Статья опубликована в рамках: XIII Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 31 октября 2013 г.)
Наука: Математика
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
- Условия публикаций
- Все статьи конференции
дипломов
ОПЕРАЦИОННЫЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ И ИХ СИСТЕМ
Жгилев Данил Юрьевич
студент 2 курса, факультет электроэнергетики и электротехники ДВФУ, г. Владивосток
E-mail: danil-gw@mail.ru
Дмух Галина Юрьевна
научный руководитель, канд. пед. наук, доцент кафедры алгебры, геометрии и анализа, ДВФУ, г. Владивосток
Операционный метод приобрел большое значение при решении линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Эффективность применения операционного исчисления при решении линейных обыкновенных дифференциальных уравнений состоит в удобстве и простоте вычислений. Прежде всего это относится к решению систем таких уравнений [4, с. 131].
Рассмотрим обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами
(1)
где коэффициенты -постоянные величины, при начальных условиях
x(0)= , (0) , ... , (0)= (2)
где — заданные числа [3, с. 126].
Операционный метод решения состоит в том, что мы считаем как искомую функцию x(t), так и правую часть f(t) оригиналами и переходим от уравнения (1) , связывающего оригиналы, к уравнению, связывающему их изображения X(p) и F(p), тогда x(t)≑X(p), а f(t)≑F(p). Воспользуемся теоремой о дифференцировании оригинала:
,
.......
,
Применяя свойство линейности получаем вместо уравнения (1) алгебраическое соотношение, которое назовем изображением, или операторным уравнением:
++...+()+ [2, с. 127—128]
В результате мы получили уже не дифференциальное, а алгебраическое уравнение относительно неизвестного изображения X(p).
где ,
-алгебраические многочлены от p степени n и n-1 соответственно [1, с. 264].
Из последнего уравнения находим
(3)
Полученное равенство называют операторным решением дифференциального уравнения (1). Остается по полученному изображению X(p) найти оригинал x(t) , применяя для этого соответствующие правила операционного исчисления. Найденный оригинал x(t) будет являться частным решением дифференциального уравнения (1) [3, с. 128].
Пример: найдем решение дифференциального уравнения операционным методом при условиях
Решение:
пусть x(t)≑X(p)=X. Тогда
=
Подставим эти выражения в дифференциальное уравнение, получим операторное уравнение: . Отсюда X(p)=
Для нахождения оригинала разложим дробь на простейшие
A(p+1)+B(p-3)(p+1)+C=1
Ap+A+B-2Bp-3B+C-6Cp+9С=1
Составим систему уравнений:
Решив ее, получаем
Итак X(p)= , откуда
x(t)=— решение данного дифференциального уравнения.
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами можно решать операционными методами совершенно так же, как и отдельные уравнения; все отличие заключается лишь в том, что вместо одного изображающего уравнения приходим к системе таких уравнений, причем система эта в отношении изображений искомых функций будет линейно алгебраической. При этом никаких предварительных преобразований исходной системы дифференциальных уравнений производить не требуется [3, с. 134].
Метод решения таких систем покажем на примере.
Пример: решить систему дифференциальных уравнений
при начальных условиях x(0)=2 , y(0)=0.
Решение:
пусть x(t)≑X(p)=X, y(t)≑Y(p)=Y. Тогда
Подставим эти выражения в систему дифференциальных уравнений, система операторных уравнений принимает вид:
Решая эту систему уже алгебраических уравнений , находим:
X(p)= ,
Y(p)=
Раскладывая найденные изображения на простые дроби находим:
X(p)= ,
Y(p)= .
Переходя от изображений к оригиналам, получаем искомые решения:
x(t)=
y(t)=.
Таким образом операционный метод позволяет в ряде случаев значительно упростить процедуру нахождения решения линейных дифференциальных уравнений и их систем.
Список литературы:
1.Араманович И.Г., Лунц Г.Л., Эльсгольц Л.Э. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости. -М., Главная редакция физико-математической литературы, 1968 г., — стр. 416. — Избранные главы высшей математики для инженеров и студентов втузов. — 263—268 с.
2.Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Физматгиз, 1961. — 127—132 с.
3.Шостак Р.Я. Операционное исчисление. Краткий курс. Изд. второе, доп.Учебное пособие для вузов М. «Высшая школа», 1972 — 126—139 с.
4.Штокало И.3. Операционное исчисление (обобщения и приложения) Киев, Издательство «Наукова Думка», 1972 —131—144 с.
дипломов
Оставить комментарий