Система такого вида называется нормальной системой дифференциальных уравнений (СНДУ). Для нормальной системы дифференциальных уравнений можно сформулировать теорему о существовании и единственности такую же, как и для дифференциального уравнения.

Теорема. Если функции определены и непрерывны на открытом множестве, а соответствующие частные производныетоже непрерывны на, то тогда у системы (1) будет существовать решение(2)

а при наличии начальных условий (3)

это решение будет единственным.

Эту систему можно представить в виде:

Системы линейных дифференциальных уравнений

Определение. Система Дифференциальных Уравнений называется линейной , если она линейна относительно всех неизвестных функций и их производных.

(5)

Общий вид системы Дифференциальных Уравнений

Если задано начальное условие: , (7)

то решение будет единственным, при условии, что вектор-функция непрерывна наи коэффициенты матрицы:тоже непрерывные функции.

Введем линейный оператор , тогда (6) можно переписать в виде:

если то операторное уравнение (8) называетсяоднородным и имеет вид:

Так как оператор линейный, то для него выполняются следующие свойства:

решением уравнения (9).

Следствие. Линейная комбинация , решение (9).

Если даны решений (9) и они линейно независимы, то все линейные комбинации вида:(10) только при условии, что все. Это означает, что определитель, составленный из решений (10):

. Этот определитель называется определителем Вронского для системы векторов .

Теорема 1. Если определитель Вронского для линейной однородной системы (9) с непрерывными на отрезке коэффициентами, равен нулю хотя бы в одной точке, то решениелинейно зависимы на этом отрезке и, следовательно, определитель Вронского равен нулю на всем отрезке.

Доказательство: Так как непрерывны, то система (9) удовлетворяет условиюТеоремы о существовании и единственности , следовательно, начальное условие определяет единственное решение системы (9). Определитель Вронского в точкеравен нулю, следовательно, существует такая нетривиальная система, для которой выполняется:. Соответствующая линейная комбинация для другой точкибудет иметь вид, причемудовлетворяет однородным начальным условиям, следовательно, совпадает с тривиальным решением, то естьлинейно зависимы и определитель Вронского равен нулю.

Определение. Совокупность решений системы (9) называетсяфундаментальной системой решений на если определитель Вронского не обращается в ноль ни в одной точке.

Определение. Если для однородной системы (9) начальные условия определены следующим образом - , то система решенийназываетсянормальной фундаментальной системой решений .

Замечание. Если - фундаментальная система или нормальная фундаментальная система, то линейная комбинация- общее решение (9).

Теорема 2. Линейная комбинация линейно независимых решений,однородной системы (9) с непрерывными на отрезкекоэффициентамибудет общим решением (9) на этом же отрезке.

Доказательство: Так как коэффициенты непрерывны на, то система удовлетворяет условиям теоремы о существовании и единственности. Следовательно, для доказательства теоремы достаточно показать, что подбором постоянных, можно удовлетворить некоторому произвольно выбранному начальному условию (7). Т.е. можно удовлетворить векторному уравнению:. Так как- общее решение (9), то система разрешима относительно, поскольку вселинейно независимы и. Однозначно определяем, а так каклинейно независимы, то.

Теорема 3. Если это решение системы (8), арешение системы (9), тогда+будет тоже решение (8).

Доказательство: По свойствам линейного оператора: 

Теорема 4. Общее решение (8) на отрезке с непрерывными на этом отрезке коэффициентамии правыми частямиравно сумме общего решения соответствующей однородной системы (9) и частного решениянеоднородной системы (8).

Доказательство: Так как условия теоремы о существовании и единственности выполнены, следовательно, остается доказать, что будет удовлетворять произвольно заданным начальным значением (7), то есть. (11)

Для системы (11) всегда можно определить значения . Это можно сделать так как- фундаментальная система решений.

Задача Коши для дифференциального уравнения первого порядка

Постановка задачи. Напомним, что решением обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка

y"(t)=f(t, y(t)) (5.1)

называется дифференцируемая функция у(t), которая при подстановке в уравнение (5.1) обращает его в тождество. График решения дифференциального уравнения называют интегральной кривой. Процесс нахождения решений дифференциального уравнения принято называть интегрированием этого уравнения.

Исходя из геометрического смысла производной у" заметим, что уравнение (5.1) задает в каждой точке (t, у) плоскости переменных t, у значение f(t, у) тангенса угла aнаклона (к оси 0t) касательной к графику решения, проходящего через эту точку. Величину k=tga=f(t,у) далее будем называть угловым коэффициентом (рис. 5.1). Если теперь в каждой точке (t, у) задать с помощью некоторого вектора направление касательной, определяемое значением f(t, у), то получится так называемое поле направлений (рис.5.2, а). Таким образом, геометрически задачу интегрирования дифференциальных уравнений состоит в нахождении интегральных кривых, которые в каждой своей точке имеют заданное направление касательной (рис. 5.2, б). Для того, чтобы выделить из семейства решений дифференциального уравнения (5.1) одно конкретное решение, задают начальное условие

y(t 0)=y 0 (5.2)

Здесь t 0 - некоторое фиксированное значение аргумента t, а у 0 величина, называемая начальным значением. Геометрическая интерпретация использования начального условия состоит в выборе из семейства интегральных кривых той кривой, которая проходит через фиксированную точку (t 0 , у 0).

Задачу нахождения при t>t 0 решения у(t) дифференциального уравнения (5.1), удовлетворяющего начальному условию (5.2), будем называть задачей Коши. В некоторых случаях представляет интерес поведение решения при всех t>t 0 . Однако чаще ограничиваются определением решения на конечном отрезке .

Интегрирование нормальных систем

одним из основных методов интегрирования нормальной системы ДУ является метод сведения системы к одному ДУ высшего порядка. (Обратная задача - переход от ДУ к системе - рассмотрена выше на примере.) Техника этого метода основана на следующих соображениях.

Пусть задана нормальная система (6.1). Продифференцируем по х любое, например первое, уравнение:

Подставив в это равенство значения производных из системы (6.1), получим

или, коротко,

Продифференцировав полученное равенство еще раз и заменив значения производных из системы (6.1), получим

Продолжая этот процесс (дифференцируем - подставляем - получаем), находим:

Соберем полученные уравнения в систему:

Из первых (n-1) уравнений системы (6.3) выразим функции у 2 , у 3 , ..., y n через х, функцию y 1 и ее производные у" 1 ,у" 1 ,...,у 1 (n-1) . Получим:

Найденные значения у 2 , у 3 ,..., у n подставим в последнее уравнение системы (6.3). Получим одно ДУ n-го порядка относительно искомой функции Пусть его общее решение есть

Продифференцировав его (n-1) раз и подставив значения производных в уравнения системы (6.4), найдем функции у 2 , у 3 ,..., у n.

Пример 6.1. Решить систему уравнений

Решение: Продифференцируем первое уравнение: у"=4у"-3z". Подставляем z"=2у-3z в полученное равенство: у"=4у"-3(2у-3z), у"-4у"+6у=9z. Составляем систему уравнений:

Из первого уравнения системы выражаем z через у и у":

Подставляем значение z во второе уравнение последней системы:

т. е. у""-у"-6у=0. Получили одно ЛОДУ второго порядка. Решаем его: k 2 -k-6=0, k 1 =-2, k 2 =3 и - общее решение

уравнения. Находим функцию z. Значения у и подставляем в выражение z через у и у" (формула (6.5)). Получим:

Таким образом, общее решение данной системы уравнений имеет вид

Замечание. Систему уравнений (6.1) можно решать методом интегрируемых комбинаций. Суть метода состоит в том, что посредством арифметических операций из уравнений данной системы образуют так называемые интегрируемые комбинации, т. е. легко интегрируемые уравнения относительно новой неизвестной функции.

Проиллюстрируем технику этого метода на следующем примере.

Пример 6.2. Решить систему уравнений:

Решение: Сложим почленно данные уравнения: х"+у"=х+у+2, или (х+у)"=(х+у)+2. Обозначим х+у=z. Тогда имеем z"=z+2. Решаемполученное уравнение:

Получили так называемый первый интеграл системы. Из него можно выразить одну из искомых функций через другую, тем самым уменьшить на единицу число искомых функций. Например,Тогда первое уравнение системы примет вид

Найдя из него х (например, с помощью подстановки х=uv), найдем и у.

Замечание. Данная система «позволяет» образовать еще одну интегрируемую комбинацию: Положив х - у=р, имеем:, или Имея два первых интеграла системы, т. е.и легко найти (складывая и вычитая первые интегралы), что

Линейный оператор, свойства. Линейная зависимость и независимость векторов. Определитель Вронского для системы ЛДУ.

Линейный дифференциальный оператор и его свойства. Множество функций, имеющих на интервале (a , b ) не менее n производных, образует линейное пространство. Рассмотрим оператор L n (y ), который отображает функцию y (x ), имеющую производных, в функцию, имеющуюk - n производных:

С помощью оператора L n (y ) неоднородное уравнение (20) можно записать так:

L n (y ) = f (x );

однородное уравнение (21) примет вид

L n (y ) = 0);

Теорема 14.5.2 . Дифференциальный оператор L n (y ) является линейным оператором. Док-во непосредственно следует из свойств производных: 1. ЕслиC = const, то 2.Наши дальнейшие действия: сначала изучить, как устроено общее решение линейного однородного уравнения (25), затем неоднородного уравнения (24), и потом научиться решать эти уравнения. Начнём с понятий линейной зависимости и независимости функций на интервале и определим важнейший в теории линейных уравнений и систем объект - определитель Вронского.

Определитель Вронского. Линейная зависимость и независимость системы функций. Опр. 14.5.3.1. Система функций y 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) называется линейно зависимой на интервале (a , b ), если существует набор постоянных коэффициентов , не равных нулю одновременно, таких, что линейная комбинация этих функций тождественно равна нулю на (a , b ): для.Если равенстводлявозможно только при, система функцийy 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) называется линейно независимой на интервале (a , b ). Другими словами, функцииy 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) линейно зависимы на интервале (a , b ), если существует равная нулю на (a , b ) их нетривиальная линейная комбинация. Функции y 1 (x ),y 2 (x ), …, y n (x ) линейно независимы на интервале (a , b ), если только тривиальная их линейная комбинация тождественно равна нулю на (a , b ). Примеры: 1. Функции 1,x , x 2 , x 3 линейно независимы на любом интервале (a , b ). Их линейная комбинация - многочлен степени- не может иметь на (a , b )больше трёх корней, поэтому равенство = 0 длявозможно только при.Пример 1 легко обобщается на систему функций 1,x , x 2 , x 3 , …, x n . Их линейная комбинация - многочлен степени - не может иметь на (a , b ) больше n корней. 3. Функциилинейно независимы на любом интервале (a , b ), если . Действительно, если, например,, то равенствоимеет место в единственной точке.4. Система функцийтакже линейно независима, если числаk i (i = 1, 2, …, n ) попарно различны, однако прямое доказательство этого факта достаточно громоздко. Как показывают приведённые примеры, в некоторых случаях линейная зависимость или независимость функций доказывается просто, в других случаях это доказательство сложнее. Поэтому необходим простой универсальный инструмент, дающий ответ на вопрос о линейной зависимости функций. Такой инструмент -определитель Вронского .

Опр. 14.5.3.2. Определителем Вронского (вронскианом) системы n - 1 раз дифференцируемых функций y 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) называется определитель

.

14.5.3.3.Теорема о вронскиане линейно зависимой системы функций . Если система функций y 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) линейно зависима на интервале (a , b ), то вронскиан этой системы тождественно равен нулю на этом интервале. Док-во . Если функции y 1 (x ), y 2 (x ), …, y n (x ) линейно зависимы на интервале (a , b ), то найдутся числа , из которых хотя бы одно отлично от нуля, такие что

Продифференцируем по x равенство (27) n - 1 раз и составим систему уравнений Будем рассматривать эту систему как однородную линейную систему алгебраических уравнений относительно. Определитель этой системы - определитель Вронского (26). Приэта система имеет нетривиальное решение, следовательно, в каждой точке её определитель равен нулю. Итак,W (x ) = 0 при , т.е.на (a , b ).

Уравнений.

Введение.

Во многих задачах математики, физики и техники требуется определить несколько функций, связанных между собой несколькими дифференциальными уравнениями.

Для этого необходимо располагать, вообще говоря, таким же числом уравнений. Если каждое из этих уравнений является дифференциальным, то есть имеет вид соотношения, связывающего неизвестные функции и их производные, то говорят о системе дифференциальных уравнений.

1. Нормальная система дифференциальных уравнений первого порядка. Задача Коши.

Определение. Системой дифференциальных уравнений называется совокупность уравнений, содержащих несколько неизвестных функций и их производные, причём в каждое из уравнений входит хотя бы одна производная.

Система дифференциальных уравнений называется линейной, если неизвестные функции и их производные входят в каждое из уравнений только в первой степени.

Линейная система называется нормальной , если она разрешена относительно всех производных

В нормальной системе правые части уравнений не содержат производных искомых функций.

Решением системы дифференциальных уравнений называется совокупность функций https://pandia.ru/text/78/145/images/image003_45.gif" width="261" height="24 src="> называются начальными условиями системы дифференциальных уравнений.

Часто начальные условия записывают в виде

Общим решением (интегралом) системы дифференциальных уравнений называется совокупность « n » функций от независимой переменной x и « n » произвольных постоянных C 1 , C 2 , …, Cn :

..……………………..

которые удовлетворяют всем уравнениям этой системы.

Чтобы получить частное решение системы, удовлетворяющее заданным начальным условиям https://pandia.ru/text/78/145/images/image008_18.gif" width="44" height="24"> принимало бы заданные значения .

Записывается задача Коши для нормальной системы дифференциальных уравнений следующим образом

Теорема существования и единственности решения задачи Коши.

Для нормальной системы дифференциальных уравнений (1) теорема Коши существования и единственности решения формулируется следующим образом:

Теорема. Пусть правые части уравнений системы (1), т. е. функции , (i =1,2,…, n ) непрерывны по всем переменным в некоторой области D и имеет в ней непрерывные частные производные https://pandia.ru/text/78/145/images/image003_45.gif" width="261 height=24" height="24">, принадлежащие области D , существует единственное решение системы (1) https://pandia.ru/text/78/145/images/image013_11.gif" width="284" height="24 src=">.

2. Решение нормальной системы методом исключения.

Для решения нормальной системы дифференциальных уравнений используется метод исключения неизвестных или метод Коши.

Пусть дана нормальная система

Дифференцируем по х первое уравнение системы

https://pandia.ru/text/78/145/images/image015_5.gif" width="123" height="43 src="> их выражениями из системы уравнений (1), будем иметь

Дифференцируем полученное уравнение и поступая аналогично предыдущему, найдём

Итак, получили систему

(2)

Из первых п-1 уравнений определим y 2 , y 3 , … , yn , выразив их через

И

(3)

Подставляя эти выражения в последнее из уравнений (2), получим уравнения п-го порядка для определения y 1 :

https://pandia.ru/text/78/145/images/image005_27.gif" width="167" height="24">(5)

Дифференцируя последнее выражение п-1 раз, найдём производные

как функции от . Подставляя эти функции в уравнения (4), определим y 2 , y 3 , … , yn .

Итак, получили общее решение системы (1)

(6)

Чтобы найти частное решение системы (1) удовлетворяющее начальным условиям при

надо найти из уравнения (6) соответствующие значения произвольных постоянных С1 , С2 , … , С n .

Пример.

Найти общее решение системы уравнений:

https://pandia.ru/text/78/145/images/image029_2.gif" width="96" height="21">

за новые неизвестные функции.

Заключение.

С системами дифференциальных уравнений встречаются при изучении процессов, для описания которых одной функции недостаточно. Например, отыскание векторных линий поля требует реше­ния системы дифференциальных уравнений. Решение задач динамики криволинейного движения при­водит к системе трех дифференциальных уравнений, в которых неиз­вестными функциями являются проекции движущейся точки на оси координат, а независимой переменной - время. Позже вы узнаете, что решение задач электротехники для двух электрических цепей, нахо­дящихся в электромагнитной связи, потребует решения системы двух дифференциальных уравнений. Количество подобных примеров легко можно увеличить.

На дворе знойная пора, летает тополиный пух, и такая погода располагает к отдыху. За учебный год у всех накопилась усталость, но ожидание летних отпусков/каникул должно воодушевлять на успешную сдачу экзаменов и зачетов. По сезону тупят, кстати, и преподаватели, поэтому скоро тоже возьму тайм-аут для разгрузки мозга. А сейчас кофе, мерный гул системного блока, несколько дохлых комаров на подоконнике и вполне рабочее состояние… …эх, блин,… поэт хренов.

К делу. У кого как, а у меня сегодня 1 июня, и мы рассмотрим ещё одну типовую задачу комплексного анализа – нахождение частного решения системы дифференциальных уравнений методом операционного исчисления . Что необходимо знать и уметь, чтобы научиться её решать? Прежде всего, настоятельно рекомендую обратиться к уроку. Пожалуйста, прочитайте вводную часть, разберитесь с общей постановкой темы, терминологией, обозначениями и хотя бы с двумя-тремя примерами. Дело в том, что с системами диффуров всё будет почти так же и даже проще!

Само собой, вы должны понимать, что такое система дифференциальных уравнений , что значит найти общее решение системы и частное решение системы.

Напоминаю, что систему дифференциальных уравнений можно решить «традиционным» путём: методом исключения или с помощью характеристического уравнения . Способ же операционного исчисления, о котором пойдет речь, применим к системе ДУ, когда задание сформулировано следующим образом:

Найти частное решение однородной системы дифференциальных уравнений , соответствующее начальным условиям .

Как вариант, система может быть и неоднородной – с «довесками» в виде функций и в правых частях:

Но, и в том, и в другом случае нужно обратить внимание на два принципиальных момента условия:

1) Речь идёт только о частном решении .
2) В скобочках начальных условий находятся строго нули , и ничто другое.

Общий ход и алгоритм будет очень похож на решение дифференциального уравнения операционным методом . Из справочных материалов потребуется та же таблица оригиналов и изображений .

Пример 1

, ,

Решение: Начало тривиально: с помощью таблицы преобразования Лапласа перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям. В задаче с системами ДУ данный переход обычно прост:

Используя табличные формулы №№1,2, учитывая начальное условие , получаем:

Что делать с «игреками»? Мысленно меняем в таблице «иксы» на «игреки». Используя те же преобразования №№1,2, 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 части уравнений необходимо «оформить» 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 .

Важный технический приём! Данный многочлен лучше сразу же попытаться разложить на множители. В этих целях следовало бы попробовать решить квадратное уравнение , но, у многих читателей намётанный ко второму курсу глаз заметит, что .

Таким образом, наш главный определитель системы:

Дальнейшая разборка с системой, слава Крамеру, стандартна:

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 . Предчувствие вас не обмануло – в дело вступает старый добрый метод неопределённых коэффициентов , с помощью которого раскладываем каждую дробь на элементарные дроби:

1) Разбираемся с первой дробью:

Таким образом:

2) Вторую дробь разваливаем по аналогичной схеме, при этом корректнее использовать другие константы (неопределенные коэффициенты):

Таким образом:

Чайникам советую записывать разложенное операторное решение в следующем виде:
– так будет понятней завершающий этап – обратное преобразование Лапласа.

Используя правый столбец таблицы, перейдем от изображений к соответствующим оригиналам:

Согласно правилам хорошего математического тона, результат немного причешем:

Ответ:

Проверка ответа осуществляется по стандартной схеме, которая детально разобрана на уроке Как решить систему дифференциальных уравнений? Всегда старайтесь её выполнять, чтобы забить большой плюс в задание.

Пример 2

С помощью операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений, соответствующее заданным начальным условиям.
, ,

Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового оформления задачи и ответ в конце урока.

Решение неоднородной системы дифференциальных уравнений алгоритмически ничем не отличается, разве что технически будет чуть сложнее:

Пример 3

С помощью операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений, соответствующее заданным начальным условиям.
, ,

Решение: С помощью таблицы преобразования Лапласа, учитывая начальные условия , перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям:

Но это ещё не всё, в правых частях уравнений есть одинокие константы. Что делать в тех случаях, когда константа находится сама по себе в полном одиночестве? Об этом уже шла речь на уроке Как решить ДУ операционным методом . Повторим: одиночные константы следует мысленно домножить на единицу , и к единицам применить следующее преобразование Лапласа:

Подставим найденные изображения в исходную систему:

Налево перенесём слагаемые, в которых присутствуют , в правых частях разместим остальные слагаемые:

В левых частях проведём вынесение за скобки, кроме того, приведём к общему знаменателю правую часть второго уравнения:

Вычислим главный определитель системы, не забывая, что результат целесообразно сразу же попытаться разложить на множители:
, значит, система имеет единственное решение.

Едем дальше:



Таким образом, операторное решение системы:

Иногда одну или даже обе дроби можно сократить, причём, бывает, так удачно, что и раскладывать практически ничего не нужно! А в ряде случаев сразу получается халява, к слову, следующий пример урока будет показательным образцом.

Методом неопределенных коэффициентов получим суммы элементарных дробей.

Сокрушаем первую дробь:

И добиваем вторую:

В результате операторное решение принимает нужный нам вид:

С помощью правого столбца таблицы оригиналов и изображений осуществляем обратное преобразование Лапласа:

Подставим полученные изображения в операторное решение системы:

Ответ: частное решение:

Как видите, в неоднородной системе приходится проводить более трудоёмкие вычисления по сравнению с однородной системой. Разберём еще пару примеров с синусами, косинусами, и хватит, поскольку будут рассмотрены практически все разновидности задачи и большинство нюансов решения.

Пример 4

Методом операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями ,

Решение: Данный пример я тоже разберу сам, но комментарии будут касаться только особенных моментов. Предполагаю, вы уже хорошо ориентируетесь в алгоритме решения.

Перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям:

Подставим найденные изображения в исходную систему ДУ:

Систему решим по формулам Крамера:
, значит, система имеет единственное решение.

Полученный многочлен не раскладывается на множители. Что делать в таких случаях? Ровным счётом ничего. Сойдёт и такой.

В результате операторное решение системы:

А вот и счастливый билет! Метод неопределённых коэффициентов использовать не нужно вообще! Единственное, в целях применения табличных преобразований перепишем решение в следующем виде:

Перейдем от изображений к соответствующим оригиналам:

Подставим полученные изображения в операторное решение системы:

................................ 1

1. Введение.................................................................................................... 2

2. Системы дифференциальных уравнений 1-го порядка.......................... 3

3. Системы линейных дифференциальных уравнений 1-го порядка......... 2

4. Системы линейных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.............................................................................................. 3

5. Системы неоднородных дифференциальных уравнений 1-го порядка с постоянными коэффициентами.............................................................................................. 2

Преобразование Лапласа ................................................................................ 1

6. Введение.................................................................................................... 2

7. Свойства преобразования Лапласа......................................................... 3

8. Приложения преобразования Лапласа................................................... 2

Введение в интегральные уравнения ............................................................... 1

9. Введение.................................................................................................... 2

10. Элементы общей теории линейных интегральных уравнений............. 3

11. Понятие об итерационном решении интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода.......................................................................................................................... 2

12. Уравнение Вольтерра............................................................................ 2

13. Решение уравнений Вольтерра с разностным ядром с использованием преобразования Лапласа................................................................................ 2

Системы обыкновенных дифференциальных уравнений

Введение

Системы обыкновенных дифференциальных уравнений состоят из нескольких уравнений, содержащих производные неизвестных функций одного переменного. В общем случае такая система имеет вид

где – неизвестные функции, t – независимая переменная, – некоторые заданные функции, индекс нумерует уравнения в системе. Решить такую систему – значит найти все функции , удовлетворяющие этой системе.

В качестве примера рассмотрим уравнение Ньютона, описывающее движение тела массы под действием силы :

где – вектор, проведенный из начала координат к текущему положению тела. В декартовой системе координат его компонентами являются функции Таким образом, уравнение (1.2) сводится к трем дифференциальным уравнениям второго порядка

Для нахождения функций в каждый момент времени , очевидно, надо знать начальное положение тела и его скорость в начальный момент времени – всего 6 начальных условий (что отвечает системе из трёх уравнений второго порядка):

Уравнения (1.3) вместе с начальными условиями (1.4) образуют задачу Коши, которая, как ясно из физических соображений, имеет единственное решение, дающее конкретную траекторию движения тела, если сила удовлетворяет разумным критериям гладкости.

Важно отметить, что эта задача может быть сведена к системе из 6 уравнений первого порядка введением новых функций. Обозначим функции как , и введем три новые функции , определенные следующим образом

Систему (1.3) теперь можно переписать в виде

Таким образом, мы пришли к системе из шести дифференциальных уравнений первого порядка для функций Начальные условия для этой системы имеют вид

Первые три начальных условия дают начальные координаты тела, последние три – проекции начальной скорости на оси координат.

Пример 1.1. Свести систему двух дифференциальных уравнений 2-го порядка

к системе из четырех уравнений 1-го порядка.

Решение. Введем следующие обозначения:

При этом исходная система примет вид

Еще два уравнения дают введенные обозначения:

Окончательно, составим систему дифференциальных уравнений 1-го порядка, эквивалентную исходной системе уравнений 2-го порядка

Эти примеры иллюстрируют общую ситуацию: любая система дифференциальных уравнений может быть сведена к системе уравнений 1-го порядка. Таким образом, в дальнейшем мы можем ограничиться изучением систем дифференциальных уравнений 1-го порядка.

Системы дифференциальных уравнений 1-го порядка

В общем виде систему из n дифференциальных уравнений 1-го порядка можно записать следующим образом:

где – неизвестные функции независимой переменной t , – некоторые заданные функции. Общее решение системы (2.1) содержит n произвольных констант, т.е. имеет вид:

При описании реальных задач с помощью систем дифференциальных уравнений конкретное решение, или частное решение системы находится из общего решения заданием некоторых начальных условий . Начальное условие записывается для каждой функции и для системы n уравнений 1-го порядка выглядит так:

Решения определяют в пространстве линию, которая называется интегральной линией системы (2.1).

Сформулируем теорему существования и единственности решения для систем дифференциальных уравнений.

Теорема Коши. Система дифференциальных уравнений 1-го порядка (2.1) вместе с начальными условиями (2.2) имеет единственное решение (т.е. из общего решения определяется единственный набор констант ), если функции и их частные производные по всем аргументам ограничены в окрестности этих начальных условий.

Естественно речь идет о решении в какой-то области переменных .

Решение системы дифференциальных уравнений можно рассматривать как вектор-функцию X , компонентами которого являются функции а набор функций – как вектор-функцию F , т.е.

Используя такие обозначения, можно кратко переписать исходную систему (2.1) и начальные условия (2.2) в так называемой векторной форме :

Одним из методов решения системы дифференциальных уравнений является сведение этой системы к одному уравнению более высокого порядка. Из уравнений (2.1), а также уравнений, полученных их дифференцированием, можно получить одно уравнение n -го порядка для любой из неизвестных функций Интегрируя его, находят неизвестную функцию Остальные неизвестные функции получаются из уравнений исходной системы и промежуточных уравнений, полученных при дифференцировании исходных.

Пример 2.1. Решить систему двух дифференциальных первого порядка

Решение . Продифференцируем второе уравнение:

Производную выразим через первое уравнение

Из второго уравнения

Мы получили линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами. Его характеристическое уравнение

откуда получаем Тогда общим решением данного дифференциального уравнения будет

Мы нашли одну из неизвестных функций исходной системы уравнений. Пользуясь выражением можно найти и :

Решим задачу Коши при начальных условиях

Подставим их в общее решение системы

и найдем константы интегрирования:

Таким образом, решением задачи Коши будут функции

Графики этих функций изображены на рисунке 1.

Рис. 1. Частное решение системы примера 2.1 на интервале

Пример 2.2. Решить систему

сведя его к одному уравнению 2-го порядка.

Решение. Дифференцируя первое уравнение, получим

Пользуясь вторым уравнением, приходим к уравнению второго порядка для x :

Нетрудно получить его решение, а затем и функцию , подставив найденное в уравнение . В результате имеем следующее решение системы:

Замечание. Мы нашли функцию из уравнения . При этом на первый взгляд кажется, что можно получить то же самое решение, подставив известное во второе уравнение исходной системы

и проинтегрировав его. Если находить таким образом, то в решении появляется третья, лишняя константа:

Однако, как нетрудно проверить, исходной системе функция удовлетворяет не при произвольном значении , а только при Таким образом, определять вторую функцию следует без интегрирования.

Сложим квадраты функций и :

Полученное уравнение дает семейство концентрических окружностей с центром в начале координат в плоскости (см. рисунок 2). Полученные параметрические кривые называются фазовыми кривыми , а плоскость, в которой они расположены – фазовой плоскостью .

Подставляя какие-либо начальные условия в исходное уравнение, можно получить определенные значения констант интегрирования , а значит окружность с определенным радиусом в фазовой плоскости. Таким образом, каждому набору начальных условий соответствует конкретная фазовая кривая. Возьмем, например, начальные условия . Их подстановка в общее решение дает значения констант , таким образом, частное решение имеет вид . При изменении параметра на интервале мы следуем вдоль фазовой кривой по часовой стрелке: значению отвечает точка начального условия на оси , значению - точка на оси , значению - точка на оси , значению - точка на оси , при мы возвращаемся в начальную точку .

Матричная запись системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) с постоянными коэффициентами

Линейную однородную СОДУ с постоянными коэффициентами $\left\{\begin{array}{c} {\frac{dy_{1} }{dx} =a_{11} \cdot y_{1} +a_{12} \cdot y_{2} +\ldots +a_{1n} \cdot y_{n} } \\ {\frac{dy_{2} }{dx} =a_{21} \cdot y_{1} +a_{22} \cdot y_{2} +\ldots +a_{2n} \cdot y_{n} } \\ {\ldots } \\ {\frac{dy_{n} }{dx} =a_{n1} \cdot y_{1} +a_{n2} \cdot y_{2} +\ldots +a_{nn} \cdot y_{n} } \end{array}\right. $,

где $y_{1} \left(x\right),\; y_{2} \left(x\right),\; \ldots ,\; y_{n} \left(x\right)$ -- искомые функции независимой переменной $x$, коэффициенты $a_{jk} ,\; 1\le j,k\le n$ -- заданные действительные числа представим в матричной записи:

1. матрица искомых функций $Y=\left(\begin{array}{c} {y_{1} \left(x\right)} \\ {y_{2} \left(x\right)} \\ {\ldots } \\ {y_{n} \left(x\right)} \end{array}\right)$;
2. матрица производных решений $\frac{dY}{dx} =\left(\begin{array}{c} {\frac{dy_{1} }{dx} } \\ {\frac{dy_{2} }{dx} } \\ {\ldots } \\ {\frac{dy_{n} }{dx} } \end{array}\right)$;
3. матрица коэффициентов СОДУ $A=\left(\begin{array}{cccc} {a_{11} } & {a_{12} } & {\ldots } & {a_{1n} } \\ {a_{21} } & {a_{22} } & {\ldots } & {a_{2n} } \\ {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } \\ {a_{n1} } & {a_{n2} } & {\ldots } & {a_{nn} } \end{array}\right)$.

Теперь на основе правила умножения матриц данную СОДУ можно записать в виде матричного уравнения $\frac{dY}{dx} =A\cdot Y$.

Общий метод решения СОДУ с постоянными коэффициентами

Пусть имеется матрица некоторых чисел $\alpha =\left(\begin{array}{c} {\alpha _{1} } \\ {\alpha _{2} } \\ {\ldots } \\ {\alpha _{n} } \end{array}\right)$.

Решение СОДУ отыскивается в следующем виде: $y_{1} =\alpha _{1} \cdot e^{k\cdot x} $, $y_{2} =\alpha _{2} \cdot e^{k\cdot x} $, \dots , $y_{n} =\alpha _{n} \cdot e^{k\cdot x} $. В матричной форме: $Y=\left(\begin{array}{c} {y_{1} } \\ {y_{2} } \\ {\ldots } \\ {y_{n} } \end{array}\right)=e^{k\cdot x} \cdot \left(\begin{array}{c} {\alpha _{1} } \\ {\alpha _{2} } \\ {\ldots } \\ {\alpha _{n} } \end{array}\right)$.

Отсюда получаем:

Теперь матричному уравнению данной СОДУ можно придать вид:

Полученное уравнение можно представить так:

Последнее равенство показывает, что вектор $\alpha $ с помощью матрицы $A$ преобразуется в параллельный ему вектор $k\cdot \alpha $. Это значит, что вектор $\alpha $ является собственным вектором матрицы $A$, соответствующий собственному значению $k$.

Число $k$ можно определить из уравнения$\left|\begin{array}{cccc} {a_{11} -k} & {a_{12} } & {\ldots } & {a_{1n} } \\ {a_{21} } & {a_{22} -k} & {\ldots } & {a_{2n} } \\ {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } \\ {a_{n1} } & {a_{n2} } & {\ldots } & {a_{nn} -k} \end{array}\right|=0$.

Это уравнение называется характеристическим.

Пусть все корни $k_{1} ,k_{2} ,\ldots ,k_{n} $ характеристического уравнения различны. Для каждого значения $k_{i} $ из системы $\left(\begin{array}{cccc} {a_{11} -k} & {a_{12} } & {\ldots } & {a_{1n} } \\ {a_{21} } & {a_{22} -k} & {\ldots } & {a_{2n} } \\ {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } \\ {a_{n1} } & {a_{n2} } & {\ldots } & {a_{nn} -k} \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {\alpha _{1} } \\ {\alpha _{2} } \\ {\ldots } \\ {\alpha _{n} } \end{array}\right)=0$ может быть определена матрица значений $\left(\begin{array}{c} {\alpha _{1}^{\left(i\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(i\right)} } \\ {\ldots } \\ {\alpha _{n}^{\left(i\right)} } \end{array}\right)$.

Одно из значений в этой матрице выбирают произвольно.

Окончательно, решение данной системы в матричной форме записывается следующим образом:

$\left(\begin{array}{c} {y_{1} } \\ {y_{2} } \\ {\ldots } \\ {y_{n} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc} {\alpha _{1}^{\left(1\right)} } & {\alpha _{1}^{\left(2\right)} } & {\ldots } & {\alpha _{2}^{\left(n\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(1\right)} } & {\alpha _{2}^{\left(2\right)} } & {\ldots } & {\alpha _{2}^{\left(n\right)} } \\ {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } & {\ldots } \\ {\alpha _{n}^{\left(1\right)} } & {\alpha _{2}^{\left(2\right)} } & {\ldots } & {\alpha _{2}^{\left(n\right)} } \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {C_{1} \cdot e^{k_{1} \cdot x} } \\ {C_{2} \cdot e^{k_{2} \cdot x} } \\ {\ldots } \\ {C_{n} \cdot e^{k_{n} \cdot x} } \end{array}\right)$,

где $C_{i} $ -- произвольные постоянные.

Задача

Решить систему ДУ $\left\{\begin{array}{c} {\frac{dy_{1} }{dx} =5\cdot y_{1} +4y_{2} } \\ {\frac{dy_{2} }{dx} =4\cdot y_{1} +5\cdot y_{2} } \end{array}\right. $.

Записываем матрицу системы: $A=\left(\begin{array}{cc} {5} & {4} \\ {4} & {5} \end{array}\right)$.

В матричной форме данная СОДУ записывается так: $\left(\begin{array}{c} {\frac{dy_{1} }{dt} } \\ {\frac{dy_{2} }{dt} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} {5} & {4} \\ {4} & {5} \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {y_{1} } \\ {y_{2} } \end{array}\right)$.

Получаем характеристическое уравнение:

$\left|\begin{array}{cc} {5-k} & {4} \\ {4} & {5-k} \end{array}\right|=0$, то есть $k^{2} -10\cdot k+9=0$.

Корни характеристического уравнения: $k_{1} =1$, $k_{2} =9$.

Составляем систему для вычисления $\left(\begin{array}{c} {\alpha _{1}^{\left(1\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(1\right)} } \end{array}\right)$ при $k_{1} =1$:

\[\left(\begin{array}{cc} {5-k_{1} } & {4} \\ {4} & {5-k_{1} } \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {\alpha _{1}^{\left(1\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(1\right)} } \end{array}\right)=0,\]

то есть $\left(5-1\right)\cdot \alpha _{1}^{\left(1\right)} +4\cdot \alpha _{2}^{\left(1\right)} =0$, $4\cdot \alpha _{1}^{\left(1\right)} +\left(5-1\right)\cdot \alpha _{2}^{\left(1\right)} =0$.

Положив $\alpha _{1}^{\left(1\right)} =1$, получаем $\alpha _{2}^{\left(1\right)} =-1$.

Составляем систему для вычисления $\left(\begin{array}{c} {\alpha _{1}^{\left(2\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(2\right)} } \end{array}\right)$ при $k_{2} =9$:

\[\left(\begin{array}{cc} {5-k_{2} } & {4} \\ {4} & {5-k_{2} } \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {\alpha _{1}^{\left(2\right)} } \\ {\alpha _{2}^{\left(2\right)} } \end{array}\right)=0, \]

то есть $\left(5-9\right)\cdot \alpha _{1}^{\left(2\right)} +4\cdot \alpha _{2}^{\left(2\right)} =0$, $4\cdot \alpha _{1}^{\left(2\right)} +\left(5-9\right)\cdot \alpha _{2}^{\left(2\right)} =0$.

Положив $\alpha _{1}^{\left(2\right)} =1$, получаем $\alpha _{2}^{\left(2\right)} =1$.

Получаем решение СОДУ в матричной форме:

\[\left(\begin{array}{c} {y_{1} } \\ {y_{2} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} {1} & {1} \\ {-1} & {1} \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c} {C_{1} \cdot e^{1\cdot x} } \\ {C_{2} \cdot e^{9\cdot x} } \end{array}\right).\]

В обычной форме решение СОДУ имеет вид: $\left\{\begin{array}{c} {y_{1} =C_{1} \cdot e^{1\cdot x} +C_{2} \cdot e^{9\cdot x} } \\ {y_{2} =-C_{1} \cdot e^{1\cdot x} +C_{2} \cdot e^{9\cdot x} } \end{array}\right. $.