常係數線性微分方程的直接解法 利用特徵方程

2021-07-29 18:39:13 字數 633 閱讀 9460

線性系統的最重要的特徵是:系統對激勵的反應是線性的,而且系統本身是線性的,牢記

疊加組合性。

例如:二階線性微分方程 x"+2xˊ+5x=0 , x︱t=0 =0 ,xˊ︱t=0 =0

這是個齊次二階常係數微分方程,對應的初始條件為均0,意味著系統初始狀態為0,由於系統無激勵,系統的初始狀態又為0,所以系統不運動,即x=0。

對這種方程,最簡單的是根據特徵方程的根求系統的響應,即求微分方程的解。其原理如下:

設x=e^(st);帶入微分方程,即得特徵方程s^2+2s+5=0,解的根為:s1=-1+2i;s2=-1-2i。

故微分方程的解系的兩個基為:x1=e^(s1*t)=e^(-t)*e^(i2t);x2=e^(s2*t)=e^(-t)*e^(-i2t)。

通解x=c1*x1+c2*x2。注:因為是線性系統方程,解為基的線性組合。

我們更一般的解法是將基轉換成實函式的形式。根據尤拉公式,x1『=(x1+x2)/2=e^(-t)*cos(2t);同理,x2'=e^(-t)*sin(2t)。則x=c1'*e^(-t)*cos(2t)+c2'*e^(-t)*sin(2t)。

根據初始條件 x︱t=0 =0 ,xˊ︱t=0 =0,可解得c1『=0;c2'=0。驗證了上面的結論,另外,可以將解帶入原微分方程進行檢驗。

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