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第二十七讲 微分方程组解的图像

發(fā)布時(shí)間:2025/4/16 51 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 第二十七讲 微分方程组解的图像 小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

一,競(jìng)爭(zhēng)模型(含參數(shù)的微分方程組):
{x′=?x+byy′=cx?3y\left\{\begin{matrix}{x}'=-x+by \\ {y}'=cx-3y\end{matrix}\right.{x=?x+byy=cx?3y?
這個(gè)模型是上海和北京之間的旅游競(jìng)爭(zhēng),兩個(gè)地方都忙于做廣告,想要吸引游客
x′{x}'x代表上海,y′{y}'y代表北京
x和y分別代表上海和北京的偏離常態(tài)旅游廣告預(yù)算的值
x或y前面的系數(shù)=0代表預(yù)算維持常態(tài)
x或y前面的系數(shù)<0代表預(yù)算減少(通常政府希望盡量節(jié)約預(yù)算)
x或y前面的系數(shù)>0代表預(yù)算增加(但是企業(yè)家希望政府搞活地方經(jīng)濟(jì))
b和c表示參照競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的預(yù)算,做的預(yù)算調(diào)整

二,第一種參數(shù)情況(b=2,c=0):
{x′=?x+2yy′=?3y\left\{\begin{matrix}{x}&#x27;=-x+2y \\ {y}&#x27;=-3y\end{matrix}\right.{x=?x+2yy=?3y?
含義:上海預(yù)算表現(xiàn)積極,但北京表現(xiàn)平靜(無(wú)視上海預(yù)算)

  • 矩陣化:[x′y′]=[?120?3][xy]\begin{bmatrix}{x}&#x27;\\ {y}&#x27;\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}-1 &amp; 2\\ 0 &amp; -3\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}[xy?]=[?10?2?3?][xy?]
  • 根據(jù)二階矩陣公式得:λ2+4λ+3=0\lambda ^{2}+4\lambda +3=0λ2+4λ+3=0λ1=?3,λ2=?1\lambda _{1}=-3,\lambda _{2}=-1λ1?=?3λ2?=?1
  • λ1=?3\lambda _{1}=-3λ1?=?3代入[?1?λ20?3?λ][a1a2]=0\begin{bmatrix}-1-\lambda &amp; 2\\ 0 &amp; -3-\lambda \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=0[?1?λ0?2?3?λ?][a1?a2??]=0,得:[2200][a1a2]=0\begin{bmatrix}2 &amp; 2\\ 0 &amp; 0 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=0[20?20?][a1?a2??]=0
  • 設(shè)自由變量a1=1a_{1}=1a1?=1,得:[a1a2]=c1[1?1]\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}[a1?a2??]=c1?[1?1?]c1c_{1}c1?是任意常數(shù)
  • λ1=?1\lambda _{1}=-1λ1?=?1代入[?1?λ20?3?λ][a1a2]=0\begin{bmatrix}-1-\lambda &amp; 2\\ 0 &amp; -3-\lambda \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=0[?1?λ0?2?3?λ?][a1?a2??]=0,得:[020?2][a1a2]=0\begin{bmatrix}0 &amp; 2\\ 0 &amp; -2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=0[00?2?2?][a1?a2??]=0
  • 設(shè)自由變量a2=0a_{2}=0a2?=0,得:[a1a2]=c2[10]\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}=c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}[a1?a2??]=c2?[10?]c2c_{2}c2?是任意常數(shù)
  • 通解:[xy]=c1[1?1]e?3t+c2[10]e?t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }+c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }[xy?]=c1?[1?1?]e?3t+c2?[10?]e?t
  • 方程組化:{x=c1e?3t+c2e?ty=?c1e?3t\left\{\begin{matrix}x=c_{1}e^{-3t }+c_{2}e^{-t }\\ y=-c_{1}e^{-3t }\end{matrix}\right.{x=c1?e?3t+c2?e?ty=?c1?e?3t?
  • 三,繪制解的圖像:
    方程組里隱藏著容易畫(huà)出的4個(gè)解,因此從容易畫(huà)的開(kāi)始,再補(bǔ)充其他解。

  • 容易的4個(gè)解是:c1=±1,c2=0c_{1}=\pm 1,c_{2}=0c1?=±1,c2?=0(用粉紅色線(xiàn)畫(huà))和c1=0,c2=±1c_{1}=0,c_{2}=\pm 1c1?=0,c2?=±1(用橙色線(xiàn)畫(huà))

  • 當(dāng)c1=1,c2=0c_{1}=1,c_{2}=0c1?=1,c2?=0時(shí):{x=e?3ty=?e?3t\left\{\begin{matrix}x=e^{-3t }\\ y=-e^{-3t }\end{matrix}\right.{x=e?3ty=?e?3t?

  • 當(dāng)t=0時(shí):{x=1y=?1\left\{\begin{matrix}x=1\\ y=-1\end{matrix}\right.{x=1y=?1?,當(dāng)t→∞時(shí),x和y都→0,當(dāng)t→-∞時(shí),x→∞,y→-∞,如圖:

  • 當(dāng)c1=?1,c2=0c_{1}=-1,c_{2}=0c1?=?1,c2?=0時(shí):圖像剛好對(duì)稱(chēng),如圖

  • 當(dāng)c1=0,c2=1c_{1}=0,c_{2}=1c1?=0,c2?=1時(shí):{x=e?ty=0\left\{\begin{matrix}x=e^{-t }\\ y=0\end{matrix}\right.{x=e?ty=0?

  • 當(dāng)t=0時(shí):{x=1y=0\left\{\begin{matrix}x=1\\ y=0\end{matrix}\right.{x=1y=0?,當(dāng)t→∞時(shí),x和y都→0,當(dāng)t→-∞時(shí),x→∞,如圖:

  • 當(dāng)c1=0,c2=?1c_{1}=0,c_{2}=-1c1?=0,c2?=?1時(shí):圖像剛好對(duì)稱(chēng),如圖

  • 因?yàn)楫?dāng)t→∞時(shí),通解[xy]=c1[1?1]e?3t+c2[10]e?t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }+c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }[xy?]=c1?[1?1?]e?3t+c2?[10?]e?t→0,因此所有線(xiàn)條的終點(diǎn)都是0點(diǎn)。

  • 在t→∞的過(guò)程中,c1[1?1]e?3tc_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }c1?[1?1?]e?3t→0的速度要大于c2[10]e?tc_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }c2?[10?]e?tc2[10]e?tc_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }c2?[10?]e?t占主導(dǎo)地位。[xy]=0+c2[10]e?t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=0+c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }[xy?]=0+c2?[10?]e?t,相當(dāng)于在0點(diǎn)附近和c2c_{2}c2?線(xiàn)越來(lái)越重合。

  • 在t→-∞的過(guò)程中,則相反,c1[1?1]e?3tc_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }c1?[1?1?]e?3t占主導(dǎo)地位。在t→-∞的過(guò)程中,則相反,c1[1?1]e?3tc_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }c1?[1?1?]e?3t占主導(dǎo)地位。[xy]=c1[1?1]e?3t+c2[10]e?t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}1 \\ -1\end{bmatrix}e^{-3t }+c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}e^{-t }[xy?]=c1?[1?1?]e?3t+c2?[10?]e?t,相當(dāng)于在遠(yuǎn)離0點(diǎn)的范圍和c2c_{2}c2?線(xiàn)越來(lái)越平行。

  • 其他解的圖像如圖(綠色線(xiàn)):

  • 匯聚節(jié)點(diǎn):線(xiàn)型軌跡從無(wú)窮遠(yuǎn),最終匯聚到0點(diǎn)(穩(wěn)定)

  • 源節(jié)點(diǎn):線(xiàn)型軌跡從0點(diǎn)出發(fā),發(fā)散到無(wú)窮遠(yuǎn)(不穩(wěn)定)

  • 結(jié)果:由于北京市市長(zhǎng)對(duì)上海的預(yù)算漠不關(guān)心,所以最終兩市的預(yù)算回到常態(tài)(x和y都=0)

  • 四,第二種參數(shù)情況(b=3,c=5):
    {x′=?x+3yy′=5x?3y\left\{\begin{matrix}{x}&#x27;=-x+3y \\ {y}&#x27;=5x-3y\end{matrix}\right.{x=?x+3yy=5x?3y?
    含義:上海對(duì)北京的預(yù)算變得更加敏感,北京則對(duì)上海預(yù)算的反應(yīng)變本加厲

  • 解微分方程組,過(guò)程省略了
  • 通解:[xy]=c1[3?5]e?6t+c2[11]e2t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=c_{1}\begin{bmatrix}3 \\ -5\end{bmatrix}e^{-6t }+c_{2}\begin{bmatrix}1 \\ 1\end{bmatrix}e^{2t }[xy?]=c1?[3?5?]e?6t+c2?[11?]e2t
  • 方程組化:{x=3c1e?6t+c2e2ty=?5c1e?6t+c2e2t\left\{\begin{matrix}x=3c_{1}e^{-6t }+c_{2}e^{2t }\\ y=-5c_{1}e^{-6t }+c_{2}e^{2t }\end{matrix}\right.{x=3c1?e?6t+c2?e2ty=?5c1?e?6t+c2?e2t?
  • 繪制解的圖像:容易的4個(gè)解是:c1=±1,c2=0c_{1}=\pm 1,c_{2}=0c1?=±1,c2?=0(用粉紅色線(xiàn)畫(huà))和c1=0,c2=±1c_{1}=0,c_{2}=\pm 1c1?=0,c2?=±1(用橙色線(xiàn)畫(huà)),其他解(綠色線(xiàn))。
  • 鞍點(diǎn):上圖中坐標(biāo)0點(diǎn),從粉紅線(xiàn)看是最大值,從橙色線(xiàn)看是最小值。(不穩(wěn)定)
  • 鞍:整個(gè)圖像叫做鞍。
  • 結(jié)果:由于上海和北京不斷加碼,導(dǎo)致預(yù)算一發(fā)不可收拾,而游客數(shù)量旗鼓相當(dāng)。
  • 五,第三種參數(shù)情況(b=-1,c=2):
    {x′=?x?yy′=2x?3y\left\{\begin{matrix}{x}&#x27;=-x-y \\ {y}&#x27;=2x-3y\end{matrix}\right.{x=?x?yy=2x?3y?
    含義:北京預(yù)算表現(xiàn)積極,但上海反而消極(佛系)

  • 解微分方程組,過(guò)程省略了

  • 特征值:λ1=?2+i,λ2=?2?i\lambda _{1}=-2+i,\lambda _{2}=-2-iλ1?=?2+iλ2?=?2?i

  • e(?2+i)t=e?2t+eite^{(-2+i)t }=e^{-2t }+e^{it }e(?2+i)t=e?2t+eit,當(dāng)t→∞時(shí),e?2t→0e^{-2t }→0e?2t0eite^{it }eit在單位圓上旋轉(zhuǎn)

  • 通解的形式:[xy]=c1[[a1a2]cos(t)+[b1b2]sin(t)]e?2t\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=c_{1}[\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}cos(t)+\begin{bmatrix}b_{1} \\ b_{2}\end{bmatrix}sin(t)]e^{-2t }[xy?]=c1?[[a1?a2??]cos(t)+[b1?b2??]sin(t)]e?2t+…

  • [xy]=[a1a2]cos(t)+[b1b2]sin(t)\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a_{1} \\ a_{2}\end{bmatrix}cos(t)+\begin{bmatrix}b_{1} \\ b_{2}\end{bmatrix}sin(t)[xy?]=[a1?a2??]cos(t)+[b1?b2??]sin(t)的圖像性質(zhì): 這個(gè)曲線(xiàn)有邊界,且周期為2π,并滿(mǎn)足一個(gè)橢圓方程:Ax2+By2+Cxy=DAx^{2}+By^{2}+Cxy=DAx2+By2+Cxy=D

  • e?2te^{-2t }e?2t表示曲線(xiàn)收縮的幅值

  • 如圖

  • 中心點(diǎn)叫螺旋匯聚點(diǎn)

  • 方向沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng):只需將點(diǎn)[xy]=[10]\begin{bmatrix}x \\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1 \\ 0\end{bmatrix}[xy?]=[10?]代入方程組,得該點(diǎn)的速度向量[x′y′]=[?12]\begin{bmatrix}{x}&#x27;\\ {y}&#x27;\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}-1\\ 2\end{bmatrix}[xy?]=[?12?],如圖:

  • 結(jié)果:由于上海是佛系市長(zhǎng),最終兩市的預(yù)算回到常態(tài)(x和y都=0)

  • 總結(jié)

    以上是生活随笔為你收集整理的第二十七讲 微分方程组解的图像的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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