Equació diferencial lineal: diferència entre les revisions

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Contingut suprimit Contingut afegit
Cap resum de modificació
Línia 36: Línia 36:
== Equacions homogènies amb coeficients constants ==
== Equacions homogènies amb coeficients constants ==


El primer mètode de resoldre equacions diferencials lineals ordinàries amb coeficients constants és degut a [[Leonhard Euler|Euler]], que es va adonar que les solucions tenen la forma <math>e^{z x}</math>, per a valors possiblement [[nombre complex|complexos]] de <math>z</math>. La funció exponencial és una de les poques funcions que conserven la mateixa forma despres de calcular-ne la [[derivada]]. Per tal que la suma de múltiples derivades d'una funció doni zero, les derivades s'han de cancel·la mútuament i l'única manera que facin això és que les derivades tinguin la mateixa forma de la funció inicial. Així, per resoldre

The first method of solving linear ordinary differential equations with constant coefficients is due to [[Euler]], who realized that solutions have the form <math>e^{z x}</math>, for possibly-complex values of <math>z</math>. The exponential function is one of the few functions that keep its shape even after differentiation. In order for the sum of multiple derivatives of a function to sum up to zero, the derivatives must cancel each other out and the only way for them to do so is for the derivatives to have the same form as the initial function. Thus, to solve

El primer mètode de resoldre equacions diferencials corrents lineals amb coeficients constants és a causa d'[[Leonhard Euler|Euler]], que s'adonava que les solucions tenen la forma <math>e^{z x}</math>, per a valors possiblement complexos de <math>z</math>. La funció exponencial és una de les poques funcions que es queden la seva forma fins i tot després de diferenciació. En ordre per a la suma de derivats múltiples d'una funció per resumir a zero, els derivats s'han de neutralitzar l'un a l'altre i l'única manera que facin això és que els derivats tenen la mateixa forma com la funció inicial. Així, resoldre




:<math>y^{(n)} + A_{1}y^{(n-1)} + \cdots + A_{n}y = 0</math>
:<math>y^{(n)} + A_{1}y^{(n-1)} + \cdots + A_{n}y = 0</math>


posem <math>y=e^{z x}</math>, el que porta a


we set <math>y=e^{z x}</math>, leading to

posem <math>y=e^{z x}</math>, anant al davant a




:<math>z^n e^{zx} + A_1 z^{n-1} e^{zx} + \cdots + A_n e^{zx} = 0.</math>
:<math>z^n e^{zx} + A_1 z^{n-1} e^{zx} + \cdots + A_n e^{zx} = 0.</math>


Dividint entre ''e'' <sup> ''zx'' </sup> dóna l'equació polinòmica de grau ''n''


Division by ''e''<sup>&nbsp;''zx''</sup> gives the ''n''th-order polynomial

Divisió per ''e'' <sup> ''zx'' </sup> dóna el ''n'' polinomi de th-order




:<math>F(z) = z^{n} + A_{1}z^{n-1} + \cdots + A_n = 0.\,</math>
:<math>F(z) = z^{n} + A_{1}z^{n-1} + \cdots + A_n = 0.\,</math>


Aquesta equació algebraica ''F'' (''z'') = 0, és l' '''equació característica''' estudiada més tard per[[Gaspard_Monge|monge]] i [[Augustin Louis Cauchy|Cauchy]].


This algebraic equation ''F''(''z'') = 0, is the '''characteristic equation''' considered later by [[Gaspard_Monge | Monge]] and [[Cauchy]].

Aquesta equació algebraica ''F'' (''z'') = 0, és el '''equació característica''' considerat posterior per[[ monge]] i [[Augustin Louis Cauchy|Cauchy]].



Formally, the terms


Formalment, els termes
Formalment, els termes




:<math>y^{(k)}\quad\quad(k = 1, 2, \dots, n).</math>
:<math>y^{(k)}\quad\quad(k = 1, 2, \dots, n).</math>


de l'equació diferencial original són substituïts per ''z'' <sup>''k''</sup>. [[Algorisme de cerca d'un zero d'una funció|Resolent]] l'equació polinòmica s'obtenen ''n'' valors de ''z'', ''z'' <sub>1</sub>, ..., ''z'' <sub>''n'' </sub>. Substituint qualsevol d'aquells valors per ''z'' a ''e'' <sup> ''zx''</sup> dóna una solució ''e''<sup>''z''<sub>''i'' </sub>''x''</sup>. Com que que les equacions diferencials lineals homogènies obeeixen el [[principi superposició]], qualsevol [[combinació lineal]] d'aquestes funcions també satisfà l'equació diferencial.


Quan aquestes arrels són completament [[polinomi separable|diferents]], es tenen ''n'' solucions diferents de l'equació diferencial. Es pot demostrar que aquestes són [[independència lineal|linealment independents]], aplicant el [[Matriu de Vandermonde|determinant de Vandermonde]], i totes juntes formen una [[Base (àlgebra)|base]] de l'espai de totes les solucions de l'equació diferencial.

of the original differential equation are replaced by ''z''<sup>''k''</sup>. [[Root-finding algorithm#Finding roots of polynomials|Solving]] the polynomial gives ''n'' values of ''z'', ''z''<sub>1</sub>,&nbsp;...,&nbsp;''z''<sub>''n''</sub>. Substitution of any of those values for ''z'' into ''e''<sup>&nbsp;''zx''</sup> gives a solution ''e''<sup>&nbsp;''z''<sub>''i''</sub>''x''</sup>. Since homogeneous linear differential equations obey the [[superposition principle]], any [[linear combination]] of these functions also satisfies the differential equation.

de l'equació diferencial original són reemquadratts per ''z'' <sup>''k'' </sup>. [[Arrels de algorithm#finding de descobriment d'arrel de polinomis|resolent]]|RESOLENT|Resolent]] el polinomi dóna ''n'' valors de ''z'', ''z'' <sub>1</sub>, ..., ''z'' <sub>''n'' </sub>. Substitució de qualsevol d'aquells valors per ''z'' a ''e'' <sup> ''zx'' </sup> dóna una solució ''e'' <sup> ''z'' <sub>''i'' </sub>''x'' </sup>. Ja que les equacions diferencials lineals homogènies obeeixen el [[principi superposició]], qualsevol [[combinació lineal]] d'aquestes funcions també satisfà l'equació diferencial.



When these roots are all [[distinct roots|distinct]], we have ''n'' distinct solutions to the differential equation. It can be shown that these are [[linearly independent]], by applying the [[Vandermonde determinant]], and together they form a [[Basis (linear algebra)|basis]] of the space of all solutions of the differential equation.

Quan aquestes arrels són completament [[polinomi separable|clares]], tenim ''n'' solucions clares a l'equació diferencial. Es pot mostrar que aquests són [[independència lineal|linealment independents]], aplicant el [[Matriu de Vandermonde|Determinant de vandermonde]], i junts formen una [[Base (àlgebra)|base]] de l'espai de totes les solucions de l'equació diferencial.





Línia 388: Línia 352:


Aquesta última solució correspon al cas d'underdamped, mentre que l'anterior correspon al cas sobrehumitejat: les solucions per al cas d'underdamped [[oscil·lació|oscil·len]] mentre que les solucions per al cas sobrehumitejat fan no.
Aquesta última solució correspon al cas d'underdamped, mentre que l'anterior correspon al cas sobrehumitejat: les solucions per al cas d'underdamped [[oscil·lació|oscil·len]] mentre que les solucions per al cas sobrehumitejat fan no.



== Equació no homogènia amb coeficients constants ==
== Equació no homogènia amb coeficients constants ==

Revisió del 13:53, 14 març 2010

En matemàtiques, una equació diferencial lineal és de la forma

on l'operador diferencial L és un operador lineal, y és la funció desconeguda (per exemple una funció del temps y(t)), i el terme de la dreta ƒ és una funció donada de la mateixa natura que y. Per a una funció dependent del temps es pot escriure l'equació com

i, fins i tot més precisament

L'operador lineal L es pot considerar de la forma[1].

La condició de linealitat de L exclou operacions com el quadrat de la derivada de y; però admet, per exemple, la derivada segona de y . És convenient reescriure aquesta equació en forma d'operador

on D és l'operador diferencial d/dt (és a dir Dy = y, D 2y = y"... ), i An són funcions donades.

Tal equació es diu que té ordre n, l'índex de la derivada més alt de y.

Un exemple simple típic és l'equació diferencial lineal que es fa servir per modelitzar la decadència radioactiva[2]. Sia N(t) el nombre d'àtoms radioactius en alguna mostra de material (com una porció del drap del sudari de Torí[3]) en el moment t. Llavors per a alguna constant k > 0, el nombre d'àtoms radioactius que es descomponen es pot modelar per

Si y és se suposa que és una funció de només una variable, es parla de una equació diferencial ordinària, si les derivades i els seus coeficients s'entenen com (contrets) vectors, matrius o tensors de rang superior, es té una equació diferencial en derivades parcials (lineal).

El cas on ƒ = 0 s'anomena una equació homogènia i les seves solucions s'anomenen funcions complementàries. És especialment important per la solució del cas general, ja que qualsevol funció complementària es pot afegir a una solució de l'equació no homogènia per donar una altra solució (per un mètode tradicionalment anomenat integral particular i funció complementària ). Quan els Ai són nombres, l'equació es diu que té coeficients constants .

Equacions homogènies amb coeficients constants

El primer mètode de resoldre equacions diferencials lineals ordinàries amb coeficients constants és degut a Euler, que es va adonar que les solucions tenen la forma , per a valors possiblement complexos de . La funció exponencial és una de les poques funcions que conserven la mateixa forma despres de calcular-ne la derivada. Per tal que la suma de múltiples derivades d'una funció doni zero, les derivades s'han de cancel·la mútuament i l'única manera que facin això és que les derivades tinguin la mateixa forma de la funció inicial. Així, per resoldre

posem , el que porta a

Dividint entre e  zx dóna l'equació polinòmica de grau n

Aquesta equació algebraica F (z) = 0, és l' equació característica estudiada més tard permonge i Cauchy.

Formalment, els termes

de l'equació diferencial original són substituïts per z k. Resolent l'equació polinòmica s'obtenen n valors de z, z 1, ..., z n . Substituint qualsevol d'aquells valors per z a e  zx dóna una solució ezi x. Com que que les equacions diferencials lineals homogènies obeeixen el principi superposició, qualsevol combinació lineal d'aquestes funcions també satisfà l'equació diferencial.

Quan aquestes arrels són completament diferents, es tenen n solucions diferents de l'equació diferencial. Es pot demostrar que aquestes són linealment independents, aplicant el determinant de Vandermonde, i totes juntes formen una base de l'espai de totes les solucions de l'equació diferencial.


{{ExampleSidebar|35%|

Plantilla:ExampleSidebar


The preceding gave a solution for the case when all zeros are distinct, that is, each has multiplicity 1. For the general case, if z is a (possibly complex) zero (or root) of F(z) having multiplicity m, then, for , is a solution of the ODE. Applying this to all roots gives a collection of n distinct and linearly independent functions, where n is the degree of F(z). As before, these functions make up a basis of the solution space.

El precedir donava una solució per al cas quan tot posa a zero són clar, és a dir, cada un té multiplicitat|MULTIPLICITAT|multiplicitat]] 1. Per al cas general, si z és un (possiblement complex) zero (o arrel) de F (z) multiplicitat que té m, llavors, per , és una solució de l'Oda. Aplicant-se això a totes les arrels dóna una recollida de n funcions clares i linealment independents, on n és el grau de F (z) . Tan abans, aquestes funcions constitueixen una base per l'espai de solució.


If the coefficients Ai of the differential equation are real, then real-valued solutions are generally preferable. Since non-real roots z then come in conjugate pairs, so do their corresponding basis functions xkezx, and the desired result is obtained by replacing each pair with their real-valued linear combinations Re(y) and Im(y), where y is one of the pair.

Si els coeficients Ai de l'equació diferencial són real, llavors les solucions genuïnament valorades són generalment preferibles. Des d'arrels no genuïnes z llavors venir en parells de conjugate, així fa les seves funcions de base corresponents xkezx, i el resultat desitjat s'obté canviant cada parell pel seu Y de linear combinations RE(genuïnament valorat) i Y de IM('), on y és un del parell.


A case that involves complex roots can be solved with the aid of Euler's formula.

Un cas que implica arrels complexes es pot resoldre amb l'ajut de La fórmula d'euler.

Exemples

Given . The characteristic equation is which has zeroes 2+i and 2−i. Thus the solution basis is . Now y is a solution if and only if for .

Donat . L'equació característica és que té zeroes 2+ ii 2− i. Així la base de solució és . Ara y és una solució si i només si per a .


Because the coefficients are real,

Perquè els coeficients són genuïns

  • we are likely not interested in the complex solutions
  • no se'ns interessa probablement en les solucions complexes
  • our basis elements are mutual conjugates
  • els nostres elements de base són mutus conjuga

The linear combinations

Les combinacions lineals


and



will give us a real basis in .

donarà nosaltres una base genuïna en .

Oscil·lador harmònic simple

The second order differential equation

El segon demanar equació diferencial



which represents a simple harmonic oscillator, can be restated as

quin representa un oscil·lador harmònic simple, pot ser reafirmat com



The expression in parenthesis can be factored out, yielding

L'expressió en el parèntesi pot ser factored out fora, cedint



which has a pair of linearly independent solutions, one for

quin té un parell de solucions linealment independents, un per



and another for

i un altre per



The solutions are, respectively,

Les solucions són, respectivament



and

i



These solutions provide a basis for the two-dimensional "solution space" of the second order differential equation: meaning that linear combinations of these solutions will also be solutions. In particular, the following solutions can be constructed

Aquestes solucions proporcionen una base per l'"espai de solució" bidimensional del segon ordre equació diferencial: significant que les combinacions lineals d'aquestes solucions també seran solucions. En particular, les solucions següents es poden construir



and

i



These last two trigonometric solutions are linearly independent, so they can serve as another basis for the solution space, yielding the following general solution:

Aquestes dues últimes solucions trigonometric són linealment independents, així poden servir d'una altra base per l'espai de solució, produint la solució general següent:


Dscil·lador harmònic esmorteït

Given the equation for the damped harmonic oscillator:

Donat l'equació per a l'oscil·lador harmònic humitejat:



the expression in parentheses can be factored out: first obtain the characteristic equation by replacing D with λ. This equation must be satisfied for all y, thus:

l'expressió en parèntesis pot ser factored out fora: primer obtenir l'equació característica reemquadratnt D amb λ;. Aquesta equació ha de ser satisfeta per a tot y, així:



Solve using the quadratic formula:

Resolgui fa servirnt la fórmula quadràtica:



Use these data to factor out the original differential equation:

Utilitzi aquestes dades a factor fora l'equació diferencial original:



This implies a pair of solutions, one corresponding to

Això implica un parell de solucions, corresponent-se un a



and another to

i un altre a



The solutions are, respectively,

Les solucions són, respectivament



and

i



where ω = b / 2m. From this linearly independent pair of solutions can be constructed another linearly independent pair which thus serve as a basis for the two-dimensional solution space:

on ω; = b / 2 m . Des d'aquest parell linealment independent de solucions pot ser construït un altre parell linealment independent que així serveixen com a base per l'espai de solució bidimensional:



However, if |ω| < |ω0| then it is preferable to get rid of the consequential imaginaries, expressing the general solution as

Tanmateix, si|ω;| < |ω;0| llavors és preferible aconseguir lliurar dels imaginaries consequential, expressant la solució general com



This latter solution corresponds to the underdamped case, whereas the former one corresponds to the overdamped case: the solutions for the underdamped case oscillate whereas the solutions for the overdamped case do not.

Aquesta última solució correspon al cas d'underdamped, mentre que l'anterior correspon al cas sobrehumitejat: les solucions per al cas d'underdamped oscil·len mentre que les solucions per al cas sobrehumitejat fan no.

Equació no homogènia amb coeficients constants

To obtain the solution to the non-homogeneous equation (sometimes called inhomogeneous equation), find a particular solution yP(x) by either the method of undetermined coefficients or the method of variation of parameters; the general solution to the linear differential equation is the sum of the general solution of the related homogeneous equation and the particular solution.

Obtenir la solució al equació no homogènia (a vegades anomenat equació inhomogeneous), troba una solució particular y P (x) o pel mètode de coeficients irresoluts o pel mètode de variació de parameters; la solució general a l'equació diferencial lineal és la suma de la solució general de l'equació homogènia relacionada i la solució particular.


Suppose we face

Suposi que mirem



For later convenience, define the characteristic polynomial

Per a la conveniència posterior, defineixi el polinomi característic



We find the solution basis as in the homogeneous (f(x)=0) case. We now seek a particular solution yp(x) by the variation of parameters method. Let the coefficients of the linear combination be functions of x:

Trobem la base de solució com en l'homogeni (f(x)=0) cas. Ara busquem un solució particular yp(x) pel variació de paràmetres mètode. Deixi els coeficients de la combinació lineal que és funcions de x :



For ease of notation we will drop the dependency on x (i.e. the various (x)). Using the "operator" notation and a broad-minded use of notation, the ODE in question is ; so

Per a la facilitat de notació deixarem la dependència damunt x (i.e. els diversos (x) ). Utilitzant la notació d'"operador" i un ús amplament importat de notació, l'Oda en qüestió és ; així



With the constraints

Amb les coaccions



the parameters commute out, with a little "dirt":

els paràmetres es desplacen fora, amb una bit de "brutícia":



But , therefore

Però , per això



This, with the constraints, gives a linear system in the . This much can always be solved; in fact, combining Cramer's rule with the Wronskian,

Això, amb les coaccions, dóna un sistema lineal en el . Tant sempre es pot resoldre; de fet, combinant La regla de cramer amb el Wronskian



The rest is a matter of integrating

La resta és una qüestió d'integrar ..


The particular solution is not unique; also satisfies the ODE for any set of constants cj.

La solució particular no és única; també satisfà l'Oda per a qualsevol conjunt de constants cj .


Exemple

Suppose . We take the solution basis found above .

Suposi . Prenem la base de solució trobada damunt .

I)x de




Using the list of integrals of exponential functions

Utilitzant la llista d'integrals de funcions exponencials




And so

I així

+\frac{i}{2(3-4i+k^2)}\left((i-2)\sin(kx)-k\cos(kx)\right)</math>

(Notice that u1 and u2 had factors that canceled y1 and y2; that is typical.)

(Avís que u 1 i u 2 tenia factors que anul·laven y 1 i y 2; allò és típic.)


For interest's sake, this ODE has a physical interpretation as a driven damped harmonic oscillator; yp represents the steady state, and is the transient.

Per al motiu d'interès, aquesta Oda té una interpretació física com un oscil·lador harmònic humitejat conduït; yp representa el règim permanent, i és el transeünt.

Equació amb coeficients variables

A linear ODE of order n with variable coefficients has the general form

Una Oda lineal d'ordre n amb coeficients variables té la forma general


Exemples

A simple example is the Cauchy–Euler equation often used in engineering

Un exemple simple és l'Equació D'euler de CAUCHY sovint fa servirda ideant



Equació de primer ordre

Plantilla:ExampleSidebar A linear ODE of order 1 with variable coefficients has the general form

Una Oda lineal de l'ordre 1 amb coeficients variables té la forma general



Equations of this form can be solved by multiplying the integrating factor

Les equacions d'aquesta forma es poden resoldre multiplicant el factor integrant



throughout to obtain

per obtenir



which simplifies due to the product rule to

que simplifica a causa de la regla de producte a



which, on integrating both sides, yields

que, integrant els dos costats, cedeix




In other words: The solution of a first-order linear ODE

En altres paraules: La solució d'una Oda lineal de primer ordre



with coefficients that may or may not vary with x, is:

amb coeficients allò pot o pot no variar amb x, és:



where is the constant of integration, and

on és la constant d'integració, i



Exemples

Consider a first order differential equation with constant coefficients:

Consideri un primer ordre equació diferencial amb coeficients constants:



This equation is particularly relevant to first order systems such as RC circuits and mass-damper systems.

Aquesta equació és especialment pertinent a primers sistemes d'ordre com Rc circuits i sistemes més massius HUMITS.


In this case, p(x) = b, r(x) = 1.

En aquest cas pàg. (x) = b, r (x) = 1.


Hence its solution is

Per això la seva solució és



Vegeu també


Notes

  1. Gershenfeld 1999, p.9
  2. Robinson 2004, p.5
  3. Robinson 2004, p.7


Referències

  • {{Citation
  • Ordinary Differential Equations. Nova York: John Wiley and Sons, Inc., 1978. ISBN 0-471-07411-X. 

}}

  • {{Citation
  • The Nature of Mathematical Modeling. Cambridge, Uk.: Cambridge University Press, 1999. ISBN 978-0521-570954. 

}}

  • {{Citation
  • An Introduction to Ordinary Differential Equations. Cambridge, Uk.: Cambridge University Press, 2004. ISBN 0-521-826500. 

}}