Дифференциальные уравнения. - 41 стр.

UptoLike

Рубрика: 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ 41
Пример 53. Решим систему уравнений
x
′′
= 3(y x + z),
y
′′
= x y,
z
′′
= z
с начальными данными
x(0) = 0, x
(0) = 0,
y(0) = 0, y
(0) = 1,
z(0) = 1, z
(0) = 0.
Пусть
x(t) X(p), y(t) Y (p), z(t) Z(p).
После преобразования Лапласа система перепишется в виде
p
2
X(p) = 3(Y (p) X(p) + Z(p)),
p
2
Y (p) + 1 = X(p) Y (p),
p
2
Z(p) p = Z(p).
Решая её относительно неизвестных X(p), Y (p), Z(p), получаем
X(p) =
3(p 1)
p
2
(p
2
+ 4)
,
Y (p) =
3(p 1)
p
2
(p
2
+ 1)(p
2
+ 4)
1
p
2
+ 1
,
Z(p) =
p
p
2
+ 1
.
Найдём оригиналы этих изображений. Для этого разложим дроби
3(p1)
p
2
(p
2
+4)
и
3(p1)
p
2
(p
2
+1)(p
2
+4)
в суммы
элементарных.
Имеем
3(p 1)
p
2
(p
2
+ 4)
=
A
p
+
B
p
2
+
C
p
2
+ 4
,
откуда
A + C = 0,
B + D = 0,
4A = 3,
4B = 3.
Следовательно,
A =
3
4
, B =
3
4
, D =
3
4
, C =
3
4
и
X(p) =
3
4
·
1
p
3
4
·
1
p
2
3
4
·
p
p
2
+ 4
+
3
4
·
1
p
2
+ 4
.
Находя оригинал для каждого слагаемого, получим
x(t) =
3
4
3
4
t
3
4
cos 2t +
3
8
sin 2t.
Далее положим
3(p 1)
p
2
(p
2
+ 1)(p
2
+ 4)
=
A
p
+
B
p
2
+
Cp + D
p
2
+ 1
+
Lp + M
p
2
+ 4
,
                                  ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ                                                            41

    Пример 53. Решим систему уравнений
                                   
                                       ′′
                                   x = 3(y − x + z),
                                   
                                     y ′′ = x − y,
                                   
                                    ′′
                                     z = −z
с начальными данными
                          x(0) = 0,                                    x′ (0) = 0,
                          y(0) = 0,                                    y ′ (0) = −1,
                          z(0) = 1,                                    z ′ (0) = 0.
Пусть
                            x(t) → X(p),       y(t) → Y (p),         z(t) → Z(p).
    После преобразования Лапласа система перепишется в виде
                             
                                2
                             p X(p) = 3(Y (p) − X(p) + Z(p)),
                             
                               p2 Y (p) + 1 = X(p) − Y (p),
                             
                              2
                               p Z(p) − p = −Z(p).
Решая её относительно неизвестных X(p), Y (p), Z(p), получаем
                                         3(p − 1)
                                 X(p) =             ,
                                        p2 (p2 + 4)
                                              3(p − 1)      1
                                 Y (p) = 2 2          2
                                                        − 2    ,
                                        p (p + 1)(p + 4) p + 1
                                           p
                                 Z(p) = 2      .
                                        p +1
                                                                               3(p−1)               3(p−1)
Найдём оригиналы этих изображений. Для этого разложим дроби                   p2 (p2 +4)   и   p2 (p2 +1)(p2 +4)   в суммы
элементарных.
  Имеем
                               3(p − 1)    A    B    C
                               2  2
                                         = + 2+ 2        ,
                              p (p + 4)     p   p  p +4
откуда
                                     
                                     
                                       A + C = 0,
                                     
                                     B + D = 0,
                                     4A = 3,
                                     
                                     
                                     
                                        4B = −3.
Следовательно,
                                      3        3               3              3
                                 A=     ,   B=− ,     D=         ,     C=−
                                      4        4               4              4
и
                              3 1 3 1        3   p  3    1
                          X(p) =· − · 2− · 2       + · 2   .
                              4 p 4 p        4 p +4 4 p +4
Находя оригинал для каждого слагаемого, получим
                                            3 3   3        3
                                  x(t) =     − t − cos 2t + sin 2t.
                                            4 4   4        8
Далее положим
                             3(p − 1)      A B  Cp + D Lp + M
                                          = + 2+ 2    + 2     ,
                        p2 (p2      2
                              + 1)(p + 4)  p p   p +1   p +4