第七讲 一阶常系数线性ODE

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一,一阶常系数线性ODE一般形式:{y}'+ky=ky_{e},k>0

        详见第三讲的温度—浓度模型。就是把一阶线性ODE标准形式{y}'+p(x)y=q(x)中的p(x)换成常系数k,q(x)换成ky_{e},其中y是t的函数,k>0。

二,输入—响应:

  1.  y_{e}是输入项,参照“温度—浓度模型”中温度和浓度是从外向里输入
  2. y是响应项

三,输入叠加原理:

  1. 如果输入y_{e1},产生响应y_{1};输入y_{e2},产生响应y_{2}
  2. 那么输入y_{e1}+y_{e2},产生响应y_{1}+y_{2};输入Cy_{e},产生响应Cy
  3. 必须是线性方程,含y^{2}的方程不符合这个原理

四,输入为三角函数的情况:

  1. {y}'+ky=kcos\omega t\omega表示频率,t表示时间,\omega t表示幅角
  2. 因为cos\omega te^{i\omega t}的实数部分,所以可以将e^{i\omega t}替换cos\omega t
  3. 原实数解y,变为复数解\widetilde{y}{\color{Red} \widetilde{y}=y_{1}+iy_{2}}
  4. 原方程变为{\widetilde{y}}'+k\widetilde{y}=ke^{i\omega t}

五,求解{\widetilde{y}}'+k\widetilde{y}=ke^{i\omega t}

  1. 解出uu=e^{\int kdt}=e^{kt}
  2. 方程化为{(e^{kt}\widetilde{y})}'=e^{kt}ke^{i\omega t}=ke^{(k+i\omega )t}
  3. e^{kt}\widetilde{y}=\int ke^{(k+i\omega )t}dt=\frac{k}{k+i\omega }e^{(k+i\omega )t}
  4. \widetilde{y}=\frac{k}{k+i\omega }e^{(k+i\omega )t}e^{-kt}=\frac{k}{k+i\omega }e^{i\omega t}

六,幅角性质:

  1. \alpha为复数
  2. \frac{1}{\alpha }\cdot \alpha=1\Rightarrow \left |\frac{1}{\alpha } \right |=\frac{1}{\left |\alpha \right |}
  3. 复数相乘等于幅角相加:ang(\frac{1}{\alpha })+ang(\alpha )=ang(1)=0
  4. ang(\frac{1}{\alpha })=-ang(\alpha ),说明:复数取导数,等于幅角取相反数

七,用极坐标法,去掉\widetilde{y}=\frac{k}{k+i\omega }e^{i\omega t}中虚数部分:

  1. 将方程化为符合幅角性质:\widetilde{y}=\frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})}e^{i\omega t}
  2. 设幅角ang(1+i(\frac{\omega }{k}))=\phi,得ang(\frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})})=-\phi,作图见视频31:00~33:00
  3. \frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})}=re^{-i\phi }r=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}
  4. \frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})}=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}e^{-i\phi }
  5. 代入原方程:\widetilde{y}=\frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})}e^{i\omega t}=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}e^{-i\phi }e^{i\omega t}=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}e^{i(\omega t-\phi )}
  6. 去掉虚数{\color{Red} iy_{2}}部分:y_{1}=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}\cdot cos(\omega t-\phi )\phi=arctan(\frac{\omega }{k})
  7. \phi相对cos(\omega t-\phi )来说等于相位延迟(右移),作图见视频35:00~39:00
  8. 当传导率k增大时,振幅\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}增大,相位\phi减小;说明传导地越快,振幅越接近1,延迟越小

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