Analiza matematyczna/Układy równań różniczkowych/Przykład 5.1

Z testwiki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Szablon:TOCright

Dany jest układ równań:

{x′(t)=−y+zy′(t)=zz′(t)=−x+z

W zapisie macierzowym 𝕏′=𝔸⋅𝕏 powyższy układ wygląda następująco:

[x′y′z′]=[0−11001−101]⋅[xyz]

Jest to układ równań liniowych jednorodny z trzema niewiadomymi funkcjami x(t), y(t) oraz z(t), zależnymi od jednej zmiennej niezależnej t.

Wartości własne macierzy współczynników

Rozwiązanie tego układu zaczniemy od znalezienia wartości własnych λ macierzy 𝔸:

det[𝔸−λI]=0

det[−λ−110−λ1−101−λ]=

szukany wyznacznik macierzy ma postać:

=(λ2(1−λ)+1+0)−(λ+0+0)=

=λ2(1−λ)+1−λ=

=(1−λ)(λ2+1)

Zatem rozwiązaniem równania:

(1−λ)(λ2+1)=0

są liczby λ1=1, λ2=i oraz λ3=−i

Rzeczywiste wartości własne

Szukamy wektorów własnych ℂ odpowiadających rzeczywistej 1-krotnej wartości własnej λ1=1.

[𝔸−λ1I]⋅ℂ=0

zatem:

[−λ1−110−λ11−101−λ1]⋅[c1c2c3]=[000]

następnie:

[−1−110−11−100]⋅[c1c2c3]=[000]

co ostatecznie daje układ równań:

{−c1−c2+c3=0−c2+c3=0−c1=0

Z ostatniego równania mamy c1=0. Podstawiając tę wartość do równania pierwszego, otrzymamy, że c2=c3=s, gdzie s jest dowolnym parametrem. Podsumowując, otrzymamy:

{c1=0c2=sc3=s

co w zapisie wektorowym wygląda następująco:

Cλ1=1=[0ss] =s[011]

Zespolone wartości własne

Szukamy wektorów własnych ℂ odpowiadających zespolonej 1-krotnej wartości własnej λ2=i wraz z rozwiązaniem sprzężonym do niej λ3=−i.

W poniższych obliczeniach możemy pominąć sprzężoną wartość własną λ3=−i bez żadnych negatywnych skutków dla wyniku ostatecznego.

[𝔸−λ2I]⋅ℂ=0

zatem:

[−λ2−110−λ21−101−λ2]⋅[c1c2c3]=[000]

[−i−110−i1−101−i]⋅[c1c2c3]=[000]

co ostatecznie daje układ równań:

{−ic1−c2+c3=0−ic2+c3=0−c1+(1−i)c3=0

Z drugiego równania wyznaczamy c3=ic2=s, gdzie s jest dowolnym parametrem rzeczywistym. Z powyższej zależności oraz z równania pierwszego wyznaczymy współrzędne wektora własnego odpowiadającego parze sprzężonych zespolonych wartości własnych.

{c1=(1−i)sc2=−isc3=s

co w zapisie wektorowym wyrazimy jako

ℂλ2=i=s[1−i−i1]