Страница сетевой поддержки учеников Тимура Юрьевича Альпина

20.04.2010

Филиппов №803

Filed under: диф. уравнения — Shine @ 12:36 пп
Решить систему уравнений:

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{l} \dot x = 2x+2z-y\\ \dot y = x+2z\\ \dot z = y-2x-z \end{array} \right.$ (1)

В матричном виде эта система представляется как $ \dot X=AX$ , где

$\displaystyle A= \left( \begin{array}{rrr} 2 & -1 & 2\\ 1 & 0 & 2\\ -2 & 1 & -1...
...{array} \right), \quad X=\left( \begin{array}{r} x\\ y\\ z \end{array} \right).$ (2)

Собственные значения матрицы $ A$ указаны в условиях задачи: $ \lambda_1=1$ , $ \lambda_{2,3}=\pm i$ . Из пары сопряжённых корней рассмотрим $ i$ .

1) Собственный вектор, принадлежащий единице $ v_1$ , ищется из уравнения

$\displaystyle \left( \begin{array}{rrr} 1 & -1 & 2\\ 1 & -1 & 2\\ -2 & 1 & -2 \...
... \left\{ \begin{array}{r} a-b+2c=0\\ a-b+2c=0\\ -2a+b-2c=0 \end{array} \right.,$ (3)

При $ c=1$ собственный вектор и частное решение, принадлежащие $ \lambda=1$ , получаются такими:

$\displaystyle v_1= \left( \begin{array}{l} 0\\ 2\\ 1 \end{array} \right) \quad X_1(t)= \left( \begin{array}{l} 0\\ 2\\ 1 \end{array} \right) e^t$ (4)

i) Определяем собственный вектор $ v_i$ :

$\displaystyle \left( \begin{array}{rrr} 2-i & -1 & 2\\ 1 & -i & 2\\ -2 & 1 & -1...
...gin{array}{r} (2-i)a-b+2c=0\\ a-ib+2c=0\\ -2a +b -(1+i)c=0 \end{array} \right.,$ (5)

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{r} (2-i)a-b+2c=0\\ (1-i)a+(-1+i)b=0\\ -ia +(1-i)c=0 \end{array} \right., \quad b=a,\; c=\frac{i-1}{2}a.$ (6)

При $ a=-2$

$\displaystyle v_i= \left( \begin{array}{c} -2\\ -2\\ 1-i \end{array} \right).$ (7)

Составим решение с этим вектором и выделим его действительную и мнимую части:

\begin{multline}
X_i(t)=
\left(
\begin{array}{c}
-2\\
-2\\
1-i
\end{array}\rig...
...-2\sin t\\
-2\sin t\\
\sqrt{2}\sin(t-\pi/4)
\end{array}\right).
\end{multline}

Тогда действительные частные решения системы, соответствующие паре $ \lambda=\pm i$ , будут записываться так:

\begin{displaymath}
X_2(t)=
\left(
\begin{array}{c}
-2\cos t\\
-2\cos t\\
\sqr...
...\sin t\\
-2\sin t\\
\sqrt{2}\sin(t-\pi/4)
\end{array}\right)
\end{displaymath}

Решение в векторном виде будет записываться в следующем виде:

$\displaystyle X(t)= C_1\left( \begin{array}{l} 0\\ 2\\ 1 \end{array} \right) e^...
...egin{array}{c} -2\sin t\\ -2\sin t\\ \sqrt{2}\sin(t-\pi/4) \end{array} \right),$ (8)

и после преобразования мы можем предъявить искомые функции:

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{l} \dot x=-2C_2\cos t-2C_3\sin t\\ \dot y=2...
...-2C_3\sin t\\ \dot z=C_1e^t+(C_2+C_3)\sin t+(C_2-C_3)\cos t \end{array} \right.$ (9)

Я в курсе, что этот ответ не совпадает с данным в задачнике. Однако в ответе можно производить переобозначения констант, совершая в трёхмерном пространстве констант любые невырожденные преобразования, что делает неочевидной (не)тождественность разных решений. С другой стороны, этот ответ подставлялся в исходную систему уравнений, и при помощи системы компьютерной алгебры «Maxima» было получено верное тождество.

Комментариев нет »

No comments yet.

RSS feed for comments on this post.

Leave a comment

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Хостингом угостил Вадим "Moose" Калинников