Главная страница
Навигация по странице:

  • 2. Сведение уравнения n -го порядка к нормальной системе. Метод исклю- чения.

  • 8.222. 3 y xy ′ = 0 y y ′′−+′′′(4)2 0 y y −= . Решить системы методом исключения: 8.224.

  • 3. Собственные значения и собственные векторы матрицы.

  • 8.225. 8.226. 8 2 9 1⎛⎜ − −⎝⎠⎞⎟4 5 1 2−⎛⎞⎜⎟−⎝⎠8.227. 2 2 5 0−⎛⎞⎜⎟⎝⎠8.228.

  • 4. Решение однородных линейных систем с постоянными коэффициентами методами линейной алгебры.

  • 8.231. {2,2 x x y y y = − −= −+ x 8.232.

  • 8.233. {3 ,5 . x x y y x = += − + y 8.234.

  • 8.237. {2 55 6, x x y y x y =−=−8.238.

  • 8.241. 2, x x y = −−8 2 y x y =+;(0) 0 x =, (0) 2 y =8.242.

  • Задачи повышенной сложности 8.243.

  • матан 3 семестр. Контрольные вопросы по математике для студентов 3 семестра Москва 2007 удк 517 (075. 8) Задачи и контрольные вопросы по математике для студентов 3 семестра


    Скачать 2.42 Mb.
    НазваниеКонтрольные вопросы по математике для студентов 3 семестра Москва 2007 удк 517 (075. 8) Задачи и контрольные вопросы по математике для студентов 3 семестра
    Анкорматан 3 семестр.pdf
    Дата09.05.2017
    Размер2.42 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файламатан 3 семестр.pdf
    ТипКонтрольные вопросы
    #7378
    страница4 из 11
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
    § 3. Системы дифференциальных уравнений
    1. Основные понятия.
    Система дифференциальных уравнений вида
    1 1
    1 2
    2 2
    1 2
    1 2
    ( , , ,
    ,
    ),
    ( , , ,
    ,
    ),
    ( , , ,
    ,
    ),
    n
    n
    n
    n
    n
    y
    f x y y
    y
    y
    f x y y
    y
    y
    f x y y
    y
    ′ =

    ⎪ ′ =
    ⎨ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
    ⎪ ′ =




    (1) связывающая независимую переменную
    x, n искомых функций
    , их производные 1-го порядка, и разрешенная относительно этих производных, называ- ется
    нормальной системой.
    1 2
    ( ),
    ( ),
    ,
    ( )
    n
    y x y x
    y x

    Число
    n, равное сумме порядков уравнений системы (совпадающее для системы
    (1) с числом искомых функций и числом уравнений), называется
    порядком системы.
    Решением (частным решением) системы (1) на интервале I называется всякая совокупность (система)
    n функций
    1 1
    2 2
    ( ),
    ( ),
    ,
    ( )
    n
    n
    y
    x y
    x
    y
    x
    = ϕ
    = ϕ
    = ϕ

    , при подстанов- ке которых в систему вместе с их производными каждое уравнение системы обращает- ся в тождество относительно
    x I
    ∈ .
    Равенства вида
    0 0
    0 1
    0 2
    0 0
    1 2
    ( )
    , ( )
    ,
    , ( )
    n
    y x
    y y x
    y
    y x
    y
    =
    =

    n
    =
    (2)
    (используется также запись
    0 0
    0 0
    0 0
    1 2
    1 2
    |
    ,
    |
    ,
    ,
    |
    x x
    x x
    n x x
    n
    y
    y y
    y
    y
    y
    =
    =
    =
    =
    =
    =

    ), где
    0 0
    0 0
    1 2
    ,
    ,
    ,
    ,
    n
    x y y
    y

    – заданные числа (начальные значения), называются начальными условиями для систе- мы (1). Задача отыскания решения системы (1), удовлетворяющего заданным началь- ным условиям (2), называется
    задачей Коши для этой системы.
    33

    Теорема (существования и единственности решения задачи Коши для системы
    (1)).
    Если функции
    1 2
    , ,
    ,
    n
    f f f
    из нормальной системы (1) непрерывны вместе с част-
    ными производными
    i
    j
    f
    y


    по переменным
    ,
    1 2
    , ,
    ,
    n
    y y
    y

    ,
    1, 2,
    ,
    i j
    n
    =

    )
    , в некоторой об-
    ласти
    , то для любой точки
    1
    n
    D
    +
    ⊂ R
    0 0
    0 0
    1 2
    ,
    ,
    ,
    ,
    n
    (
    x y y
    y
    D


    задача Коши для системы
    (1)
    с начальными условиями (2) имеет и притом единственное решение.
    Совокупность
    n функций
    1 1
    1 2
    2 2
    1 2
    1 2
    ( , ,
    ,
    ,
    ),
    ( , ,
    ,
    ,
    ),
    ,
    ( , ,
    ,
    ,
    )
    n
    n
    n
    n
    y
    x C C
    C
    y
    x C C
    C
    y
    x C C
    C
    = ϕ
    = ϕ
    = ϕ



    n

    (3) называется
    общим решением системы (1), если:
    1) при любых допустимых значениях параметров она является ре- шением этой системы;
    1 2
    ,
    ,
    ,
    n
    C C
    C

    2) любое решение системы (кроме, быть может, отдельных решений) может быть получено из (3) при некоторых значениях параметров (т.е. для любой точки
    0 0
    0 0
    1 2
    ( ,
    ,
    ,
    , )
    n
    x y y
    y
    D


    (см. теорему) найдутся такие значения параметров
    , при которых функции (3) будут удовлетворять начальным условиям (2)).
    1 2
    ,
    ,
    ,
    n
    C C
    C

    Пример 1. Показать, что совокупность функций
    3 1
    2
    x
    x
    y C e
    C e

    =
    +
    ,
    3 1
    2 2
    2
    x
    x
    z
    C e
    C e

    =

    является общим решением системы
    {
    ,
    4 .
    y
    y z
    z
    z
    y
    ′ = −
    ′ = −
    Найти частное решение этой системы, удовлетворяющее начальным условиям
    ,
    (0)
    1
    y
    = −
    (0) 2
    z
    =
    3Проверим выполнение условий из определения общего решения.
    1)
    Число произвольных постоянных в функциях данной совокупности равно 2, что сов- падает с порядком системы.
    2)
    При любых значениях
    1
    C
    и
    2
    C
    функции
    y и z образуют решение системы:
    {
    {
    3 3
    1 2
    1 2
    3 3
    1 2
    1 2
    ,
    3 2
    2 2
    6
    ,
    ;
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    y C e
    C e
    y
    C e
    C e
    z
    C e
    C e
    z
    C e
    C e




    x

    =
    +
    = −
    +


    =

    = −

    подставляя в данную систему
    y, z, y′ и z′ , получим тождества:
    {
    3 3
    3 1
    2 1
    2 1
    2 3
    3 1
    2 1
    2 1
    2 3
    (2 2
    2 6
    2 2
    4(
    )
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    x
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e







    +
    =
    +





    =


    +
    3
    ),
    {
    3 3
    1 2
    1 2
    3 3
    1 2
    1 2
    3 3
    2 6
    2 6
    x
    x
    x
    ,
    x
    x
    x
    x
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e
    C e





    +
    = −
    +


    = −

    x
    x
    ∀ ∈ R
    3) Каковы бы ни были начальные значения
    0 0
    0
    , ,
    x y z
    , система уравнений
    {
    0 0
    0 0
    3 0
    1 2
    3 0
    1 2
    ,
    2 2
    x
    x
    x
    x
    y
    C e
    C e
    z
    C e
    C e


    =
    +
    =

    имеет, притом единственное решение относительно и
    , т. к. ее определитель
    1
    C
    2
    C
    0 0
    0 0
    0 3
    2 0
    3 4
    0 2
    2
    x
    x
    x
    x
    x
    e
    e
    e
    x
    e
    e


    Δ =
    = −

    ∀ ∈

    R
    Поскольку все условия определения общего решения выполнены, то данная совокуп- ность функций является общим решением данной системы.
    34

    Для нахождения частного решения после подстановки начальных значений
    , и
    2 в общее решение получим систему
    0
    x
    =
    1
    y
    = −
    z
    =
    {
    1 2
    1 2
    1
    ,
    2 2 2
    C
    C
    C
    C
    − =
    +
    =

    ,
    откуда
    , и, следовательно, искомое частное решение есть
    1 0
    C
    =
    2 1
    C
    = −
    3
    x
    y
    e
    = −
    ,
    3 2
    x
    z
    e
    =
    4
    8.219.
    Показать, что функции
    2 1
    3
    x
    y
    x
    = +
    ,
    2 1
    3
    x
    x
    z e
    x
    =
    − −
    образуют решение системы
    2 1
    ,
    y
    y
    x
    ′ = −
    2 1.
    y
    z
    y z
    x
    ′ = + +

    8.220.
    Показать, что функции
    2 1
    C x
    y C e
    =
    ,
    2 1 2 1
    C x
    z
    e
    C C

    = −
    образуют решение системы
    1
    z
    y
    = −
    ,
    1
    y
    z
    =
    при любых
    ,
    ,
    . Найти решение этой системы, удовлетворяющее начальным условиям
    1
    C
    2
    C
    1 2 0
    C C

    y(0) 1
    = ,
    (0) 2
    z
    =
    2. Сведение уравнения n-го порядка к нормальной системе. Метод исклю-
    чения.
    Дифференциальное уравнение
    n-го порядка
    ( )
    (
    1)
    ( , , ,
    ,
    )
    n
    n
    y
    f x y y
    y


    =

    путем введения функций
    (
    1)
    1 2
    ,
    ,
    ,
    n
    n
    y
    y y
    y
    y
    y


    =
    =
    =

    можно свести к нормальной системе
    n- го порядка:
    1 2
    2 3
    1 2
    ,
    ,
    ( , , ,
    ,
    ).
    n
    n
    y
    y
    y
    y
    y
    f x y y
    y
    ′ =

    ⎪ ′ =
    ⎨ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
    ⎪ ′ =


    Пример 2. Привести к нормальной системе дифференциальное уравнение
    2 0
    y
    xy
    y
    ′′

    +

    =
    3Положим z y
    = . Тогда z
    y

    ′′
    =
    , и уравнение приводится к нормальной системе
    {
    2
    ,
    y
    z
    z
    y
    xz
    ′ =
    ′ =

    4
    Решение нормальной системы
    n-го порядка методом исключения основано на сведении системы к дифференциальному уравнению
    n-го порядка относительно одной из неизвестных функций (или, в отдельных случаях, к нескольким дифференциальным уравнениям с одной неизвестной функцией в каждом). Например, при
    , для реше- ния системы
    2
    n
    =
    {
    1 1
    1 2
    2 2
    1 2
    ( , ,
    ),
    ( , ,
    ),
    y
    f x y y
    y
    f x y y
    ′ =
    ′ =
    выражаем из первого уравнения
    2 1
    ( , , )
    y
    g x y y
    1

    =
    (или
    1 2
    ( , ,
    )
    y
    h x y y
    2

    =
    из второго), после чего, находя полную производную
    2
    dy
    dx
    и подставляя эти выражения во второе уравне-
    35
    ние (соответственно
    1
    dy
    dx
    и подставляя в первое), получаем уравнение 2-го порядка от- носительно функции
    (
    соответственно). Найдя его общее решение
    1
    y
    2
    y
    1 1
    1 2
    ( , ,
    )
    y
    x C C
    = ϕ
    и подставив эту функцию в выражение
    2 1
    ( , , )
    y
    g x y y
    1
    =
    , получим и, следовательно, общее решение системы как совокупность этих двух функций.
    2 2
    1
    ( , ,
    )
    y
    x C
    = ϕ
    2
    C
    Пример 3. Решить методом исключения систему
    {
    ,
    4 .
    y
    y z
    z
    z
    y
    ′ = −
    ′ = −
    3Выразим из первого уравнения z: z y y
    = − . Отсюда z
    y
    y


    ′′
    = −
    . Подставив эти выражения во второе уравнение системы, получим уравнение 2-го порядка относи- тельно
    y:
    4
    y
    y
    y

    y




    = − − y или
    2 3
    y
    y
    0
    y
    ′′



    = .
    Общее решение этого о.л.д.у. с постоянными коэффициентами имеет вид
    3 1
    2
    x
    x
    y C e
    C e

    =
    +
    Отсюда
    3 1
    2 3
    x
    x
    C e
    y
    C
    ′ = − e

    +
    и
    3 3
    1 2
    (
    3
    )
    3 1
    2 1
    2 2
    2
    x
    x
    x
    x
    y
    e
    e
    C e
    C e



    = −
    − −
    +
    =
    x
    x
    C e
    C e


    z
    y
    C
    =
    C
    +
    Таким образом,
    {
    3 1
    2 3
    1 2
    ,
    2 2
    x
    x
    x
    x
    y C e
    C e
    z
    C e
    C e


    =
    +
    =

    – общее решение данной системы.
    4
    Привести к нормальным системам дифференциальные уравнения:
    8.221.
    8.222.
    3
    y
    xy
    ′ = 0
    y
    y′′

    +
    ′′′
    (4)
    2 0
    y
    y

    = .
    Решить системы методом исключения:
    8.224.
    {
    8.223.
    1 1
    ,
    z
    y
    y
    ⎧ =
    ′ =
    z


    2
    ,
    3 4 .
    y
    y z
    z
    y
    z
    ′ =
    +
    ′ =
    +
    1
    n
    3. Собственные значения и собственные векторы матрицы.
    Пусть
    A – квад- ратная матрица
    n-го порядка, X – матрица-столбец размера
    ×
    , называемая далее (
    n-
    мерным) вектором, 0 – нулевой вектор. Число
    λ (действительное или комплексное) на- зывается
    собственным значением, а вектор
    0
    X
    ≠ (возможно и с комплексными компо- нентами) –
    соответствующим собственным вектором матрицы A, если
    AX
    = λ
    0
    X
    Алгебраическое уравнение
    n-й степени det(
    )
    A
    E
    − λ
    det( )
    = относительно неизвест- ной
    λ, где E – единичная матрица n-го порядка, а
    ⋅ означает определитель, называ- ется
    характеристическим уравнением матрицы A. Все собственные значения матрицы
    A совпадают с корнями ее характеристического уравнения; отсюда следует, что для любой матрицы
    A существует от одного до n собственных значений. Собственные век- торы, соответствующие различным собственным значениям, линейно независимы. Для нахождения всех собственных векторов, соответствующих собственному значению
    λ, необходимо найти все ненулевые решения однородной системы линейных уравнений
    36

    (
    )
    A
    E X
    − λ
    = 0 , где X – вектор из неизвестных; компоненты каждого такого решения, записанные в столбец, образуют собственный вектор.
    Пример 4. Найти собственные значения и какие-нибудь соответствующие соб- ственные векторы матрицы
    1 1
    4 1
    A



    = ⎜




    3Составим характеристическое уравнение матрицы A (
    ,
    ):
    1 0 0 1
    E

    = ⎜



    0 0
    E
    λ


    λ = ⎜

    λ


    2 1
    1
    det(
    )
    2 3 0 4 1
    A
    E
    − λ −
    − λ
    =
    = λ − λ − =

    − λ
    Его корни, т.е. собственные значения матрицы
    A,
    1 1
    λ = −
    ,
    2 3
    λ =
    . Пусть
    1 1
    2
    X
    α

    = ⎜ ⎞⎟
    α


    и
    – соответствующие собственные векторы. Для нахождения
    1 2
    2
    X
    β

    = ⎜β
    ⎝ ⎠


    1
    X
    составим од- нородную систему линейных уравнений
    1 1
    1 1
    2 2
    1
    (
    )
    (
    )
    4 2
    A
    E X
    A E X

    α

    ⎞⎛

    − λ
    =
    +
    =
    =

    ⎟⎜


    α

    ⎠⎝

    0
    , т.е.
    {
    1 2
    1 2
    2 0
    4 2
    α − α = ,
    0.
    − α + α =
    Одно из ненулевых решений этой системы
    1 1
    α =
    ,
    2 2
    α =
    . Таким образом, один из соб- ственных векторов, соответствующих собственному значению
    1
    λ
    , имеет вид
    1 1
    2
    X
    ⎛ ⎞
    = ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    (Заметим, что общее решение системы
    1 1
    C
    α =
    ,
    2 2
    C
    1
    α =
    , где
    – произвольная посто- янная, так что равенство
    ,
    1
    C
    1 1
    1 2
    X
    C ⎛ ⎞
    =
    ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    1 0
    C

    , определяет
    все собственные векторы, со- ответствующие собственному значению
    1
    λ
    .)
    Аналогично находим
    2
    X
    :
    {
    1 1
    2 2
    2 2
    1 2
    1 2
    0,
    (
    )
    (
    3 )
    0 4
    2 4
    2
    A
    E X
    A
    E X
    2 2
    0,


    β
    − β − β =

    ⎞⎛ ⎞
    − λ
    =

    =
    = ⇒

    ⎟⎜ ⎟


    β
    − β − β =

    ⎠⎝ ⎠
    1 1
    β =
    ,
    , и, следовательно,
    2 2
    β = −
    2 1
    2
    X

    = ⎜ ⎞⎟



    . Ответ:
    1 1
    λ = −
    ,
    ;
    ,
    4 1
    1 2
    X
    ⎛ ⎞
    = ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    2 3
    λ =
    2
    X
    = 1 2







    Найти собственные значения и какие-нибудь соответствующие соб- ственные векторы матриц:
    8.225.
    8.226.
    8 2 9 1

    ⎜ − −




    4 5 1 2








    8.227.
    2 2 5 0







    8.228.
    8.229.
    5 3 3 1








    2 1 2 5
    3 3 1 0 2












    8.230.
    4 5 2 5 7 3 6 9 4











    37

    4. Решение однородных линейных систем с постоянными коэффициентами
    методами линейной алгебры.
    Однородная линейная система дифференциальных
    уравнений (о.л.с.д.у.) n-го порядка имеет вид
    1 11 1
    12 2
    1 2
    21 1
    22 2
    2 1
    1 2
    2
    ( )
    ( )
    ( ) ,
    ( )
    ( )
    ( ) ,
    ( )
    ( )
    ( ) ,
    n
    n
    n
    n
    n
    n
    n
    nn
    n
    x
    a t x
    a t x
    a t x
    x
    a t x
    a
    t x
    a
    t x
    x
    a t x
    a
    t x
    a
    t x
    =
    +
    +
    +

    ⎪ =
    +
    +
    +
    ⎨ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
    ⎪ =
    +
    +
    +




    (4) где
    t – независимая переменная,
    1 2
    , ,
    ,
    n
    x x x
    – искомые функции от
    t,
    i
    i
    dx
    x
    dt
    =
    . Если ввести матрицы
    11 12 1
    21 22 2
    1 2
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    ( )
    n
    n
    n
    n
    nn
    a t a t
    a t
    a t a
    t
    a
    t
    A t
    a t a
    t
    a
    t



    = ⎜ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅








    ⎟ (матрица системы),
    1 2
    n
    x
    x
    X
    x
    ⎛ ⎞
    ⎜ ⎟
    = ⎜ ⎟
    ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    и
    1 2
    n
    x
    x
    X
    x
    ⎛ ⎞
    ⎜ ⎟
    = ⎜ ⎟
    ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    , то равенство ( )
    X
    A t X
    =
    есть
    матричная запись системы (4).
    Произвольное решение системы (4) можно записать в виде матрицы-столбца
    (
    вектор-функции) ( )
    X t . Всякая совокупность из n линейно независимых решений
    ( )
    k
    X t
    ,
    , называется
    фундаментальной системой решений системы (4).
    Справедлива
    1, 2,
    k
    =
    … , n
    Теорема (о структуре общего решения о.л.с.д.у.).
    Если
    1 2
    ,
    ,
    ,
    n
    X X X
    – какая-
    нибудь фундаментальная система решений системы (4), то ее общее решение имеет вид:
    1 1 2
    2
    n
    n
    X
    C X
    C X
    C X
    =
    +
    +
    +

    ,
    где
    – произвольные постоянные.
    1 2
    ,
    ,
    ,
    n
    C C
    C

    В частном случае систем с постоянными коэффициентами, когда
    , т.е. матрица не зависит от t, для отыскания фундаментальной системы реше- ний может быть использован аппарат собственных значений и собственных векторов.
    ( ) const
    ij
    a t
    =
    ( )
    A t
    A
    =
    Характеристическое уравнение det(
    ) 0
    A
    E
    − λ
    = матрицы A о.л.с.д.у. с постоян- ными коэффициентами
    X
    AX
    =
    (5) называется
    характеристическим уравнением этой системы.
    Теорема (о характеристическом уравнении).
    Вектор-функция
    ( )
    0
    t
    X t
    Ye
    λ
    =
    ,
    где Y – числовой n-мерный вектор, тогда и только тогда является решением системы
    (5)
    , когда
    λ есть собственное значение матрицы A (корень характеристического урав-
    нения системы), а Y – соответствующий собственный вектор.
    Рассмотрим подробно случай
    2
    n
    =
    , т.е. систему
    {
    11 12 21 22
    ,
    x a x a y
    y a x a y
    =
    +
    =
    +
    Тогда характеристическое уравнение
    11 12 21 22 0
    a
    a
    a
    a
    − λ
    =
    − λ
    является квадратным и, следовательно, возможны следующие 3 случая:
    38
    а) характеристическое уравнение имеет 2 различных действительных корня
    1
    λ
    и
    . Тогда, если
    1
    и
    2
    – какие-нибудь соответствующие собственные векторы, век- тор-функц
    2
    λ
    Y
    Y
    1t
    ии
    1 1
    X
    Y e
    λ
    =
    и
    2 2
    2
    t
    X
    Y e
    λ
    =
    о образуют фундаментальную систему решений и, следовательно, согласно теореме структуре общего решения оно имеет вид
    1 1 2
    2
    X
    C X
    C
    =
    +
    X
    ; б) корни характеристического уравнения
    i
    λ = α + β и
    i
    λ = α − β комплексно со- пряжены. В этом случае, найдя для собственного значения
    λ какой-нибудь соответст- вующий собственный вектор
    Y (с комплексными компонентами), в качестве фундамен- тальной системы решений можно взять действительную и мнимую части комплексного решения
    , т.е.
    t
    Ye
    λ
    1
    Re
    t
    X
    Ye
    λ
    =
    и
    2
    Im
    t
    X
    Ye
    λ
    =
    ; в) характеристическое уравнение имеет двукратный действительный корень
    λ
    Тогда одно из решений фундаментальной системы
    1
    t
    X
    Ye
    λ
    =
    , где – один из соответ- ствующих собственных векторов. Если существует собственный вектор
    Y
    Z , линейно не зависимый от – этот случай имеет место, когда
    Y
    A aE
    =
    , т.е. система распадается на два независимых уравнения (тогда все ненулевые векторы – собственные), – то другое решение имеет вид
    2
    t
    X
    Ze
    λ
    =
    . В противном случае
    2
    (
    )
    t
    X
    Y tY e
    λ
    =
    +
    , где – любое ре- шение системы (
    )
    (другой способ нахождения общего решения системы (5) в этом случае – положить одну из неизвестных функций равной
    (либо
    , если система содержит уравнение с одной неизвестной функцией), а оставшуюся функцию определить из системы после подстановки в нее первой функции).
    Y
    e C
    +
    A
    E Y
    − λ
    = Y
    1 2
    t
    C t
    λ
    (
    )
    1
    t
    C e
    λ
    Пример 5. Найти общее решение системы
    {
    ,
    4 .
    x
    x y
    y
    y
    x
    = −
    = −
    3Матрица системы
    1 1
    4 1
    A



    = ⎜




    Ее собственные значения и соответствующие собственные векторы
    ,
    ,
    ,
    (см. пример 4). Следовательно, вектор-функции
    1 1
    λ = −
    1 2
    3
    λ =
    t
    1 1
    2
    Y
    ⎛ ⎞
    = ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    2 1
    2
    Y

    = ⎜ −




    1 2
    X
    e

    ⎛ ⎞
    ⎜ ⎟
    ⎝ ⎠
    =
    и
    3
    t
    2 1
    2
    X
    e






    = −
    – фундаментальная система решений, и общее решение системы имеет вид
    3 1 1 2
    2 1
    2 1
    1 2
    2
    t
    t
    x
    X
    C X
    C X
    C
    e
    C
    e
    y

    ⎛ ⎞
    ⎛ ⎞


    =
    =
    +
    =
    +
    ⎜ ⎟
    ⎜ ⎟



    ⎝ ⎠
    ⎝ ⎠


    , т.е.
    {
    3 1
    2 3
    1 2
    ,
    2 2
    t
    t
    t
    t
    x C e
    C e
    y
    C e
    C e


    =
    +
    =

    4
    Пример 6. Найти общее решение системы
    {
    ,
    2 3
    x
    x y
    y
    x
    = +
    = −
    + .
    y
    3Характеристическое уравнение
    2 1
    1 4
    5 2 3
    − λ
    0
    = λ − λ + =

    − λ
    39
    имеет комплексно сопряженные корни
    1,2 2
    i
    λ = ± . Для нахождения какого-нибудь соб- ственного вектора
    , соответствующего собственному значению
    , име- ем систему
    1 2
    Y
    α

    = ⎜α




    2 i
    λ = +
    1 2
    1 1
    (
    )
    2 1
    i
    A
    E Y
    i
    − −
    α

    ⎞⎛
    − λ
    =
    =

    ⎟⎜


    α

    ⎠⎝
    0



    или
    {
    1 2
    1 2
    ( 1
    )
    0,
    2
    (1
    )
    i
    i
    0.
    − − α + α =
    − α + − α =
    Пусть
    . Тогда
    1 1
    α =
    2 1
    i
    α = +
    , т.е.
    1 1
    Y
    i

    = ⎜


    +


    . Итак, данная система имеет комплексное решение вида
    (2 )
    2 1
    cos sin
    1
    (cos sin )
    (cos sin )
    t
    i t
    t i
    t
    t
    X
    Ye
    e
    e
    i
    t
    t
    i
    t
    λ
    +
    +




    =
    =
    =




    +

    +
    +




    t
    t
    (использована формула Эйлера cos sin
    it
    e
    t i
    =
    +
    ). В качестве фундаментальной системы решений
    1
    X
    и
    2
    X
    возьмем Re
    X и Im X соответственно:
    2 1
    cos cos sin
    t
    t
    X
    e
    t
    t


    = ⎜




    ,
    2 2
    sin cos sin
    t
    t
    X
    e
    t
    t


    = ⎜

    +


    Итак, общее решение системы
    2 2
    1 2
    cos sin cos sin cos sin
    t
    t
    x
    t
    t
    C
    e
    C
    y
    t
    t
    t
    ⎛ ⎞




    =
    +
    ⎜ ⎟





    +
    ⎝ ⎠




    e
    t
    , или
    {
    2 1
    2 2
    1 2
    2 1
    ( cos sin ),
    ((
    ) cos
    (
    )sin ).
    t
    t
    x e C
    t C
    t
    y e
    C
    C
    t
    C
    C
    t
    =
    +
    =
    +
    +

    4
    Пример 7. Найти частное решение системы
    {
    2
    ,
    4 6 ,
    x
    x y
    y
    x
    y
    =

    =
    +
    удовлетворяющее начальным условиям (0) 0
    x
    = , (0) 1
    y
    = .
    3Характеристическое уравнение
    2 2
    1 8
    16 4
    6
    − λ −
    0
    = λ − λ +
    =
    − λ
    имеет корень кратности 2. Находим соответствующий собственный вектор:
    4
    λ =
    {
    1 1
    2 1
    2 1 2
    0 0
    4 2
    4 2
    0
    − −
    α
    − α − α =

    ⎞⎛
    ⎞ = ⇒

    ⎟⎜

    2 2
    ,
    ,
    α
    α + α =

    ⎠⎝

    откуда
    ,
    ,
    . Следовательно,
    1 1
    α =
    2 2
    α = −
    1 2
    Y

    = ⎜ −




    4 1
    1 2
    t
    X
    e


    = ⎜ ⎟



    . Для определения
    2
    X
    найдем любое решение системы
    Y
    1 2
    2 1 4
    2
    − −
    β




    1 2
    ⎛ ⎞ ⎛

    =
    ⎜ ⎟ ⎜

    β

    ⎝ ⎠ ⎝



    , например,
    1 0
    β =
    ,
    2 1
    β = −
    , т.е.
    Y
    . Отсюда
    0 1
    ⎛ ⎞
    ⎜ ⎟

    ⎝ ⎠
    =
    4 4
    2 0
    1
    (
    )
    (
    )
    1 2
    1 2
    t
    t
    t
    t
    X
    Y tY e
    t e
    e
    t
    λ
    ⎛ ⎞ ⎛



    =
    +
    =
    +
    =
    ⎜ ⎟ ⎜





    − −
    ⎝ ⎠ ⎝



    Итак, общее решение данной системы
    {
    4 1
    2 4
    1 2
    2
    (
    ),
    ( 2 2
    ).
    t
    t
    x e C
    C t
    y e
    C
    C
    C t
    =
    +
    =



    40

    Для нахождения частного решения константы и определяем из системы
    1
    C
    2
    C
    {
    1 1
    2 0
    ,
    1 2
    C
    C
    C
    =
    = −

    ,
    полученной в результате подстановки начальных значений
    0
    t
    =
    , и
    1 0
    x
    =
    y
    = в общее решение, откуда
    ,
    , и, следовательно, искомое частное решение есть
    1 0
    C
    =
    2 1
    C
    = −
    {
    4 4
    ,
    (1 2 ).
    t
    t
    x
    te
    y e
    t
    = −
    =
    +
    4
    Решить характеристические уравнения систем:
    8.231.
    {
    2
    ,
    2
    x
    x y
    y
    y
    = − −
    = −
    + x
    8.232.
    {
    2 ,
    2 4 .
    x x
    y
    y
    x
    = −
    =
    y
    Решить системы дифференциальных уравнений:
    8.233.
    {
    3 ,
    5 .
    x x
    y
    y
    x
    = +
    = − + y
    8.234.
    {
    ,
    2 3
    x
    y
    y
    x
    =
    = − + .
    y
    ,
    8.235.
    {
    4 5
    2 3
    x
    x
    y
    y
    x
    =

    =
    y
    ,
    8.236.
    {
    2 3
    2 .
    x
    x
    y
    y x
    y
    =

    = −
    8.237.
    {
    2 5
    5 6
    ,
    x
    x
    y
    y
    x
    y
    =

    =

    8.238.
    {
    3 2
    4 7
    ,
    x
    x
    y
    y
    x
    =

    =
    + y
    8.239.
    {
    2 ,
    2 5
    x
    x
    y
    y
    x
    = − +
    = − − y
    8.240.
    {
    4 ,
    3 .
    x x
    y
    y x
    y
    = −
    = −
    Решить задачи Коши:
    8.241.
    2
    ,
    x
    x y
    = −

    8 2
    y
    x
    y
    =
    +
    ;
    (0) 0
    x
    =
    ,
    (0) 2
    y
    =
    8.242.
    2 ,
    x x
    y
    = +
    4 ;
    y
    x
    y
    = − +
    (0) 2
    x
    =
    ,
    (0) 1
    y
    =
    Задачи повышенной сложности
    8.243.
    Материальная точка массой m движется под действием силы притяжения к неподвижному центру O, пропорциональной расстоянию от точки до центра с коэффициентом пропорциональности k. Движение начи- нается из точки A на расстоянии a от центра с начальной скоростью
    , перпендикулярной к отрезку OA. Найти траекторию движения.
    0
    v
    8.244.
    Решить систему: 2
    ,
    x x
    y z
    = −

    ,
    z
    y
    x y
    = − + +
    z x z
    = −
    41

    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


    написать администратору сайта