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zgchen9金虫 (小有名气)
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[求助]
请问如何求解二元一阶微分方程组
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各位朋友新年好,我需要解一个二元一阶微分方程组,但是本人数学水平有限,特请交各位朋友。 A,B,C,D,E,F,K为常数,x 和y为t 的函数。dx/dt和dy/dt为导数,二元一阶微分方程组如下: dx/dt=Ax+By+C dy/dt=Dx+Ey+F 边界条件为t=0时,x=y=K. 请问如何得到x 和y. 谢谢。 方程组 |
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peterflyer
木虫之王 (文学泰斗)
peterflyer
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【答案】应助回帖
sweety: 应助指数+1 2013-11-10 12:49:18
sweety: 数学EPI+1, 耐心解答 2013-11-10 12:49:37
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求解过程:对方程(1)、(2)两边求Laplace变换,记X(s) 、Y(s)分别为x=x(t)和y=y(t)关于t的Laplace变换。由拉氏变换的性质,有: s*X(s)-k=A*X(s)+B*Y(s)+C/s (3) s*Y(s)-k=D*X(s)+E*Y(s)+F/s (4) 联解方程(3)和(4),有: X(s)=[k*s+(B*k-E*k+C)+(B*F-C*E)/s]/{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4 +B*D]} =[k*s+(B*k-E*k+C)]/{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4+B*D]} +(B*F-C*E)/(A*E-B*D)*1/s +{[(C*E-B*F)/(A*E-B*D)]*s+(B*F-C*E)*(A+E)/(A*E-B*D)}/ /{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4+B*D]} Y(s)=[k*s+(F+D*k-A*k)+(C*D-A*F)/s]/{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4 +B*D]} =[k*s+(F+D*k-A*k)]/{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4+B*D]} +[(C*D-A*F)/(A*E-B*D)]*1/s +{[A*F-C*D)/(A*E-B*D)]*s+(A+E)*(C*D-A*F)/(A*E-B*D)}/ /{[s-(A+E)/2]^2-[(A-E)^2/4+B*D]} 对X(s)和Y(s)求拉氏反变换,得到x=x(t)和y=y(t)的表达式。查拉氏反变换表可知:1/s的拉氏反变换为1;s/[s^2+ω^2]的反变换为Cosωt; 1/[s^2+ω^2]的反变换为Sinωt; 1/[(s-δ)^2+ω^2]的反变换为 exp(at)*Cosωt; (s-δ)/[(s-δ)^2+ω^2]的反变换为exp(at)*Sinωt; 1/(s-a)的反变换为exp(at),同时并注意到拉氏变换与反变换均具有线性叠加的性质,故可得到如下结果: (1) 若-B*D-(A-E)^2/4 ≥0, 令ω^2=-B*D-(A-E)^2/4 ,此处ω≥0 则上面的X(s)和Y(s)的表达式均可通过代数中的知识表达为由1/s、(s-γ)/[(s-γ)^2+ω^2]以及1/[(s-γ)^2+ω^2]等的线性表达式。因此, x(t)与y(t)均为1、exp(γ*t)*Cosωt、exp(γ*t)*Sinωt等的线性表达式,只不过各自的系数不同而已。由于表达式过于复杂,这里就不具体写出了。 (2)若-B*D-(A-E)^2/4 ≤0,令-ω^2=-B*D-(A-E)^2/4 ,此处ω≥0 此时,X(s)和Y(s)均可表达为1/s、1/(s-γ)、1/(s+γ)等的线性表达式,因此, x(t)与y(t)均为1、exp(γ*t)、exp(-γ*t)等的线性表达式,只不过各自的系数不同而已。由于表达式过于复杂,这里就不具体写出了。 |
14楼2013-11-10 11:38:50
peterflyer
木虫之王 (文学泰斗)
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13楼2013-11-07 19:29:05
【答案】应助回帖
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用mathematica软件可以求解: DSolve[{x'[t] == A x[t] + B y[t] + C, y'[t] == D x[t] + E y[t] + F, x[0] == K, y[0] == K}, {x, y}, t] // Simplify 答案是: x -> Function[{t}, (2 E^(-(1/ 2) (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) (-2 B C D E^( 1/2 (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) + 2 B C D E^((A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) + 2 B C D E^( Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2] t + 1/2 (A + E - Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) - A C E^(1 + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2] t + 1/2 (A + E - Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) + C E^(2 + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2] t + 1/2 (A + E - Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) + A C E^(1 + 1/2 (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) - C E^(2 + 1/2 (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) - 2 B C D E^( 1/2 (A + E - Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t + 1/2 (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) + A C E^(1 + 1/2 (A + E - Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t + 1/2 (A + E + Sqrt[A^2 + 4 B D - 2 A E + E^2]) t) - C E^(2 + 1/2 (A + E - 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2楼2012-01-02 22:28:24
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3楼2012-01-02 22:29:45
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4楼2012-01-03 09:49:02
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5楼2012-01-03 15:34:35
lilac_c
至尊木虫 (知名作家)
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【答案】应助回帖
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soliton923(金币+1): 谢谢参与讨论~~~ 2012-01-04 22:20:52
soliton923(金币+1): 谢谢参与讨论~~~ 2012-01-04 22:20:52
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dx/dt=Ax+By+C dy/dt=Dx+Ey+F 基于 crank-Nicloson格式的求解程序编写思路 第一步 显示求解出 当前的x(n+1)与y(n+1) 以第一个方程为例: x(n+1)=x(n)+dt*( A*x(n)+B*y(n)+C) 第二部校正开始 由于用显格式求解误差会越来越大,故此,要用 x(n+1)=x(n)+dt*( A/2*(x(n)+x(n+1))+B*(y(n)+y(n+1))/2. +c) 当两次求解误差在设置的误差范围内,结束迭代过程,否则,重新回到校正. ................. |

6楼2012-01-03 21:12:14
7楼2012-01-04 17:10:23
peterflyer
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【答案】应助回帖
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设X(t)和Y(t)的Laplace变换分别记为F1(s)和F2(s)。分别对两个方程的两边取Laplace变换,得: s*F1(s)=A*F1(s)+B*F2(s)+C/s s*F2(s)=D*F1(s)+E*F2(s)+F/s 联解以上二元一次方程求出F1(s)和F2(s) F1(s)=(B*F-C*E)/{s*[(B-E)*s+a*e-b*d]} =[(B*F-C*E]/[A*E-B*D]/s+[(B*F-C*E]/[A*E-B*D]/{s-[B*D-A*E]/(B-E)} F2(s)=[(F-C)*s+C*D-A*F]/{s^2*[(B-E)*s+a*e-b*d]} =(C*D-A*F)(A*E-B*D)/s^2+(F-C)/(B-E+A*E-B*D)/s+(F-C)/(B-E+A*E- B*D)/[s-(A*E-B*D)/(B-E)] 对F1(s)和F2(s)分别求反变换,并注意到变换与反变换具有线性叠加性质,且反变换公式:1/s的反变换为1;1/ (s-a)的反变换为exp(at),1/s^2的反变换为t/Γ(2),由此便可求的X(t)和Y(t)。 完毕。 |
8楼2013-11-07 16:53:37
peterflyer
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9楼2013-11-07 16:54:41
peterflyer
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10楼2013-11-07 17:05:15













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