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第九講 二階常係數齊次線性ODE

一,標準形式:

        {y}''+A{y}'+By=0,A和B是常係數

二,求特徵方程:

  • {\color{Red} y=e^{rt}},t是自變數
  • {y}'=re^{rt}{y}''=r^{2}e^{rt}
  • 標準形式化為:r^{2}e^{rt}+Are^{rt}+Be^{rt}=0
  • 兩邊同時除以e^{rt},得特徵方程:r^{2}+Ar+B=0

三,解特徵方程得通解,有三種情況:

  • r是兩個不同的實數:r_{1}r_{2}
  1. 通解:{\color{Red} y=c_{1}y_{1}+c_{2}y_{2}=c_{1}e^{r_{1}t}+c_{2}e^{r_{2}t}}
  2. y_{1}y_{2}為方程的兩個解,且線性無關
  3.  c_{1}c_{2}為任意常數
  4. 設初始條件y{y}',建立方程組,解出c_{1}c_{2}
  5. c_{1}c_{2}代入通解,解得特解
  • r是一對共軛複數:r=a\pm bi
  1. y=e^{(a\pm bi)t},是複函式
  2. 定理:如果複函式y=u(t)\pm iv(t)是實微分方程{y}''+A{y}'+By=0的解,那麼y_{1}=uy_{2}=v
  3. 證明:視訊31:00~33:15
  4. y=e^{(a+bi)t}=e^{at}e^{ibt}=e^{at}cos(bt)+ie^{at}sin(bt)
  5. y=e^{(a-bi)t}=e^{at}e^{-ibt}=e^{at}cos(-bt)+ie^{at}sin(-bt)=e^{at}cos(bt)-ie^{at}sin(bt)
  6. u=e^{at}cos(bt)v=e^{at}sin(bt)
  7. 通解:{\color{Red} y=c_{1}u+c_{2}v=e^{at}(c_{1}cos(bt)+c_{2}sin(bt))}
  8. e^{at}表示震盪的幅度,c_{1}c_{2}表示幅值,bt表示頻率,c_{1}c_{2}為任意常數
  9. 設初始條件y{y}',建立方程組,解出c_{1}c_{2}
  10. c_{1}c_{2}代入通解,解得特解
  11. 利用輔助角公式:asinx+bcosx=\sqrt{a^{2}+b^{2}}cos(x-\phi )\phi =arctan(\frac{a}{b})
  12. 化簡特解:{\color{Red} y=e^{at}(c_{1}cos(bt)+c_{2}sin(bt))=\sqrt{c_{1}^{2}+c_{2}^{2}}cos(bt-\phi )}
    {\color{Red} \phi =arctan(\frac{c_{2}}{c_{1}})}
  13. \phi表示相位延遲(右移)
  • r是兩個相等的實數:r=-aa> 0
  1. 標準形式:{y}''+2a{y}'+a^{2}y=0A=2aB=a^{2}
  2. 特徵方程:r^{2}+2ar+a^{2}=0
  3. y_{1}=e^{-at}
  4. {\color{Red} y_{2}=y_{1}u=e^{-at}u}
  5. {y}'=-a\cdot e^{-at}u+e^{-at}{u}'
  6. {y}''=a^{2}\cdot e^{-at}u-a\cdot e^{-at}{u}'-a\cdot e^{-at}{u}'+e^{-at}{u}''
  7. y{y}'{y}''代入標準形式{y}''+2a{y}'+a^{2}y=0
  8. 解得:e^{-at}{u}''=0\Rightarrow {u}''=0\Rightarrow u=C_{1}t+C_{2}
  9. C_{1}=1C_{2}=0,得u=t
  10. {\color{Red} y_{2}=y_{1}u=e^{-at}t}
  11. 通解:{\color{Red} y=c_{1}y_{1}+c_{2}y_{2}=c_{1}e^{-at}+c_{2}e^{-at}t}

三,應用:彈簧—質量—阻尼系統

  • 如圖
  • o點為平衡位置,小車靜止
  • 問題:求小車位置x隨時間t變化的函式?
  • 建立數學模型:m{x}''=-kx-c{x}'
  • m{x}''表示小車向右的拉力,-kx表示向左的彈簧力,k表示彈性係數,-c{x}'表示向左的阻尼力
  • 化為標準形式:{x}''+\frac{c}{m}{x}'+\frac{k}{m}x=0
  • 阻尼常數比彈性常數大的情況(無震盪):
  • 設阻尼常數\frac{c}{m}=4,彈性常數\frac{k}{m}=3
  • 原方程變為:{x}''+4{x}'+3x=0
  • 特徵方程:r^{2}+4r+3=0
  • 解特徵方程得:r_{1}=-3r_{2}=-1
  • 通解:x=c_{1}e^{r_{1}t}+c_{2}e^{r_{2}t}=c_{1}e^{-3t}+c_{2}e^{-t}
  • 設初始條件:x(0)=1{x}'(0)=0
  • 建立方程組:c_{1}+c_{2}=1-3c_{1}-c_{2}=0
  • 解出:c_{1}=-\frac{1}{2}c_{2}=\frac{3}{2}
  • 代入通解得特解:x=-\frac{1}{2}e^{-3t}+\frac{3}{2}e^{-t}
  • 繪製解影象:視訊25:00~28:00
  • 阻尼常數比彈性常數小的情況(震盪):
  • 設阻尼常數\frac{c}{m}=4,彈性常數\frac{k}{m}=5
  • 原方程變為:{x}''+4{x}'+5x=0
  • 特徵方程:r^{2}+4r+5=0
  • 解特徵方程得:r=-2\pm i
  • 通解:x=e^{at}(c_{1}cos(bt)+c_{2}sin(bt))=e^{-2t}(c_{1}cos(t)+c_{2}sin(t))
  • 設初始條件:x(0)=1{x}'(0)=0
  • 建立方程組……,解出:c_{1}=1c_{2}=2
  • 代入通解得特解:x=e^{-2t}(cos(t)+2sin(t))
  • 利用輔助角公式化簡特解:x=\sqrt{5}e^{-2t}cos(t-\phi )\phi =arctan(\frac{2}{1})\approx 63.4^{\circ}
  • 繪製解影象:視訊40:30~42:30
  • 臨界阻尼:
  • 設阻尼常數\frac{c}{m}=2a,彈性常數\frac{k}{m}=a^{2}
  • 原方程變為:{x}''+2a{x}'+a^{2}x=0
  • 特徵方程:r^{2}+2ar+a^{2}=0
  • 解特徵方程得:r=-a
  • 通解:x=c_{1}e^{-at}+c_{2}e^{-at}t
  • ……