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第七講 一階常係數線性ODE

一,一階常係數線性ODE一般形式:{y}'+ky=ky_{e},k>0

        詳見第三講的溫度—濃度模型。就是把一階線性ODE標準形式{y}'+p(x)y=q(x)中的p(x)換成常係數k,q(x)換成ky_{e},其中y是t的函式,k>0。

二,輸入—響應:

  1.  y_{e}是輸入項,參照“溫度—濃度模型”中溫度和濃度是從外向裡輸入
  2. y是響應項

三,輸入疊加原理:

  1. 如果輸入y_{e1},產生響應y_{1};輸入y_{e2},產生響應y_{2}
  2. 那麼輸入y_{e1}+y_{e2},產生響應y_{1}+y_{2};輸入Cy_{e},產生響應Cy
  3. 必須是線性方程,含y^{2}的方程不符合這個原理

四,輸入為三角函式的情況:

  1. {y}'+ky=kcos\omega t\omega表示頻率,t表示時間,\omega t表示幅角
  2. 因為cos\omega te^{i\omega t}的實數部分,所以可以將e^{i\omega t}替換cos\omega t
  3. 原實數解y,變為複數解\widetilde{y}\widetilde{y}=y_{1}+iy_{2}
  4. 原方程變為{\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. 方程化為{(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,幅角性質:

  1. \alpha為複數
  2. \frac{1}{\alpha }\cdot \alpha=1\Rightarrow \left |\frac{1}{\alpha } \right |=\frac{1}{\left |\alpha \right |}
  3. 複數相乘等於幅角相加:ang(\frac{1}{\alpha })+ang(\alpha )=ang(1)=0
  4. ang(\frac{1}{\alpha })=-ang(\alpha ),說明:複數取導數,等於幅角取相反數

七,用極座標法,去掉\widetilde{y}=\frac{k}{k+i\omega }e^{i\omega t}中虛數部分:

  1. 將方程化為符合幅角性質:\widetilde{y}=\frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})}e^{i\omega t}
  2. 設幅角ang(1+i(\frac{\omega }{k}))=\phi,得ang(\frac{1}{1+i(\frac{\omega }{k})})=-\phi,作圖見視訊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. 去掉虛數部分:y_{1}=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}\cdot cos(\omega t-\phi )\phi=arctan(\frac{\omega }{k})
  7. \phi相對cos(\omega t-\phi )來說等於相位延遲(右移),作圖見視訊35:00~39:00
  8. 當傳導率k增大時,振幅\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{\omega }{k})^{2}}}增大,相位\phi減小;說明傳導地越快,振幅越接近1,延遲越小