Math Learning 2.微分方程求解

本文详细介绍了微分方程的建立与求解过程,包括如何求解齐次方程,确定特解,以及利用初始条件确定系数,解析了微分方程在复杂系统中的应用。

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微分方程的建立与求解

对于一个复杂系统,设激励信号e(t)e(t)e(t),系统响应为r(t)r(t)r(t),则可以用一个高阶微分方程表示:
C0dndtnr(t)+C1dn−1dtn−1r(t)+⋅⋅⋅+Cn−1ddtr(t)+Cnr(t)=E0dmdtmr(t)+E1dm−1dtm−1r(t)+⋅⋅⋅+Em−1ddtr(t)+Emr(t)C_0\frac {d^n}{dt^n}r(t)+C_1\frac {d^{n-1}}{dt^{n-1}}r(t)+···+C_{n-1}\frac {d}{dt}r(t)+C_nr(t)=E_0\frac {d^m}{dt^m}r(t)+E_1\frac {d^{m-1}}{dt^{m-1}}r(t)+···+E_{m-1}\frac {d}{dt}r(t)+E_mr(t)C0dtndnr(t)+C1dtn1dn1r(t)++Cn1dtdr(t)+Cnr(t)=E0dtmdmr(t)+E1dtm1dm1r(t)++Em1dtdr(t)+Emr(t)
根据时域经典解法:微分方程的完全解由齐次解特解组成。

1. 齐次解:求解齐次方程:

C0dndtnr(t)+C1dn−1dtn−1r(t)+⋅⋅⋅+Cn−1ddtr(t)+Cnr(t)=0 C_0\frac {d^n}{dt^n}r(t)+C_1\frac {d^{n-1}}{dt^{n-1}}r(t)+···+C_{n-1}\frac {d}{dt}r(t)+C_nr(t)=0 C0dtndnr(t)+C1dtn1dn1r(t)++Cn1dtdr(t)+Cnr(t)=0
其中齐次解的形式是例如AeαtAe^{\alpha t}Aeαt函数的线性组合,令r(t)=Aeαtr(t)=Ae^{\alpha t}r(t)=Aeαt,经过化简得到微分方程的特征方程:
C0αn+C1αn−1+⋅⋅⋅+Cn−1α+Cn=0 C_0\alpha ^n+C_1\alpha ^{n-1}+···+C_{n-1}\alpha +C_n=0 C0αn+C1αn1++Cn1α+Cn=0
对应的n个根α1\alpha _{1}α1α2\alpha _{2}α2,···,αn\alpha _{n}αn称为微分方程的特征根。

  • 无重根时,齐次解:
    rh(t)=A1eα1t+A2eα2t+⋅⋅⋅+Aneαnt=∑i=1nAieαit r_h(t)=A_1e^{\alpha _1t}+A_2e^{\alpha _2t}+···+A_ne^{\alpha _nt}=\sum_{i=1}^{n}A_ie^{\alpha _it} rh(t)=A1eα1t+A2eα2t++Aneαnt=i=1nAieαit
  • 有三重根时,三次微分方程的齐次解如下:
    rh(t)=(A1+A2t+A3t2)eαt+A4eα2t r_h(t)=(A_1+A_2t+A_3t^2)e^{\alpha t}+A_4e^{\alpha _2t} rh(t)=(A1+A2t+A3t2)eαt+A4eα2t
    形式如下:

特征方程特征根齐次解的形式
(α−α1)(α−α2)=0(\alpha - \alpha _1)(\alpha - \alpha _2)=0(αα1)(αα2)=0α1=α1,α2=α2\alpha _1= \alpha _1, \alpha _2= \alpha _2α1=α1,α2=α2A1eα1t+A2eα2tA_1e^{\alpha _1t}+A_2e^{\alpha _2t}A1eα1t+A2eα2t
(α−α)3=0(\alpha - \alpha )^3=0(αα)3=0$\alpha = \alpha $(A1+A2t+A3t2)eαt(A_1+A_2t+A_3t^2)e^{\alpha t}(A1+A2t+A3t2)eαt
(α−a−bj)(α−a+bj)=0(\alpha - a-bj)(\alpha - a+bj)=0(αabj)(αa+bj)=0α1=a+bj,α2=a−bj\alpha _1=a+bj, \alpha _2=a-bjα1=a+bj,α2=abjeαt(A1cos⁡bt+A2sin⁡bt)e^{\alpha _t}(A_1 \cos bt+A_2 \sin bt)eαt(A1cosbt+A2sinbt)
2.求特解

特解rp(t)r_p(t)rp(t)形式:

激励函数e(t)e(t)e(t)响应函数r(t)r(t)r(t)的特解
EEE(常数)BBB
tpt^ptpB1tp+⋅⋅⋅+Bpt+Bp+1B_1t^p+···+B_pt+B_{p+1}B1tp++Bpt+Bp+1
eαte^{\alpha t}eαtBeαtBe^{\alpha t}Beαt
cos⁡(ωt)\cos (\omega t)cos(ωt)B1cos⁡(ωt)+B2sin⁡(ωt)B_1 \cos (\omega t)+ B_2 \sin(\omega t)B1cos(ωt)+B2sin(ωt)
sin⁡(ωt)\sin(\omega t)sin(ωt)B1cos⁡(ωt)+B2sin⁡(ωt)B_1 \cos (\omega t)+ B_2 \sin(\omega t)B1cos(ωt)+B2sin(ωt)

注: 如果所列特解与齐次解重合,则应在特解中倍乘$t$

3.借助初始条件确定系数

完全解:
r(t)=rh(t)+rp(t) r(t)=r_h(t)+r_p(t) r(t)=rh(t)+rp(t)

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