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연립상미분방정식Ch4(Systems of ODEs) 본문

공학수학(미분방정식)/System of ODE(연립미방)

연립상미분방정식Ch4(Systems of ODEs)

물리영이 2020. 10. 29. 23:35
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연립상미분방정식Ch4(Systems of ODEs)

연립상미분방정식을 행렬을 이용해서 해를 찾아간다.
그리고, 연립상미분방정식을 벡터 방정식으로 나타낼 수 있다.

 

행렬을 사용하기 위해선 행렬의 성질과 활용을 알아야한다.

  • 행렬의 계산(행렬 덧셈, 행렬 곱)

  • 전치행렬(transpose) : A행렬의 transpose=AT

  • 역행렬(inverse of matrix) : A행렬의 역행렬=A1

  • 단위행렬(unit matrix) : I=[1001]

  • 행렬곱(determinant) : A의 행렬곱=|A|

  • 고유값, 고유벡터(eigenvalue, eigenvector) : Ax=[a11a12a21a22][x1x2]=[λx1λx2]=λx

    에서 λ:eigenvalue,x:eigenvector 

연립상미분방정식을 벡터방정식으로 나타낼 수 있다(systems of ODEs as vector equation). 즉, 행렬을 벡터로 볼 수 있다.

{y1=a11y1+a12y2y2=a21y1+a22y2

$$\mathbf{y'} = [y1y2] =
[a11a12a21a22]
\cdot [y1y2]=\mathbf{Ay}$$

 

일반적인 방법론도 중요하지만, 바로 예시로부터 연립상미분방정식의 해를 알아보자.

  • 1계 상수계수 연립상미분방정식(초기값 문제)

{y1(t)=0.02y1+0.02y2y2(t)=0.02y10.02y2&{y1(0)=0y2(0)=150

  • Step1  : 벡터방정식 꼴로 바꾸기.

$$\Rightarrow [y1(t)y2(t)]
[0.020.020.020.02] 
\cdot [y1y2]$$

  • Step2 : yeλtxAx=λxdet(AλI)=0

proof)

y=Ayλeλtx=eλtAx

(Axλx)eλt

Ax=λx

 

문제를 마저 풀면,

det(AλI)=|0.02λ0.020.020.02λ|=0

(0.02+λ)20.022=0

λ1=0,x(1)=[11]

λ2=0.04,x(2)=[11]

일반해:

y=c1x(1)eλ1t+c2x(2)eλ2t

=c1[11]+c2[11]e0.04t

 

  • Step3 : 초기값 대입.

c1=75,c2=75

y=75[11]75[11]e0.04t

{y1=7575e0.04ty2=75+75e0.04t

 

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