background image

3. UKŁADY RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH 

 
 
3.1 POJĘCIA WSTĘPNE 
 
Def. 3.1.1 (układ równań różniczkowych) 
Układem równań różniczkowych rzędu pierwszego nazywamy układ równań postaci 

(U)                                                                    



)

,

,

,

,

(

'

)

,

,

,

,

(

'

)

,

,

,

,

(

'

2

1

2

1

2

2

2

1

1

1

n

n

n

n

n

y

y

y

t

f

y

y

y

y

t

f

y

y

y

y

t

f

y

 
Uwaga
. Jeżeli = 2, to będziemy pisali xy zamiast y

1

y

2 

oraz fg w miejsce f

1

f

2

. Podobnie, jeżeli = 3, to będziemy pisali x

yz zamiast y

1

y

2

y

3

 oraz fgh w miejsce f

1

f

2

f

3

 
Def. 3.1.2 (rozwiązanie układu równań) 
Ciąg funkcji (y

1

(t), y

2

(t), ..., y

n

(t)) określonych i różniczkowalnych na przedziale (a,b) nazywamy rozwiązaniem układu równań 

(U) na tym przedziale, jeżeli zamienia on wszystkie równania tego układu w tożsamości 



))

(

,

),

(

),

(

,

(

)

(

'

))

(

,

),

(

),

(

,

(

)

(

'

))

(

,

),

(

),

(

,

(

)

(

'

2

1

2

1

2

2

2

1

1

1

t

y

t

y

t

y

t

f

t

y

t

y

t

y

t

y

t

f

t

y

t

y

t

y

t

y

t

f

t

y

n

n

n

n

n

 

na przedziale (a,b). 
 
Uwaga
. W notacji wektorowej układ równań różniczkowych (U) można zapisać w postaci 

)

,

(

'

y

t

f

y

gdzie 

'

'

'

'

2

1

n

y

y

y

y

n

y

y

y

y

2

1

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

)

,

(

2

1

2

1

2

2

1

1

n

n

n

n

y

y

y

t

f

y

y

y

t

f

y

y

y

t

f

y

t

f

Wtedy rozwiązanie układu równań (U) jest funkcją wektorową 

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

y

t

y

t

y

t

y

n

 
 
 
Def. 3.1.3 (zagadnienie początkowe dla układu równań) 
Układ równań różniczkowych (U) oraz układ warunków 

(W)                                                      

0

0

0

2

0

2

0

1

0

1

)

(

,

,

)

(

,

)

(

n

n

y

t

y

y

t

y

y

t

y

nazywamy zagadnieniem początkowym lub zagadnieniem Cauchy’ego. 
 

Uwaga.  Liczby 

0

t

  i 

0

0

2

0

1

,

,

,

n

y

y

y

  nazywamy  wartościami  początkowymi,  a  warunek  (W)  nazywamy  warunkiem 

początkowym. Używając notacji wektorowej zagadnienie początkowe można zapisać w postaci 

(UW)                                                                   

0

0

)

(

),

,

(

'

y

t

y

y

t

f

y

 
Def. 3.1.4 (rozwiązanie zagadnienia początkowego) 
Ciąg funkcji (y

1

(t), y

2

(t), ..., y

n

(t)) jest rozwiązaniem zagadnienia początkowego (UW), jeżeli jest rozwiązaniem układu równań 

(U) na pewnym przedziale zawierającym punkt t

0

 i spełnia warunki (W). 

 
Tw. 3.1.5 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań układu (U)) 

background image

Niech funkcje f

i

(t,y

1

,y

2

,...,y

n

), gdzie 1 

 i 

 n, wraz ze swoimi pochodnymi cząstkowymi 

n

j

i

y

y

y

t

y

f

,

,

,

,

2

1

, gdzie 1 

 i, j 

 

n, będą określone i ciągłe na obszarze 

 R

n+1

. Wtedy dla dowolnego punktu 

D

y

y

y

t

n

0

0

2

0

1

0

,

,

,

,

 zagadnienie początkowe 

(UW) ma dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to jest określone na pewnym otoczeniu punktu t

0

 
Def. 3.1.6 (rozwiązania ogólne i szczególne układu równań) 
Rodzinę funkcji wektorowych 

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

)

,

,

,

,

(

2

1

2

1

2

2

1

1

2

1

n

n

n

n

n

C

C

C

t

y

C

C

C

t

y

C

C

C

t

y

C

C

C

t

y

zależnych od parametrów rzeczywistych C

1

, C

2

, ..., C

n

 nazywamy rozwiązaniem ogólnym układu równań (U) jeżeli: 

1. każda funkcja wektorowa z tej rodziny jest rozwiązaniem układu, 
2. dla każdego układu warunków początkowych 

)

,

(

0

0

y

t

, dla którego rozwiązanie istnieje i jest jednoznaczne, można dobrać 

stałe C

1

, C

2

, ..., C

 tak, aby 

0

2

1

)

,

,

,

,

(

y

C

C

C

t

y

n

Każdą funkcję wektorową otrzymaną z rozwiązania ogólnego układu (U) przy ustalonych wartościach parametrów  C

1

, C

2

, ..., 

C

n

  nazywamy rozwiązaniem szczególnym tego układu. 

 
Uwaga
.  Rozwiązanie  zagadnienia  początkowego,  jeżeli  istnieje  i  jest  jednoznaczne,  jest  rozwiązaniem  szczególnym.  W 
praktyce  znajomość  rozwiązania  ogólnego  jest  bardzo  dogodna,  gdyż  przez  odpowiedni  dobór  parametrów  C

1

,  C

2

,  ...,  C

n

 

można otrzymać rozwiązanie zagadnienia początkowego. 
 
 
3.2 UKŁADY RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH LINIOWYCH 
 
 
Def. 3.2.1 (układ równań różniczkowych liniowych) 
Układem równań różniczkowych liniowych rzędu pierwszego nazywamy układ równań postaci 

(UL)                                             



)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n

 
Uwaga
. W notacji wektorowej układ równań (UL) przyjmuje postać 

)

(

2

1

2

1

)

(

2

1

2

22

21

1

12

11

'

2

1

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

'

'

'

t

h

n

y

n

t

A

nn

n

n

n

n

y

n

t

h

t

h

t

h

y

y

y

t

a

t

a

t

a

t

a

t

a

t

a

t

a

t

a

t

a

y

y

y

 

lub krótko 

)

(

)

(

'

t

h

y

t

A

y

Tw. 3.2.2 (o istnieniu i jednoznaczności rozwiązań dla układu (UL)) 
Niech funkcje a

ij

(t), gdzie i,j = 1, 2, ..., n, oraz h

i

(t), gdzie = 1, 2, ..., n, będą ciągłe na przedziale (a,b). Wtedy dla każdego 

punktu 

 

n

n

R

b

a

y

y

y

t

,

,

,

,

,

0

0

2

0

1

0

 zagadnienie początkowe 



)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n



0

0

0

2

0

2

0

1

0

1

)

(

)

(

)

(

n

n

y

t

y

y

t

y

y

t

y

 

ma dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to określone jest na przedziale (a,b). 
 
 
3.3 UKŁADY JEDNORODNE RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH LINIOWYCH 
 
 

background image

Def. 3.3.1 (układ jednorodny równań różniczkowych jednorodnych) 
Układem jednorodnym równań różniczkowych liniowych rzędu pierwszego nazywamy układ równań postaci 

(UJ)                                                     



n

nn

n

n

n

n

n

n

n

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

2

2

1

1

2

2

22

1

21

2

1

2

12

1

11

1

 

 
Uwaga
. W notacji wektorowej układ jednorodny (UJ) przyjmuje postać 

y

t

A

y

)

(

'

 
Fakt 3.3.2 (o kombinacji liniowej rozwiązań układu jednorodnego) 
Niech 

)

(t

)

(t

 będą rozwiązaniami układu jednorodnego (UJ). Wtedy dla dowolnych stałych 

,

 

 R funkcja wektorowa  

)

(

)

(

)

(

t

t

t

y

 

jest również rozwiązaniem tego układu. 
 
Def. 3.3.3 (układ fundamentalny układu jednorodnego (UJ)) 
Układ  rozwiązań 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

n

  układu  jednorodnego  (UJ)  określonych  na  przedziale  (a,b)  nazywamy  układem 

fundamentalnym tego układu na tym przedziale, jeżeli dla każdego 

 (a,b) spełniony jest warunek 

)

(

)

(

)

(

2

1

2

22

21

1

12

11

2

1

0

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

det

t

y

t

y

t

y

nn

n

n

n

n

n

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

 

 

Uwaga.  Powyższy  wyznacznik  oznaczamy  przez 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

W

n

  i  nazywamy  wrońskianem  układu  funkcji 

wektorowych 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

n

 
Fakt 3.3.4 (o postaci rozwiązania ogólnego układu jednorodnego) 
Niech 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

n

 będzie układem fundamentalnym układu jednorodnego równań różniczkowych (UJ). Wtedy 

rozwiązanie ogólne tego układu równań dane jest wzorem 

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

t

y

C

t

y

C

t

y

C

t

y

n

n

 

gdzie C

1

, C

2

, ..., C

n

 są dowolnymi stałymi rzeczywistymi. 

 
Uwaga
. Przypomnijmy, że z rozwiązania ogólnego przez odpowiedni dobór stałych C

1

, C

2

, ..., C

n

 można otrzymać rozwiązanie 

każdego zagadnienia początkowego. Rozwiązanie ogólne układu jednorodnego (UJ) będziemy oznaczali symbolem 

ROUJL

y

 
3.4 UKŁADY RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH LINIOWYCH O STAŁYCH WSPÓŁCZYNNIKACH 
 
Def. 3.4.1 (układ jednorodny równań liniowych o stałych współczynnikach) 
Układem jednorodnym równań różniczkowych liniowych o stałych współczynnikach nazywamy układ równań postaci 

(US)                                                             



n

nn

n

n

n

n

n

n

n

y

a

y

a

y

a

y

y

a

y

a

y

a

y

y

a

y

a

y

a

y

2

2

1

1

2

2

22

1

21

2

1

2

12

1

11

1

'

'

'

gdzie a

ij 

 R dla 1 

 ij 

  n

 
Uwaga
. W notacji wektorowej układ jednorodny równań różniczkowych liniowych o stałych współczynnikach (US) przyjmuje 
postać 

y

A

y

'

Każde rozwiązanie układu (US) określone jest na R. Układy (US) można rozwiązywać metodą eliminacji. 
 
Def. 3.4.2 (wielomian i równanie charakterystyczne macierzy) 
Niech 

 

ij

a

A

 będzie macierzą kwadratową stopnia n. Wielomianem charakterystycznym macierzy A nazywamy wielomian 

background image

nn

n

n

n

n

def

A

a

a

a

a

a

a

a

a

a

I

A

w

2

1

2

22

21

1

12

11

det

)

det(

)

(

gdzie I oznacza macierz jednostkową stopnia n. Równaniem charakterystycznym macierzy A nazywamy równanie 

0

)

(

A

w

 
Def. 3.4.3 (wartości własne i wektory własne macierzy) 
Niech 

 

ij

a

A

  będzie  rzeczywistą  macierzą  kwadratową  stopnia  n.  Wartością  własną  macierzy  A  nazywamy  każdy 

(rzeczywisty lub zespolony) pierwiastek wielomianu charakterystycznego tej macierzy, tj. liczbę 

 spełniającą równanie 

0

)

(

A

w

Niezerowy  wektor 

n

v

v

v

v

,

,

,

2

1

  (o  rzeczywistych  lub  zespolonych  współrzędnych)  nazywamy  wektorem  własnym 

macierzy A odpowiadającym wartości własnej 

 (rzeczywistej lub zespolonej) tej macierzy, jeżeli spełnia warunek 

v

v

A

 
Uwaga
. Ostatnią równość można zapisać w postaci układu równań 

0

0

0

2

1

2

1

2

22

21

1

12

11

n

nn

n

n

n

n

v

v

v

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 
Fakt 3.4.4 (o postaci układu fundamentalnego układu (US) – metoda Eulera I) 
Jeżeli  macierz  A  układu  jednorodnego  równań  o  stałych  współczynnikach  (US)  ma  n  różnych  rzeczywistych  wartości 
własnych 

1

2

, ..., 

n

, to jego układ fundamentalny składa się z funkcji wektorowych: 

1

1

1

)

(

v

e

t

y

t

2

2

2

)

(

v

e

t

y

t

, ..., 

n

t

n

v

e

t

y

n

)

(

gdzie 

n

v

v

v

,...,

,

2

1

 są wektorami własnymi odpowiadającymi wartościom własnym 

1

2

, ..., 

n

 
Fakt 3.4.5 (o postaci układu fundamentalnego układu (US) – metoda Eulera II) 
Jeżeli macierz A układu jednorodnego równań o stałych współczynnikach (US) ma 2k=n parami różnych zespolonych wartości 

własnych 

1

1

1

i

1

1

1

i

2

2

2

i

2

2

2

i

, …, 

k

k

k

i

k

k

k

i

, gdzie 

j

0 dla 

 j 

 k, to jego układ fundamentalny składa się z funkcji wektorowych: 

1

1

1

Re

)

(

w

e

t

y

t

1

2

1

Im

)

(

w

e

t

y

t

2

3

2

Re

)

(

w

e

t

y

t

,  

2

4

2

Im

)

(

w

e

t

y

t

, ..., 

k

t

k

w

e

t

y

k

Re

)

(

1

2

k

t

k

w

e

t

y

k

Im

)

(

2

gdzie 

k

w

w

w

,...,

,

2

1

 oznaczają wektory własne odpowiadające wartościom własnym 

1

2

, ..., 

n

 
Fakt 3.4.6 (o postaci układu fundamentalnego układu (US) – metoda Eulera III) 
Jeżeli  macierz  A  układu  jednorodnego  równań  o  stałych  współczynnikach  (US)  ma  s  parami  różnych  zespolonych  wartości 
własnych 

1

2

,  ..., 

s

  oraz  2k  parami  różnych  zespolonych  wartości  własnych 

1

1

1

i

s

1

1

1

i

s

2

2

2

i

s

2

2

2

i

s

, …, 

k

k

k

s

i

k

k

k

s

i

, gdzie  + 2k  = n

 0 dla 1 

 j 

 k, to 

jego układ fundamentalny składa się z funkcji wektorowych: 

1

1

1

)

(

v

e

t

y

t

2

2

1

)

(

v

e

t

y

t

, …, 

s

t

s

v

e

t

y

1

)

(

1

1

1

Re

)

(

s

t

s

v

e

t

y

s

1

2

1

Im

)

(

s

t

s

v

e

t

y

s

,  

 

 

…, 

k

s

t

k

s

v

e

t

y

k

s

Re

)

(

1

2

k

s

t

k

s

v

e

t

y

k

s

Im

)

(

2

gdzie 

s

v

v

v

,...,

,

2

1

 oznaczają wektory własne odpowiadające rzeczywistym wartościom własnym 

1

2

, ..., 

s

, a 

k

s

s

s

v

v

v

,...,

,

2

1

 oznaczają wektory własne odpowiadające zespolonym wartościom własnym 

s+1

s+2

, ..., 

s+k

 
3.5 UKŁADY NIEJEDNORODNE RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH LINIOWYCH 
 
Def. 3.5.1 (układ niejednorodny równań różniczkowych liniowych) 
Układem niejednorodnym równań różniczkowych liniowych pierwszego rzędu nazywamy układ równań postaci 

background image

(UN)                                            



)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

'

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

t

h

y

t

a

y

t

a

y

t

a

y

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n

gdzie h

i

(t) 

 0 dla pewnego 1 

 i 

 n

 
Uwaga
. W notacji wektorowej układ niejednorodny (UN) przyjmuje postać 

)

(

)

(

'

t

h

y

t

A

y

 
Fakt 3.5.2 (o postaci rozwiązania ogólnego układu niejednorodnego) 
Niech 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

n

 będzie układem fundamentalnym układu jednorodnego (UJ) i niech 

)

(t

 będzie dowolnym 

rozwiązaniem układu niejednorodnego (UN). Wtedy rozwiązanie ogólne układu niejednorodnego dane jest wzorem 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

t

t

y

C

t

y

C

t

y

C

t

y

n

n

gdzie C

1

, C

2

, ..., C

n

 są dowolnymi stałymi rzeczywistymi. 

 
Uwaga
. Przypomnijmy, że z rozwiązania ogólnego przez odpowiedni dobór stałych C

1

, C

2

, ..., C

n

 można otrzymać rozwiązanie 

każdego  zagadnienia  początkowego.  Rozwiązanie  ogólne  układu  niejednorodnego  (UN)  będziemy  oznaczali  symbolem 

ROUNL

y

. Rozwiązanie to ma taką samą postać jak rozwiązanie ogólne równania liniowego niejednorodnego (LN) 

ROUJL

ROUNL

y

y

 
3.6 METODA UZMIENNIANIA STAŁYCH 
 
Def. 3.6.1 (metoda uzmienniania stałych) 
Niech dany będzie układ fundamentalny 

)

(

)

(

)

(

)

(

1

21

11

1

t

y

t

y

t

y

t

y

n

)

(

)

(

)

(

)

(

2

22

12

2

t

y

t

y

t

y

t

y

n

, ..., 

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

y

t

y

t

y

t

y

nn

n

n

n

układu jednorodnego (UJ). Wtedy funkcja wektorowa 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

t

y

t

c

t

y

t

c

t

y

t

c

t

y

n

n

gdzie c

1

(t), c

2

(t), ..., c

n

(t) są dowolnymi rozwiązaniami układu równań 

)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

'

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

2

1

2

22

21

1

12

11

t

h

t

h

t

h

t

c

t

c

t

c

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

t

y

n

n

nn

n

n

n

n

jest rozwiązaniem szczególnym układu niejednorodnego (UN). 
 

Uwaga.  Powyższy  układ  równań  względem  niewiadomych 

)

(

'

,

),

(

'

),

(

'

2

1

t

c

t

c

t

c

n

  ma  jednoznaczne  rozwiązanie,  gdyż 

jego wyznacznik jest wrońskianem układu fundamentalnego 

)

(

,

),

(

),

(

2

1

t

y

t

y

t

y

n

 układu (UJ), który jest różny od zera.