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第八講 一階常係數線性ODE(續)

一,用直角座標法,去掉\widetilde{y}=\frac{k}{k+i\omega }e^{i\omega t}中虛數{\color{Red} iy_{2}}部分:

  1. \widetilde{y}=\frac{k}{k+i\omega }e^{i\omega t}=\frac{k}{k+i\omega }\cdot \frac{k-i\omega }{k-i\omega }\cdot (cos(\omega t)+isin(\omega t))
  2. =\frac{k^{2}-ik\omega }{k^{2}+\omega ^{2}}\cdot (cos(\omega t)+isin(\omega t))
  3. 去掉虛數部分:y_{1}=\frac{1}{k^{2}+\omega ^{2}}\cdot (k^{2}cos(\omega t)+k\omega sin(\omega t))

二,將直角座標法的解化成極座標法的解(方便觀察幅值和相位): 

        利用三角恆等式:acos\theta +bsin\theta =Ccos(\theta -\phi )C=\sqrt{a^{2}+b^{2}},作圖見視訊9:00~10:00

  • \frac{1}{k^{2}+\omega ^{2}}\cdot (k^{2}cos(\omega t)+k\omega sin(\omega t))=\frac{1}{k^{2}+\omega ^{2}}\cdot \sqrt{k^{4}+k^{2}\omega ^{2}}\cdot cos(\omega t-\phi ) 
  • =(k^{2}+\omega ^{2})^{-1}\cdot k(k^{2}+\omega ^{2})^{\frac{1}{2}}\cdot cos(\omega t-\phi )=\frac{k}{\sqrt{k^{2}+\omega ^{2}}}\cdot cos(\omega t-\phi )
  • =\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}\cdot cos(\omega t-\phi )

三,證明acos\theta +bsin\theta =Ccos(\theta -\phi )C=\sqrt{a^{2}+b^{2}}: 

  1. 向量法: acos\theta +bsin\theta =<a,b>\cdot <cos\theta ,sin\theta >=|<a,b>|\cdot 1\cdot cos(\omega t-\phi )=Ccos(\theta -\phi )
  2. 複數法:(a-bi)(cos\theta +isin\theta )=\sqrt{a^{2}+b^{2}}e^{-i\phi }e^{i\theta }=Ce^{i(\theta -\phi )},方程兩邊去掉虛數即證。
  3. 視訊13:00~22:00

四,一階線性ODE的應用:

  • {y}'+ky=ky_{e},k>0,應用:濃度—擴散模型
  • 如圖
  • 這是一個水池,內部體積是V,鹽水從左端流入右端流出,r表示鹽水流速。
  • 問題:水池中的鹽含量隨時間變化的函式?
  • 設水池中的鹽含量為x,時間為t,鹽含量是時間的函式x(t)
  • 建立文字模型:鹽含量隨時間的變化率=鹽的流入速度-鹽的流出速度
  • 鹽含量隨時間的變化率為\frac{dx}{dt}
  • 鹽的流入速度=鹽水流速r*鹽水流入的濃度C_{e}(設鹽水流入的濃度為C_{e}
  • 鹽的流出速度=鹽水流速r*鹽水流出的濃度\frac{x}{V}(鹽水流出的濃度和水池濃度相同)
  • 整理為數學模型:\frac{dx}{dt}=r\cdot C_{e}-r\cdot \frac{x}{V}
  • 化為一般形式:\frac{dx}{dt}+r\cdot \frac{x}{V}=r\cdot C_{e}
  • 方程左邊單位是量,而右邊單位是濃度
  • 統一成濃度單位:設\frac{x}{V}=C,則x=VC
  • 原方程化為:V\frac{dC}{dt}+r\cdot C=r\cdot C_{e}
  • 化為一般形式:\frac{dC}{dt}+\frac{r}{V}\cdot C=\frac{r}{V}\cdot C_{e}k=\frac{r}{V},k表示單位時間內流量佔體積的比例,K的單位:時間的導數
  • 用積分因子法求解即可
  • 如果鹽水流入的濃度C_{e}是正弦函式cos(\omega t)時,水池裡的濃度會多大程度隨C_{e}的變化而變化?
  • 觀察極座標法的解可知:K越大(流速r越大或體積V越小),振幅越接近1,相位\phi滯後越小

 

  • {y}'+ky=q(x),k>0,應用:電路,放射性鏈衰變(略)
  • 如圖
  • R表示電阻,C表示電容,q表示電荷,j表示電流,\varepsilon表示電動勢
  • 問題:迴路中的電荷隨時間變化的函式?
  • 基爾霍夫定律:三個元件的電壓降之和為0
  • 建立數學模型:R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C}=\varepsilon (t)\frac{dq}{dt}=j
  • 化為一般形式:\frac{dq}{dt}+\frac{q}{RC}=\frac{\varepsilon (t)}{R}

五,如果k<0,以下術語將變得不適用(方程可以照常解):

暫態、穩態、輸入—響應