có phương trình vectơ riêng là:  3 − 4  b1   0   3b1 − 4b2   0  4m  ( A − λ I )b = 0 ⇔  = ⇔  3b − 4b  =  0 ⇒ b =  3m  với m là hằng số.  3 − 4  b2   0       1 2     4 Chọn vectơ riêng là b=   3   1  4 Nghiệm tổng quát của hệ phương trình là: v (t ) = c1   e + c2   e 0t 1t 1  3 x = c1 + 4c2et Hay:  y = c1 +3c2e t Học viên: Đỗ Viết Ơn 1
  2. Tiểu luận phương pháp toán lý  x ' = 2x − 4 y Bài tập2: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau   y ' = 3x − 2 y Với x(0) = 1 và y(0) = 0. Lời giải: Phương trình đặc trưng là: 2 − λ −4  det( A − λ I ) =   = (2 − λ )( − 2 − λ ) + 12 = λ − 16 = 0 ⇒ λ = 4 ∨ λ = − 4 2  3 −2 − λ  • Với λ = 4 , ta có phương trình vectơ riêng là:  − 2 − 4   b1   0   − 2b1 − 4b2   0   2m  ( A − λ I )b = 0 ⇔    =   ⇔  3b − 6b  0 =   ⇒ b =   với m là hằng số.  3 − 6   b2   0   1 2    m   2 Chọn vectơ riêng là b =   1  • Với λ = − 4 , ta có phương trình vectơ riêng là:  − 6 − 4   b1   0   − 6b1 − 4b2   0   2m  ( A − λ I )b = 0 ⇔   =   ⇔  3b + 2b  0 =  ⇒b=   với m là hằng  3 2   b2   0   1 2     − 3m  s ố. 2 Chọn vectơ riêng là b =   −3  2  2  −4 t Nghiệm tổng quát của hệ phương trình là v(t) = c1   e + c2  4t e 1 − 3    x = 2c1e 4t + 2c2 e −4 t Hay  −4 t  y = c1e − 3c2 e 4t Điều kiện: x(0) = 1 và y(0) = 0, ta có: Học viên: Đỗ Viết Ơn 2
  3. Tiểu luận phương pháp toán lý  1  3 c1 = − c2  c1 =  x(0) = 2c1 + 2c2 = 1  2  8  ⇒ ⇒  y (0) = c1 − 3c2 = 0  1 − c − 3c = 0 c = 1 2 2  2  2 8   3 1  x = e 4 t + e −4 t  4 4 Vậy nghiệm tổng quát của hệ là:   y = 3 e 4 t − 3 e −4 t   8 8 Bài tập3: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau  x1  =  2 3  x1  '  '     x2   − 3 2  x2  Lời giải: Phương trình đặc trưng là: 2 − λ 3  det( A − λ I ) =   = (2 − λ ) + 9 = 0 ⇔ (2 − λ ) = i 9 ⇒ λ = 2 + 3i ∨ λ = 2 − 3i 2 2 2  −3 2 − λ  • Với λ = 2 + 3i , ta có phương trình vectơ riêng là  − 3i 3   b1   0   − 3ib1 + 3b2   0  m  ( A − λ I )b = 0 ⇔  = ⇔  − 3b − 3ib  =  0  ⇒ b =  im  với m là hằng số.  − 3 − 3i   b2   0       1 2     1 Chọn vectơ riêng là b =   i  Ta có λt 1  e2t cos3t + ie 2t sin 3t   e 2t cos3t   e 2t sin 3t  e b =   e(2+ 3i )t =  2t =  +i  i  − e sin 3t + ie 2t cos3t   − e 2t sin 3t   e 2t cos3t  Vậy nghiệm tổng quát của hệ phương trình là:  e2t cos3t   e2t sin 3t  V (t ) = c1  2t  + c2  2t   − e sin 3t   e cos3t  Học viên: Đỗ Viết Ơn 3
  4. Tiểu luận phương pháp toán lý Bài tập4: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau '  x1   1 2 0   x1        x2  =  − 1 − 1 0   x2   x   1 0 − 1  x   3   3 Lời giải: Phương trình đặc trưng là: 1 − λ 2 0  det( A − λ I ) =  −1 − 1 − λ  0  = (1 − λ 2 )(1 + λ ) + 2(1 + λ ) = 0 ⇔ (1 + λ )(λ 2 − 1) = 0   1  0 −1 − λ   ⇒ λ = i ∨ λ = −i ∨ λ = −1 • Với λ = i , ta có phương trình vectơ riêng là 1 − i 2 0   b1   0  (1 − i )b1 + 2b2 + 0b3   0   (1 − i)m  ( A − λ I )b = 0 ⇔  − 1 − 1 − i  0   b2  =  0  ⇔      − 1b + ( − 1 − i)b + 0b  =  0  ⇒ b =  − m   1 2 3      1  0 − 1 − i   b3   0      1b1 + 0b2 + (− 1 − i)b3   0       m    với m là hằng số. (1 − i)    Chọn vectơ riêng là b =  −1   1    Ta có  (1 − i )   cos t + i sin t − i cos t + sin t   cos t + sin t   sin t − cos t  eλ t b =  − 1  eit =     − cos t − i sin t  =  − cos t  + i  − sin t        1      cos t + i sin t   cos t   sin t       • Với λ = − 1 , ta có phương trình vectơ riêng là: Học viên: Đỗ Viết Ơn 4
  5. Tiểu luận phương pháp toán lý  2 2 0  b1   0  2b1 + 2b2 + 0b3   0  0m  ( A − λ I )b = 0 ⇔  − 1 0 0   b2  =  0  ⇔       −1b + 0b + 0b  =  0  ⇒ b =  0m   1 2 3      1 0 0  b3   0       1b1 + 0b2 + 0b3   0      1m    với m là hằng số. 0    Chọn vectơ riêng là b = 0  1    Vậy nghiệm tổng quát của hệ phương trình là:  cos t + sin t  sin t − cos t  0  − cos t  + c  − sin t  + c  0  V (t ) = c1   2  3   cos t     sin t    1    Bài tập5: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau '  x   3 2  x   e2t   y  = 1 2  y  +  2t         2e  Lời giải: '  x  3 2   x  Hệ phương trình thuần nhất có dạng:   =     y  1 2   y  Phương trình đặc trưng là: 3 − λ 2  det( A − λ I ) =   = (3 − λ )(2 − λ ) − 2 = λ − 5λ + 4 = 0 ⇒ λ = 4 ∨ λ = 1 2  1 2− λ • Với λ = 4 , ta có phương trình vectơ riêng là Học viên: Đỗ Viết Ơn 5
  6. Tiểu luận phương pháp toán lý  − 1 2   b1   0   − 1b1 + 2b2   0  2m  ( A − λ I )b = 0 ⇔    b  =  0  ⇔  b − 2b  =  0  ⇒ b =  m  với m là hằng  1 − 2  2     1 2      số.  2 Chọn vectơ riêng là b =   1  • Với λ = 1 , ta có phương trình vectơ riêng là  2 2   b1   0   2b1 + 2b2   0  m  ( A − λ I )b = 0 ⇔    b  =  0  ⇔  b + b  =  0  ⇒ b =  − m  với m là hằng số.  1 1  2     1 2      1  Chọn vectơ riêng là b=    − 1 Ta tìm được các nghiệm riêng của hệ phương trình thuần nhất là: 2  1  V1 (t ) =   e 4t V2 (t ) =   et 1  , −1 Do đó ma trận cơ sở là 2e 4t et  Φ =  4t  e −et   u1   2e4t et   u1'   e 2t   2e 4t u1' + et u2   e 2t  ' Đặt U =   ⇒ Φ U = F ⇔  ' =   ⇔  4t ' t '  =  2 t  '  4t  u2   e − e t   u 2   2e 2 t   e u1 − e u2   2e   1 −2 t u1 = e −2 t ' u1 = − e Giải hệ ta có:  ' ⇒ 2 u2 = −et  u2 =−et  Vậy nghiệm tổng quát của hệ phương trình là: Học viên: Đỗ Viết Ơn 6
  7. Tiểu luận phương pháp toán lý  1   2e 4t c1 + et c2 − 2e 2t   2e 4t e  t c1   2e4t et   − e−2t    V (t ) = cΦ + Φ U =  4t t  +  4t t 2 = e − e   c2   e −e    e4t c1 − et c2 + 1 e 2t   −e   t  2   Bài tập6: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau '  x   1 1  x   −3e 2t   y  =  −2 3  y  +  2t        e  Với x(0) = 0 và y(0) = 0. Lời giải: '  x   1 1  x  Hệ phương trình thuần nhất có dạng:   =     y  −2 3  y  Phương trình đặc trưng là: 1 − λ 1   = (1 − λ )(3 − λ ) + 2 = λ − 4λ + 5 = ( λ − 2 ) + 1 = 0 ⇔ ( λ − 2 ) = i 2 2 det( A − λ I ) =  2 2  −2 3 − λ   λ−2=i λ = 2 + i ⇒ ⇒ λ − 2 = −i λ = 2 − i • Với λ = 2 + i , ta có phương trình vectơ riêng là Học viên: Đỗ Viết Ơn 7
  8. Tiểu luận phương pháp toán lý  − 1 − i 1   b1   0   (− 1 − i )b1 + 1b2   0  m  ( A − λ I )b = 0 ⇔    =   ⇔  − 2b + (1 − i )b  0= ⇒b=   − 2 1 − i   b2   0   1 2    (1 + i )m  với m là hằng số. 1  Chọn vectơ riêng là b =   1 + i  Ta có λt 1   e2t (cos t + i sin t )   e2t cos t + ie2t sin t  e b =   e(2+ i )t =  2t  =  2t  1 + i   e (cos t + i sin t ) + ie (cos t + i sin t )   e (cos t − sin t ) + ie (sin t + cos t )  2t 2t  e2t cos t   e2t sin t  =  2t  + i   e (cos t − sin t )   e2t (sin t + cos t )  Do đó ma trận cơ sở là:  e 2t cos t e 2t sin t  Φ =  2t   e (cos t − sin t ) e (sin t + cos t )  2t  1 u Đặt U =   ⇒ U = F Φ ' u  2  e2t cos t e2t sin t   u1'   − 3e2t   e2t cos tu1' + e2t sin tu2'   − 3e2t  ⇔  2t   '  =  2t  ⇔  2t =   e (cos t − sin t ) e (sin t + cos t )   u2   e  2t  e (cos t − sin t )u1' + e2t (sin t + cos t )u2'   e 2t   u1' = − 4sin t − 3cos t  u1 = 4cos t − 3sin t Giải hệ ta có:  ' ⇒  u2 = 4 cos t − 3sin t  u2 = 4sin t + 3cos t Nghiệm tổng quát của hệ phương trình là: Học viên: Đỗ Viết Ơn 8
  9. Tiểu luận phương pháp toán lý  e 2t cos t e2t sin t   c1   e 2t cos t e 2t sin t   4cos t − 3sin t  V (t ) = cΦ + Φ U =  2t    +  2t    e (cos t − sin t ) e (sin t + cos t )   c2   e (cos t − sin t ) e (sin t + cos t )   4sin t + 3cos t  2t 2t  e2t cos tc1 + e2t sin tc2 + 4e2t  =  2t 2t   e (cos t − sin t )c1 + e (cos t + sin t )c2 + 7e  2t Hay  x = e 2t cos tc1 + e 2t sin tc2 + 4e 2t   y = e (cos t − sin t )c1 + e (cos t + sin t )c2 + 7e 2t 2t 2t Với x(0) = 0 và y(0) = 0 ta có:  x = c1 + 0c2 + 4 = 0  c1 = −4  ⇒  y = c1 + c2 + 7 = 0 c2 = −3  x = − 4e2t cos t − 3e 2t sin t + 4e 2t Vậy nghiệm tổng quát của hệ phương trình là:   y = − 7e cos t + e sin t + 7e 2t 2t 2t Bài tập7: Hãy tìm nghiệm tổng quát của hệ phương trình sau  x1'' − 2 x1 − 3x2 = 0    x1 + x2 + 2 x2 = 0 ''  Lời giải: u = x1' u ' = x1'' Đặt  ⇒ ' thì hệ đã cho viết thành: v = x2 ' v = x2 '' '  x1   0 0 1 0   x1  x   0 0 0 1   x2   2 =    u   2 3 0 0  u        v  −1 −2 0 0  v  Học viên: Đỗ Viết Ơn 9
  10. Tiểu luận phương pháp toán lý Phương trình đặc trưng là: −λ 0 1 0   0 −λ 0 1  det( A − λ I ) =   = λ 4 − 1 = 0 ⇒  λ = ±1   2 3 −λ 0   λ = ±i    −1 −2 0 − λ  • Với λ = 1 , ta có phương trình vectơ riêng là: −1 0 1 0   b1   0  − 1b1 + 0b2 + 1b3 + 0b4   0  − 3m 0 −1 0 1   b2   0   =  ⇔  0b − 1b + 0b + 1b   0  1 2 4     ⇒ b =  1m   ( A − λ I )b = 0 ⇔  3 = 2 3 −1 0   b3   0  2b1 + 3b2 − 1b3 + 0b4   0  − 3m            −1 −2 0 − 1  b4   0  − 1b1 − 2b2 + 0b3 − 1b4   0  1m  với m là hằng số. −3 1 Chọn vectơ riêng là b =   −3   1 • Với , ta có phương trình vectơ riêng là: λ = −1 1 0 1 0   b1   0   1b1 + 0b2 + 1b3 + 0b4   0   3m  0 1 0 1   b2   0    =   ⇔  0b + 1b + 0b + 1b   0   1 2 4      ⇒ b =  − 1m  ( A − λ I )b = 0 ⇔  3 = 2 3 1 0   b3   0  2b1 + 3b2 + 1b3 + 0b4   0   − 3m             −1 −2 0 1   b4   0   − 1b1 − 2b2 + 0b3 + 1b4   0   1m  với m là hằng số. 3  −1 Chọn vectơ riêng là b=   −3   1 • Với λ = i , ta có phương trình vectơ riêng là: Học viên: Đỗ Viết Ơn 10
  11. Tiểu luận phương pháp toán lý  − i 0 1 0   b1   0  − ib1 + 0b2 + 1b3 + 0b4   0  − im   0 − i 0 1   b   0  0b − ib + 0b + 1b   0   ( A − λ I )b = 0 ⇔    2 =   ⇔  1 2 3 4  =   ⇒ b =  im   2 3 − i 0   b3   0   2b1 + 3b2 − ib3 + 0b4   0  1m              − 1 − 2 0 − i   b4   0   − 1b1 − 2b2 + 0b3 − ib4   0  − 1m  với m là hằng số.  −i  i  Chọn vectơ riêng là b =   1    −1 Ta có  −i   sin t − i cos t   sin t   − cos t  i       λt e b=   eit =  − sin t + i cos t  =  − sin t  + i  cos t  1  cos t + i sin t   cos t   sin t           − 1  − cos t − i sin t   − cos t   − sin t  Do đó ta có ma trân cơ sở là: −3et 3e −t sin t − cos t   t −t  e −e − sin t cos t  Φ( t ) =  −3et −3e −t cos t sin t   t −t   e e − cos t − sin t  Ta có nghiệm tổng quát là:  −3et 3e− t sin t − cos t   c1   t   e − e− t − sin t cos t   c2  X ( t) =  t  −3e −3e − t cos t sin t   c3   t    e e−t − cos t − sin t   c4  Từ đây giải theo x1, x2 ta được: Học viên: Đỗ Viết Ơn 11
  12. Tiểu luận phương pháp toán lý  x1 = − 3c1et + 3c2e − t + c3 sin t − c4cost  −t  x2 = c1e − c2e − c3 sin t + c4 cost t Học viên: Đỗ Viết Ơn 12
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2