Soustavy diferenciálních rovnic

Autonomní soustavy lineárních rovnic

Obecné řešení

Najděme obecné  řešení soustavy diferenciálních rovnic
MB-SousDiferencRov_1.gif= x= x+2y
MB-SousDiferencRov_2.gif= y= -2 x+y

Definujme soustavu funkcí dvou proměnných
f1(x,y) = x + 2 y
f2
(x,y) = - 2 x +  y

MB-SousDiferencRov_3.gif

MB-SousDiferencRov_4.gif

MB-SousDiferencRov_5.gif

Nyní  najdeme obecné řešení soustavy diferenciálních  rovnic.

MB-SousDiferencRov_6.gif

MB-SousDiferencRov_7.gif

Obecné řešení
MB-SousDiferencRov_8.gif, t R, MB-SousDiferencRov_9.gif,MB-SousDiferencRov_10.gifR
MB-SousDiferencRov_11.gif

Partikulární řešení autonomní soustavy lineárních rovnic

Najděme obecné  řešení soustavy diferenciálních rovnic
MB-SousDiferencRov_12.gif= x= x+2y
MB-SousDiferencRov_13.gif= y= -2 x+y
splňující počáteční podmínky  x(0) =1, y(0) = 0

MB-SousDiferencRov_14.gif

MB-SousDiferencRov_15.gif

Partikulární řešení  MB-SousDiferencRov_16.gif t R.

Integrální křivky

Nakresleme integrální  křivky předchozího partikulárního řešení

MB-SousDiferencRov_17.gif

MB-SousDiferencRov_18.gif

MB-SousDiferencRov_19.gif

MB-SousDiferencRov_20.gif

MB-SousDiferencRov_21.gif

Trajektorie

Nakresleme trajektorii předchozího partikulárního řešení

MB-SousDiferencRov_22.gif

MB-SousDiferencRov_23.gif

Neautonomní soustavy lineárních rovnic

Obecné řešení

Najděme obecné  řešení soustavy diferenciálních rovnic
MB-SousDiferencRov_24.gif= x= x+ 2 y + MB-SousDiferencRov_25.gif
MB-SousDiferencRov_26.gif= y= -2 x+ y + MB-SousDiferencRov_27.gif

Definujme soustavu funkcí dvou proměnných
f1(x,y) = x + 2 y + MB-SousDiferencRov_28.gif
f2
(x,y) = - 2 x +  y + MB-SousDiferencRov_29.gif

MB-SousDiferencRov_30.gif

MB-SousDiferencRov_31.gif

MB-SousDiferencRov_32.gif

Nyní  najdeme obecné řešení soustavy diferenciálních  rovnic.

MB-SousDiferencRov_33.gif

MB-SousDiferencRov_34.gif

MB-SousDiferencRov_35.gif

MB-SousDiferencRov_36.gif

Obecné řešení
MB-SousDiferencRov_37.gif
y(t)= MB-SousDiferencRov_38.gif
t R, MB-SousDiferencRov_39.gif,MB-SousDiferencRov_40.gifR

Partikulární řešení autonomní soustavy lineárních rovnic

Najděme obecné  řešení soustavy diferenciálních rovnic
MB-SousDiferencRov_41.gif= x= x + 2 y + MB-SousDiferencRov_42.gif
MB-SousDiferencRov_43.gif= y= -2 x + y + 2 MB-SousDiferencRov_44.gif
splňující počáteční podmínky  x(0) =1, y(0) = 0

MB-SousDiferencRov_45.gif

MB-SousDiferencRov_46.gif

MB-SousDiferencRov_47.gif

MB-SousDiferencRov_48.gif

Partikulární řešení  MB-SousDiferencRov_49.gif t R.

Integrální křivky

Nakresleme integrální  křivku předchozího partikulárního řešení

MB-SousDiferencRov_50.gif

MB-SousDiferencRov_51.gif

MB-SousDiferencRov_52.gif

MB-SousDiferencRov_53.gif

MB-SousDiferencRov_54.gif

Trajektorie

Nakresleme trajektorii předchozího partikulárního řešení

MB-SousDiferencRov_55.gif

MB-SousDiferencRov_56.gif


Soustavy diferenciálních rovnic -  numerické (přibližné) řešení

Autonomní soustavy nelineárních rovnic

Partikulární řešení

Najděme partikukární  řešení soustavy diferenciálních rovnic
x=MB-SousDiferencRov_57.gif
y ’ = x y
splňující počáteční podmínku x(0) = 1, y(0)=1

MB-SousDiferencRov_58.gif

MB-SousDiferencRov_59.gif

MB-SousDiferencRov_60.gif

Nejdříve zkusíme najít partikulární řešení diferenciální rovnice analyticky.

MB-SousDiferencRov_61.gif

MB-SousDiferencRov_62.gif

Protože  jsme přesné řešení nenašly, najdeme numerické řešení soustavy diferenciálních rovnic, protože víme, že řešení existuje (z věty o jednoznačnosti a existenci).

MB-SousDiferencRov_63.gif

MB-SousDiferencRov_64.gif

Nedostaneme analytické řešení, ale můžeme si vypočítat přibližnou hodnotu v libovolném bodě z intervalu <0,1>.

MB-SousDiferencRov_65.gif

MB-SousDiferencRov_66.gif

MB-SousDiferencRov_67.gif

MB-SousDiferencRov_68.gif

Tabulka řešení

Můžeme vypsat tabulku hodnot řešení na intervalu <0,1>.

MB-SousDiferencRov_69.gif

MB-SousDiferencRov_70.gif

MB-SousDiferencRov_71.gif

MB-SousDiferencRov_72.gif

MB-SousDiferencRov_73.gif

t x[t] y[t]
0. 1. 0.
0.1 0.908749 0.10484
0.2 0.830513 0.218761
0.3 0.759415 0.340872
0.4 0.690289 0.470153
0.5 0.618357 0.605251
0.6 0.539062 0.744248
0.7 0.448035 0.88443
0.8 0.341149 1.02208
0.9 0.214663 1.15237
1. 0.0653834 1.26945

Integrální křivky

Nebo si můžeme  nakreslit přibližné integrální křivky.

MB-SousDiferencRov_74.gif

MB-SousDiferencRov_75.gif

Trajektorie řešení

Můžeme si  nakreslit také přibližnou trajektorii řešení.

MB-SousDiferencRov_76.gif

MB-SousDiferencRov_77.gif

Aplikační příklad

Model dravec-kořist

Model dravec-kořist  (viz Matematica II) lze popsat soustavou  diferenciálních rovnic
MB-SousDiferencRov_78.gif= a x - α x y
MB-SousDiferencRov_79.gif= -b  y+ β x y
s počátečními podmínkami x(0)=MB-SousDiferencRov_80.gif a y(0)=MB-SousDiferencRov_81.gif,
kde
x(t) je množství kořisti a y(t) je množství dravců,
Koeficienty
a, b, α, β  viz Matematica II.
Nalezněme partikulární řešení pro parametry
a=2, b=1, α=1, β=0.8. Nakresleme trajektorie partikulárního řešení pro různé hodnoty počátečních podminek.

Najdeme numericky partikulární řešení soustavy diferenciálních rovnic pro počáteční podmínky x(0)=1 a y(0)= 0.2.

MB-SousDiferencRov_82.gif

MB-SousDiferencRov_83.gif

MB-SousDiferencRov_84.gif

MB-SousDiferencRov_85.gif

MB-SousDiferencRov_86.gif

MB-SousDiferencRov_87.gif

Vykreslíme trajektorii řešení pro počáteční podmínky x(0)=1 a y(0)= 0.2.

MB-SousDiferencRov_88.gif

MB-SousDiferencRov_89.gif

Najdeme numericky partikulární řešení soustavy diferenciálních rovnic pro počáteční podmínky
x(0)=1 a y(0)= 0.2
x(0)=1 a y(0)= 0.7
x(0)=1 a y(0)=1.2
x(0)=1 a y(0)= 1.7.

MB-SousDiferencRov_90.gif

MB-SousDiferencRov_91.gif

MB-SousDiferencRov_92.gif

MB-SousDiferencRov_93.gif

MB-SousDiferencRov_94.gif

Vykreslíme všechny trajektorie.

MB-SousDiferencRov_95.gif

MB-SousDiferencRov_96.gif

MB-SousDiferencRov_97.gif

Spikey Created with Wolfram Mathematica 9.0