Hệ phương trình vi phân tuyến tính
lượt xem 112
download
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.
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Hệ phương trình vi phân tuyến tính
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Hệ phương trình sai phân tuyến tính và ứng dụng
61 p | 138 | 21
-
Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Sử dụng phương pháp lyapunov để nghiên cứu tính chất nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính bị nhiễu
56 p | 127 | 18
-
Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Sử dụng phương pháp lyapunov để nghiên cứu tính chất nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính bị nhiễu
34 p | 119 | 10
-
Luận văn Thạc sĩ Toán giải tích: Tính giải được của bài toán biên cho hệ phương trình vi phân hàm tuyến tính
48 p | 122 | 10
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Tính giải được của một lớp bài toán biên cho hệ phương trình vi phân hàm tuyến tính với Pantograph
63 p | 161 | 8
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Ổn định hữu hạn hệ phương trình vi phân tuyến tính
44 p | 33 | 7
-
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Toán học: Tính ổn định và ổn định hóa của một số lớp hệ phương trình vi phân phi tuyến có trễ và ứng dụng
27 p | 27 | 6
-
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Toán học: Điều khiển H∞ các hệ phương trình vi phân có trễ biến thiên
27 p | 101 | 6
-
Luận án Tiến sĩ Toán học: Tính ổn định và ổn định hóa của một số lớp hệ phương trình vi phân phi tuyến có trễ và ứng dụng
128 p | 20 | 5
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Phương pháp số giải phương trình vi phân tuyến tính và phi tuyến cấp hai
80 p | 30 | 5
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Bài toán biên hai điểm cho hệ phương trình vi phân tuyến tính
69 p | 38 | 5
-
Luận án tiến sĩ Toán học: Phương pháp lặp giải bài toán biên hai điểm cho phương trình và hệ phương trình vi phân cấp bốn
136 p | 58 | 5
-
Luận án tiến sĩ Toán học: Một số bài toán điều khiển cho hệ phương trình vi phân có trễ biến thiên
90 p | 39 | 5
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Một số phương pháp giải số phương trình và hệ phương trình vi phân cấp cao
55 p | 35 | 4
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Bài toán dạng Cauchy cho hệ phương trình vi phân hàm tuyến tính hai chiều
74 p | 117 | 4
-
Luận văn Thạc sĩ Toán học: Phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng và một vài ứng dụng
66 p | 19 | 4
-
Tóm tắt luận án Tiến sĩ Toán học: Phương pháp lặp giải bài toán biên hai điểm cho phương trình và hệ phương trình vi phân cấp bốn
27 p | 20 | 3
Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn