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编程问答

第二十五讲 用线性代数解微分方程组

發布時間:2025/4/16 编程问答 28 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 第二十五讲 用线性代数解微分方程组 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

一,上一講的例題,如圖:

x=T1x=T_1x=T1?y=T2y=T_2y=T2?
方程組為·:{x′=?2x+2yy′=2x?5y\left\{\begin{matrix}{x}'=-2x+2y\\ {y}'=2x-5y\end{matrix}\right.{x=?2x+2yy=2x?5y?
用消元法求出的通解為:{x=c1e?t+c2e?6ty=12c1e?t?2c2e?6t\left\{\begin{matrix}x=c_{1}e^{-t}+c_{2}e^{-6t}\\ y=\frac{1}{2}c_{1}e^{-t}-2c_{2}e^{-6t}\end{matrix}\right.{x=c1?e?t+c2?e?6ty=21?c1?e?t?2c2?e?6t?

二,用矩陣重新表示方程組:
[x′y′]=[?222?5][xy]\begin{bmatrix}{x}'\\ {y}'\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -2 &2 \\ 2 & -5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}[xy?]=[?22?2?5?][xy?]

三,用矩陣重新表示通解:
[xy]=c1[112]e?t+c2[1?2]e?6t\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix} 1\\ \frac{1}{2}\end{bmatrix}e^{-t}+c_{2}\begin{bmatrix}1\\ -2\end{bmatrix}e^{-6t}[xy?]=c1?[121??]e?t+c2?[1?2?]e?6t

四,設解的形式為:
[xy]=[a1a2]eλt\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}e^{\lambda t}[xy?]=[a1?a2??]eλt

五,將解帶入方程組:
[x′y′]=λ[a1a2]eλt=[?222?5][a1a2]eλt=[?222?5][xy]\begin{bmatrix}{x}'\\ {y}'\end{bmatrix}=\lambda \begin{bmatrix} a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}e^{\lambda t}=\begin{bmatrix} -2 &2 \\ 2 & -5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}e^{\lambda t}=\begin{bmatrix} -2 &2 \\ 2 & -5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}[xy?]=λ[a1?a2??]eλt=[?22?2?5?][a1?a2??]eλt=[?22?2?5?][xy?]

六,化簡,求出特征值:

  • λ[a1a2]=[?222?5][a1a2]\lambda \begin{bmatrix} a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} -2 &2 \\ 2 & -5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}λ[a1?a2??]=[?22?2?5?][a1?a2??]
  • [?222?5][a1a2]?λ[a1a2]=0\begin{bmatrix}-2 &2 \\ 2 & -5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}-\lambda \begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}=0[?22?2?5?][a1?a2??]?λ[a1?a2??]=0
  • [?2?λ22?5?λ][a1a2]=0\begin{bmatrix}-2-\lambda &2 \\ 2 & -5-\lambda \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}=0[?2?λ2?2?5?λ?][a1?a2??]=0
  • 要使等式有非0解,必須滿足:∣?2?λ22?5?λ∣=0\begin{vmatrix}-2-\lambda & 2 \\ 2 & -5-\lambda \end{vmatrix}=0??2?λ2?2?5?λ??=0
  • 解得:λ1=?1,λ2=?6\lambda _{1}=-1, \lambda _{2}=-6λ1?=?1,λ2?=?6,(答案跟上一講求的特征值一樣)
  • 七,將λ1\lambda _{1}λ1?λ2\lambda _{2}λ2?分別代入等式,求出特征向量:

  • λ1\lambda _{1}λ1?代入:[?122?4][a1a2]=0\begin{bmatrix}-1 &2 \\ 2 & -4 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}=0[?12?2?4?][a1?a2??]=0
  • 設自由變量a1=1a_{1}=1a1?=1,則a2=12a_{2}=\frac{1}{2}a2?=21?[a1a2]=c1[112]\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ \frac{1}{2}\end{bmatrix}[a1?a2??]=c1?[121??]c1c_{1}c1?為任意常數
  • [xy]=[a1a2]eλt=c1[112]e?t\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}e^{\lambda t}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ \frac{1}{2}\end{bmatrix}e^{-t}[xy?]=[a1?a2??]eλt=c1?[121??]e?t
  • λ2\lambda _{2}λ2?代入:[4221][a1a2]=0\begin{bmatrix}4 &2 \\ 2 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2} \end{bmatrix}=0[42?21?][a1?a2??]=0
  • 設自由變量a1=1a_{1}=1a1?=1,則a2=?2a_{2}=-2a2?=?2[a1a2]=c2[1?2]\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}=c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ -2\end{bmatrix}[a1?a2??]=c2?[1?2?]c2c_{2}c2?為任意常數
  • [xy]=[a1a2]eλt=c2[1?2]e?6t\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a_{1}\\ a_{2}\end{bmatrix}e^{\lambda t}=c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ -2\end{bmatrix}e^{-6t}[xy?]=[a1?a2??]eλt=c2?[1?2?]e?6t
  • 八,得解空間:
    [xy]=c1[112]e?t+c2[1?2]e?6t\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix} 1\\ \frac{1}{2}\end{bmatrix}e^{-t}+c_{2}\begin{bmatrix}1\\ -2\end{bmatrix}e^{-6t}[xy?]=c1?[121??]e?t+c2?[1?2?]e?6t

    九,二階矩陣的特征值是如下方程的解:
    λ2?trace(A)λ+detA=0\lambda ^{2}-trace(A)\lambda +detA =0λ2?trace(A)λ+detA=0
    trace(A)是A的跡,detA是A的行列式

    總結

    以上是生活随笔為你收集整理的第二十五讲 用线性代数解微分方程组的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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