Типы точек покоя. Узел, седло.
Фазовая плоскость.
Дифференциальное уравнение второго порядка
(24.4)
равносильно системе уравнений первого порядка
. (24.5)
Геометрически общее решение уравнения (24.4) или системы (24.5) можно представить семейством фазовых траекторий на фазовой плоскости .Особенно удобно такое представление в случае, когда функция
не содержит явным образом независимого переменного t. Тогда система (24.5) имеет вид
(24.6)
и называется автономной системой. Фазовые траектории в этом случае удовлетворяют дифференциальному уравнению первого порядка
, (24.7)
которое каждой точке ставит в соответствие наклон проходящей через нее интегральной кривой. Точки покоя. Точка
фазовой плоскости системы (24.6) называется обыкновенной точкой, если
и
дифференцируемы и не обращаются одновременно в нуль; через каждую обыкновенную точку проходит одна фазовая траектория. Точка
называется особой точкой, если
и
.Замечание. Особые точки классифицируются по характеру фазовых траекторий в их окрестности.Исследование особых точек системы.Если система неоднородная, а ji(t) – ее решение, то с помощью замены yi = xi(t) – ji(t) систему можно свести к однородной, причем решение ji(t) исходной системы будет соответствовать нулевому решению полученной однородной системы. Таким образом, на устойчивость исследуют нулевое решение соответствующей однородной системы. Пусть мы рассматриваем характеристическое уравнение некоторой системы:
При n=2:
устойчивый узел
2) k1 ¹ k2, k1 > 0, k2 > 0
Неустойчивый узел
3) k1 ¹ k2, k1 > 0, k2 < 0
Седло неустойчивая
Типы точек покоя. Фокус. Центр.
Фазовая плоскость.
Дифференциальное уравнение второго порядка
(24.4)
равносильно системе уравнений первого порядка
. (24.5)
Геометрически общее решение уравнения (24.4) или системы (24.5) можно представить семейством фазовых траекторий на фазовой плоскости .Особенно удобно такое представление в случае, когда функция
не содержит явным образом независимого переменного t. Тогда система (24.5) имеет вид
(24.6)
и называется автономной системой. Фазовые траектории в этом случае удовлетворяют дифференциальному уравнению первого порядка
, (24.7)
которое каждой точке ставит в соответствие наклон проходящей через нее интегральной кривой. Точки покоя. Точка
фазовой плоскости системы (24.6) называется обыкновенной точкой, если
и
дифференцируемы и не обращаются одновременно в нуль; через каждую обыкновенную точку проходит одна фазовая траектория. Точка
называется особой точкой, если
и
.Замечание. Особые точки классифицируются по характеру фазовых траекторий в их окрестности.Исследование особых точек системы.Если система неоднородная, а ji(t) – ее решение, то с помощью замены yi = xi(t) – ji(t) систему можно свести к однородной, причем решение ji(t) исходной системы будет соответствовать нулевому решению полученной однородной системы. Таким образом, на устойчивость исследуют нулевое решение соответствующей однородной системы. Пусть мы рассматриваем характеристическое уравнение некоторой системы:
При n=2:
центр(устойчивый) центр(устойчивый)
Центр(устойчивый)
Фокус устойчивый.
26. Линейные и квазилинейные дифференциальные уравнения в частных производных первого порядка.
27. Задача Коши для дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка.
№28. Система дифференциальных уравнений в частных производных 1-го порядка :
Во многих областях науки встречаются системы величин, которые связаны между собой не одним, а сразу несколькими соотношениями , рассматривается задача Коши для систем из двух уравнений с двумя начальными условиями
+ 8
=0,
+ 2
=0 ∞ <x< +∞ 0 <t< ∞
(x, 0) = f(x),
(x, 0) = d(x)
Эта задача может соответствовать определению давления и плотности
, как функция пространственной координаты x и времени t по известным распределениям этих величин в нач. момент.
Запишем систему уравнений в матричной форме
+
=
+ A
=
(8.7)
A =
=
=
=
Введение новой неизвестной функции v = с помощью преобразования u = pv, где p- матрица , по столбцам которой стоят собственные векторы матрицы А.
Собственные числа матрицы А являются корнями уравнения :
det (A –λ E)=0
или = 0 ó
– 16 = 0
= 4
= - 4
Найдём собственный вектор соответствующий собственному значению
= 4 из системы
(A – E) (
) = 0
=
=1 ,
=2 =>
Аналогично найдем вторую СВ,соот-щую
= - 4
=
= 1,
= - 2
Тогда матрица Р будет иметь вид
P=
=
=
det p= 4
AP =
=
=
= B
Оказалось, что после замены переменных по формуле u=pv для определения v получится очень простая система два уравнения относительно новых оказываются независимыми .После этого по формуле u=pv находится искомая функция
,но сначала выясним, как выглядит система для определения v ,продифференцировав обе части соотношения по u=pv получаем :
= p
= p
(8.8)
Теперь подставим соотношения (8.8) в систему : + A
= 0
+ AP
= 0 │*
+
A
=0;
+ B
= 0 (8.9)
Раньше мы уже видели , что B
Запишем (8.9) в развернутой форме : (8.10)
Получилась система из 2х несвязанных уравнений, которые решаются независимо ,их решениями будут : +
=0
-
=0
=
x- 4t =
= ϕ (x-4t)
:
=
x+4t =
=
(x+4t)
Для получения общего решения нужно выполнить по формуле :u=pv
=
=
(x, t) =
(x, t) =
Решается задание Коши:
│
4 =
+2
(x) =
(f(x)+2g(x)) 4 Ψ(x)= 2
, Ψ(x)=
(2g(x)- f(x)) =>
Ответ : (x, t) =
(f(x-4t)+2g(x-4t))-
(2g(x+4t)-f(x+4t))
(x, t) =
(f(x-4t)+2g(x-4t)+
(2g(x+4t)-f(x+4t))
Замечание : часто численные методы ориентированы на решение систем уравнений , а значит многие программы для компьютера написаны так чтобы решить систему уравнений первого порядка, поэтому приходится преобразовывать свое уравнение высшего порядка в систему ур-ний первого порядка.
29.Построение решения линейного уравнения в виде степенного ряда.