Формула экспоненциального отклика - Exponential response formula - Wikipedia

В математика, то формула экспоненциального отклика (ERF), также известный как экспоненциальный отклик и сложная замена, это метод, используемый для поиска конкретного решения неоднородное линейное обыкновенное дифференциальное уравнение любого порядка.^[1][2] Формула экспоненциального отклика применима к неоднородным линейным обыкновенным дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами, если функция многочлен, синусоидальный, экспоненциальный или сочетание трех.^[2] Общее решение неоднородной линейной обыкновенное дифференциальное уравнение является суперпозицией общего решения ассоциированного однородного ОДУ и частного решения неоднородного ОДУ.^[1] Альтернативные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений высшего порядка: метод неопределенных коэффициентов и метод вариация параметров.

Контекст и метод

Применимость

ERF-метод поиска частного решения неоднородного дифференциального уравнения применим, если неоднородное уравнение преобразовано или может быть преобразовано в форму ${\displaystyle f(t)=B_{1}e^{\gamma _{1}t}+B_{2}e^{\gamma _{2}t}+\cdots +B_{n}e^{\gamma _{n}t}}$; куда ${\displaystyle B,\gamma }$ находятся настоящий или же сложные числа и ${\displaystyle f(t)}$ является однородным линейным дифференциальным уравнением любого порядка. Затем формула экспоненциального отклика может быть применена к каждому члену правой части такого уравнения. Из-за линейности формула экспоненциального отклика может применяться до тех пор, пока в правой части есть члены, которые складываются вместе принцип суперпозиции.

Комплексная замена

Комплексная замена - это метод преобразования неоднородного члена уравнения в комплексную экспоненциальную функцию, которая делает данное дифференциальное уравнение комплексным экспоненциальным.

Рассмотрим дифференциальное уравнение ${\displaystyle y''+y=\cos(t)}$.

Чтобы произвести сложную замену, Формула Эйлера может быть использован;

${\displaystyle {\begin{aligned}\cos(t)&=\operatorname {Re} (e^{it})=\operatorname {Re} (\cos(t)+i\sin(t))\\\sin(t)&=\operatorname {Im} (e^{it})=\operatorname {Im} (\cos(t)+i\sin(t))\end{aligned}}}$

Следовательно, данное дифференциальное уравнение меняется на ${\displaystyle z''+z=e^{it}}$. Решение комплексного дифференциального уравнения находится как ${\displaystyle z(t)}$, действительная часть которого является решением исходного уравнения.

Сложная замена используется для решения дифференциальных уравнений, когда неоднородный член выражается в терминах синусоидальной функции или экспоненциальной функции, которая может быть преобразована в комплексное экспоненциальное дифференцирование и интегрирование функции. Такой сложной экспоненциальной функцией легче манипулировать, чем исходной функцией.

Когда неоднородный член выражается как экспоненциальная функция, метод ERF или метод неопределенных коэффициентов можно использовать, чтобы найти конкретное решение. Если неоднородные члены не могут быть преобразованы в комплексную экспоненциальную функцию, то метод Лагранжа вариация параметров можно использовать для поиска решений.

Линейный инвариантный во времени оператор

В дифференциальные уравнения важны при моделировании природных явлений. В частности, существует множество явлений, описываемых как линейные дифференциальные уравнения высокого порядка, например, вибрация пружины, Цепь LRC, отклонение луча, обработка сигналов, теория управления и Системы LTI с петлями обратной связи.^{[1] [3]}

Математически система неизменный во времени если всякий раз, когда ввод ${\displaystyle f(t)}$ есть ответ ${\displaystyle x(t)}$ тогда для любой константы "a" вход ${\displaystyle f(t-a)}$ есть ответ ${\displaystyle x(t-a)}$. Физически неизменность времени означает, что реакция системы не зависит от того, в какое время начинается ввод. Например, если пружинно-массовая система находится на равновесие, он будет одинаково реагировать на заданную силу, независимо от того, когда она была приложена.

Когда инвариантная во времени система также является линейной, она называется линейной инвариантной во времени системой (LTI-система). Большинство этих систем LTI получают из линейных дифференциальных уравнений, где неоднородный член называется входным сигналом, а решение неоднородных уравнений называется сигналом отклика. Если входной сигнал подается экспоненциально, соответствующий ответный сигнал также изменяется экспоненциально.

Учитывая следующее ${\displaystyle n}$линейное дифференциальное уравнение порядка

${\displaystyle a_{n}{\frac {d^{n}y}{dt^{n}}}+a_{n-1}{\frac {d^{n-1}y}{dt^{n-1}}}+\cdots +a_{1}{\frac {dy}{dt}}+a_{0}y=f(t)\qquad \qquad \quad (1)}$

и обозначая

${\displaystyle L=a_{n}D^{n}+a_{n-1}D^{n-1}+\cdots +a_{1}D^{1}+a_{0}I,}$

${\displaystyle D^{k}={\frac {d^{k}}{dt^{k}}}(k=1,2,\ldots ,n),}$

куда ${\displaystyle a_{0},\ldots ,a_{n}}$ постоянные коэффициенты, производит дифференциальный оператор ${\displaystyle L}$, который является линейным и инвариантным во времени и известен как Оператор LTI. Оператор, ${\displaystyle L}$ получается из характеристический многочлен;

${\displaystyle P(s)=a_{n}s^{n}+a_{n-1}s^{n-1}+\cdots +a_{0}}$

формально заменив здесь неопределенные s на оператор дифференцирования ${\displaystyle D}$

${\displaystyle L=P(D)}$

${\displaystyle P(D)=a_{n}D^{n}+a_{n-1}D^{n-1}+\cdots +a_{0}I}$

Следовательно, уравнение (1) можно записать в виде

${\displaystyle P(D)y=f(t)\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)}$

Постановка проблемы и метод ERF

Рассматривая приведенное выше дифференциальное уравнение LTI с экспоненциальным входом ${\displaystyle f(t)=Be^{\gamma t}}$, куда ${\displaystyle B}$ и ${\displaystyle \gamma }$ даны числа. Тогда частным решением будет

${\displaystyle y_{p}={\frac {Be^{\gamma t}}{P(\gamma )}}\qquad }$

предоставить только это ${\displaystyle P(\gamma )\neq 0}$.

Доказательство: Из-за линейность оператора ${\displaystyle P(D)}$, уравнение можно записать как

${\displaystyle P(D)(y_{p})=P(D)\left({\frac {Be^{\gamma t}}{P(\gamma )}}\right)={\frac {B}{P(\gamma )}}P(D)(e^{\gamma t})\qquad \qquad (3)}$

С другой стороны, поскольку

${\displaystyle P(D)\left(e^{\gamma t}\right)=P(\gamma )e^{\gamma t},}$

подставив это в уравнение (3), получаем

${\displaystyle P(D)(y_{p})=P(D)\left({\frac {Be^{\gamma t}}{P(\gamma )}}\right)={\frac {B}{P(\gamma )}}P(D)\left(e^{\gamma t}\right)={\frac {B}{P(\gamma )}}P(\gamma )e^{\gamma t}=Be^{\gamma t}.}$

Следовательно, ${\displaystyle y_{p}}$ является частным решением неоднородного дифференциального уравнения.

Таким образом, приведенное выше уравнение для конкретного ответа ${\displaystyle y_{p}}$ называется формулой экспоненциальной реакции (ERF) для данного экспоненциального входа.

В частности, в случае ${\displaystyle P(\gamma )=0}$, решение уравнения (2) имеет вид

${\displaystyle y_{p}={\frac {Bte^{\gamma t}}{P'(\gamma )}},\qquad P'(\gamma )\neq 0}$

и называется формула резонансного отклика.

Пример

Найдем частное решение линейного неоднородного ОДУ 2-го порядка;

${\displaystyle 2x''+x'+x=1+2e^{t}+e^{-t}\cos(t).}$

Характеристический полином равен ${\displaystyle P(s)=2s^{2}+s+1}$. Кроме того, неоднородный член, ${\displaystyle f(t)=1+2e^{t}+e^{-t}\cos(t)}$ можно записать следующим образом

${\displaystyle f(t)=f_{1}(t)+f_{2}(t)+f_{3}(t),f_{1}(t)=1,f_{2}(t)=2e^{t},f_{3}(t)=e^{-t}\cos(t).}$

Тогда частные решения, соответствующие ${\displaystyle f_{1}(t),f_{2}(t)}$ и ${\displaystyle f_{3}(t)}$, находятся соответственно.

Во-первых, учитывая неоднородный член, ${\displaystyle f_{1}(t)=1}$. В этом случае, поскольку ${\displaystyle f_{1}(t)=1=e^{0\cdot t},\gamma =0}$ и ${\displaystyle P(\gamma )=P(0)=1\neq 0}$.

из ERF, частное решение, соответствующее ${\displaystyle f_{1}(t)}$ можно найти.

${\displaystyle x_{1p}={\frac {f_{1}(t)}{P(0)}}={\frac {1}{1}}=1}$.

Точно так же можно найти частное решение, соответствующее ${\displaystyle f_{2}(t)}$.

${\displaystyle x_{2p}={\frac {f_{2}(t)}{P(1)}}={\frac {2e^{t}}{4}}={\frac {e^{t}}{2}}.}$

Найдем частное решение DE, соответствующее 3-му члену;

${\displaystyle 2x''+x'+x=e^{-t}\cos(t).}$

Для этого уравнение необходимо заменить комплексным уравнением, действительной частью которого является:

${\displaystyle 2z''+z'+z=e^{(-1+i)t}.}$

Применение формулы экспоненциального отклика (ERF) дает

${\displaystyle {\begin{aligned}z_{p}&={\frac {e^{(-1+i)t}}{P(-1+i)}}\\&={\frac {ie^{(-1+i)t}}{3}}&&P(-1+i)=2(-1+i)^{2}+(-1+i)+1=-3i\end{aligned}}}$

и настоящая часть

${\displaystyle x_{3p}=-{\frac {1}{3}}e^{-t}\sin(t).}$

Следовательно, частное решение данного уравнения, ${\displaystyle x_{p}}$ является

${\displaystyle x_{p}=x_{1p}+x_{2p}+x_{3p}=1+{\frac {e^{t}}{2}}-{\frac {1}{3}}e^{-t}\sin(t).}$

Сравнение с методом неопределенных коэффициентов

В метод неопределенных коэффициентов - это метод подходящего выбора типа решения в соответствии с формой неоднородного члена и определения неопределенной константы, чтобы оно удовлетворяло неоднородному уравнению.^[4] С другой стороны, метод ERF дает специальное решение на основе дифференциального оператора.^[2] Сходство обоих методов состоит в том, что получаются специальные решения неоднородных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, а форма рассматриваемого уравнения одинакова в обоих методах.

Например, поиск конкретного решения ${\displaystyle y''+y=e^{t}}$ методом неопределенных коэффициентов требует решения характеристического уравнения ${\displaystyle \lambda ^{2}+1=0,\lambda =\pm i}$. Неоднородный член ${\displaystyle f(t)=Be^{\gamma t},B=1,\gamma =1}$ тогда считается, и поскольку ${\displaystyle \gamma =1}$ это не характерный корень, он представляет конкретное решение в виде ${\displaystyle y_{p}(t)=Ae^{\gamma t}}$, куда ${\displaystyle A}$ неопределенная константа. Подставив в уравнение для определения ориентировочной постоянной доходности

${\displaystyle \lambda ^{2}Ae^{\lambda t}+Ae^{\lambda t}=e^{\lambda t}}$

следовательно

${\displaystyle A={\frac {1}{\lambda ^{2}+1}}.}$

Конкретное решение можно найти в форме:^[5]

${\displaystyle y_{p}(t)=Ae^{\lambda t}={\frac {e^{\lambda t}}{\lambda ^{2}+1}}.}$

С другой стороны, метод формулы экспоненциального отклика требует характеристического полинома ${\displaystyle P(s)=s^{2}+1}$ быть найденным, после чего неоднородные члены ${\displaystyle f(t)=Be^{\gamma t},B=1,\gamma =1}$ сложно заменяется. Затем конкретное решение находится по формуле

${\displaystyle y_{p}(t)={\frac {e^{\lambda t}}{P(\lambda )}}={\frac {e^{\lambda t}}{\lambda ^{2}+1}}.}$

Обобщенная формула экспоненциального отклика

Примеры

Чтобы найти частное решение следующего ОДУ; ${\displaystyle y'''-3y'+2y=6e^{t}.}$ характеристический многочлен ${\displaystyle P(s)=s^{3}-3s+2}$. Путем расчета получаем следующее: ${\displaystyle P(1)=0,P'(1)=0,P''(1)=6\neq 0.}$ Исходная формула экспоненциального отклика неприменима в этом случае из-за деления на ноль. Следовательно, используя формулу обобщенного экспоненциального отклика и вычисленные константы, частным решением будет ${\displaystyle y_{p}(t)={\frac {6t^{2}e^{t}}{P''(1)}}={\frac {6t^{2}e^{t}}{6}}=t^{2}e^{t}.}$

Метод формулы экспоненциального отклика обсуждался в случае ${\displaystyle P(\gamma )\neq 0}$. В случае ${\displaystyle P(\gamma )=0,P'(\gamma )\neq 0}$, то формула резонансного отклика тоже считается.

В случае ${\displaystyle P(\gamma )=P'(\gamma )=\cdots =P^{(k-1)}(\gamma )=0,P^{k}(\gamma )\neq 0}$, мы обсудим, как будет описан метод ERF в этом разделе.

Позволять ${\displaystyle P(D)}$ - полиномиальный оператор с постоянными коэффициентами, а ${\displaystyle P^{(m)}}$ это ${\displaystyle m}$-я производная. Тогда ODE

${\displaystyle P(D)y=Be^{\gamma t}}$, куда ${\displaystyle \gamma }$ реальный или сложный.

имеет следующее частное решение.

• ${\displaystyle P(\gamma )\neq 0}$. В этом случае конкретное решение будет давать ${\displaystyle y_{p}(t)={\tfrac {Be^{\gamma t}}{P(\gamma )}}}$.(формула ответа экспоненты)

• ${\displaystyle P(\gamma )=0}$ но ${\displaystyle P'(\gamma )\neq 0}$. В этом случае конкретное решение будет давать ${\displaystyle y_{p}(t)={\tfrac {Bte^{\gamma t}}{P'(\gamma )}}}$.(формула резонансного отклика)

• ${\displaystyle P(\gamma )=P'(\gamma )=\cdots =P^{(k-1)}(\gamma )=0}$ но ${\displaystyle P^{k}(\gamma )\neq 0}$. В этом случае конкретное решение будет дано

${\displaystyle y_{p}(t)={\frac {Bt^{k}e^{\gamma t}}{P^{(k)}(\gamma )}},k=2,\ldots ,m}$

Выше уравнение называется формула обобщенной экспоненциальной реакции.

Примеры применения

Движение объекта, свисающего с пружины

Объект, свисающий с пружины со смещением ${\displaystyle d}$. Действующая сила - это сила тяжести, сила пружины, сопротивление воздуха и любые другие внешние силы.

Из Закон Гука, уравнение движения объекта выражается следующим образом;^[6][4]

${\displaystyle m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+r{\frac {dx}{dt}}+kx=F(t),}$

куда ${\displaystyle F(t)}$ внешняя сила.

Теперь, предполагая тащить пренебрегается и ${\displaystyle F(t)=F_{0}\cos(\omega t)}$, куда ${\displaystyle \omega ={\sqrt {\tfrac {k}{m}}}}$ (частота внешней силы совпадает с собственной частотой). Следовательно гармонический осциллятор с синусоидальным форсированием срок выражается следующим образом:

${\displaystyle m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+kx=F(t).}$

Тогда частным решением будет

${\displaystyle x_{p}={\frac {F_{0}}{2{\sqrt {km}}}}t\sin(\omega t).}$

Применение комплексной замены и ERF: если ${\displaystyle z_{p}}$ является решением комплекса DE

${\displaystyle m{\frac {d^{2}z}{dt^{2}}}+kz=F_{0}e^{i\omega t},}$

тогда ${\displaystyle x_{p}=\operatorname {Re} (z_{p})}$ будет решением данной DE.

Характеристический полином равен ${\displaystyle P(s)=ms^{2}+k}$, и ${\displaystyle \gamma =i\omega }$, так что ${\displaystyle P(\gamma )=0}$. Однако поскольку ${\displaystyle P'(s)=2ms}$, тогда ${\displaystyle P'(\gamma )=P'(i\omega )=2m\omega i\neq 0}$. Таким образом, резонансный случай ERF дает

${\displaystyle {\begin{aligned}y_{p}&=\operatorname {Re} \left({\frac {F_{0}te^{i\omega t}}{P'(\gamma )}}\right)\\[4pt]&=\operatorname {Re} \left({\frac {F_{0}t(\cos(\omega t)+i\sin(\omega t))}{2mi\omega }}\right)\\[4pt]&=\operatorname {Re} \left({\frac {-F_{0}t(i\cos(\omega t)-\sin(\omega t))}{2m\omega }}\right)\\[4pt]&={\frac {F_{0}t\sin(\omega t)}{2m\omega }}\\[4pt]&={\frac {F_{0}}{2{\sqrt {km}}}}t\sin(\omega t).\end{aligned}}}$

Электрические схемы

Рассматривая электрический ток, протекающий через электрическую цепь, состоящую из сопротивления (${\displaystyle R}$), конденсатор (${\displaystyle C}$), провода катушки (${\displaystyle L}$) и аккумулятор (${\displaystyle E}$), соединенные последовательно. ^[3][6]

Эта система описывается найденным Кирхгофом интегрально-дифференциальным уравнением, которое называется Закон напряжения Кирхгофа, связывая резистор ${\displaystyle R}$, конденсатор ${\displaystyle C}$, индуктор ${\displaystyle L}$, аккумулятор ${\displaystyle E}$, а текущий ${\displaystyle I}$ в схеме следующим образом,

${\displaystyle LI'(t)+RI(t)+{\frac {1}{C}}\int _{t_{0}}^{t}I(s)\,ds=\int _{t_{0}}^{t}E(s)\,ds}$

Дифференцируя обе части вышеприведенного уравнения, получаем следующее ОДУ.

${\displaystyle LI''(t)+RI'(t)+{\frac {1}{C}}I(t)=E(t)}$

Теперь, предполагая ${\displaystyle E(t)=E_{0}\sin(\omega _{0}t)}$, куда ${\displaystyle \omega _{0}={\sqrt {\tfrac {1}{LC}}}}$. (${\displaystyle \omega _{0}}$ называется резонанс частота в Цепь LRC ). Согласно сделанному выше предположению, выход (частное решение), соответствующий входу ${\displaystyle E(t)}$ можно найти. Для этого данные входные данные можно преобразовать в сложную форму:

${\displaystyle E(t)=E_{0}\sin(\omega _{0}t)=\operatorname {Im} (E_{0}e^{i\omega _{0}t})}$

Характеристический полином равен ${\displaystyle P(s)=Ls^{2}+Rs+{\frac {1}{s}}}$, куда ${\displaystyle P(i\omega _{0})=i\omega _{0}R\neq 0}$. Следовательно, из ERF можно получить конкретное решение следующим образом;

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{p}&=\operatorname {Im} \left({\frac {E_{0}e^{i\omega _{0}t}}{P(i\omega _{0})}}\right)\\&=\operatorname {Im} \left({\frac {E_{0}e^{i\omega _{0}t}}{i\omega _{0}R}}\right)\\&=\operatorname {Im} \left({\frac {-E_{0}(i\cos(\omega _{0}t)-\sin(\omega _{0}t))}{\omega _{0}R}}\right)\\[4pt]&={\frac {-E_{0}\cos(\omega _{0}t)}{\omega _{0}R}}\end{aligned}}}$

Комплексное усиление и фазовая задержка

Рассмотрение общей системы LTI

${\displaystyle P(D)x=Q(D)f(t)}$

куда ${\displaystyle f(t)}$ это вход и ${\displaystyle P(D),Q(D)}$ заданы полиномиальные операторы, предполагая, что ${\displaystyle P(s)\neq 0}$.В случае, если ${\displaystyle f(r)=F_{0}\cos(\omega t)}$, частным решением данного уравнения является

${\displaystyle x_{p}(t)=\operatorname {Re} \left(F_{0}{\frac {Q(i\omega )}{P(i\omega )}}e^{i\omega t}\right).}$

Принимая во внимание следующие концепции, используемые в основном в физике и обработке сигналов.

• Амплитуда входного сигнала ${\displaystyle F_{0}}$. Он имеет те же единицы измерения, что и входное количество.
• Угловая частота входа ${\displaystyle \omega }$. Единицы измерения - радианы / время. Часто ее называют частотой, хотя технически частота должна иметь единицы цикла / времени.
• Амплитуда отклика ${\displaystyle A=F_{0}|Q(i\omega )/P(i\omega )|}$. Он имеет те же единицы измерения, что и количество ответов.
• Прирост ${\displaystyle g(\omega )=|Q(i\omega )/P(i\omega )|}$. Коэффициент усиления - это коэффициент, на который умножается входная амплитуда, чтобы получить амплитуду отклика. В нем есть единицы, необходимые для преобразования входных единиц в выходные.
• Фазовое отставание составляет ${\displaystyle \phi =-\operatorname {Arg} (Q(i\omega )/P(i\omega ))}$. Фазовое отставание измеряется в радианах, то есть безразмерно.
• Отставание во времени ${\displaystyle \phi /\omega }$. Это единицы времени. Это время, когда пик выходного сигнала отстает от входного.
• Комплексное усиление ${\displaystyle Q(i\omega )/P(i\omega )}$. Это коэффициент, на который умножается комплексный ввод, чтобы получить комплексный вывод.

Рекомендации

1. Миллер, Хейнс; Мэттак, Артур (июнь 2004 г.), Дифференциальные уравнения, IMSCP-MD5-9ca77abee86dc4bbaef9e2d6b157eaa9, стр. 50–56, HDL:1721.1/34888
2. Wirkus, Stephen A .; Свифт, Рэндал Дж .; Шиповски, Райан С. (2016), Курс дифференциальных уравнений с краевыми задачами, второе издание, Учебники по математике (2-е изд.), Chapman and Hall / CRC, стр. 230–238, ISBN  978-1498736053
3. Чарльз Л., Филлипс (2007), Сигналы, системы и преобразования (PDF), стр. 112–122, ISBN  978-0-13-198923-8
4. Коддингтон, Эрл А .; Карлсон, Роберт (1997), Линейные обыкновенные дифференциальные уравнения. (PDF), стр. 3–80, ISBN  0-89871-388-9
5. Ральф П. Гримальди (2000). «Неоднородные рекуррентные отношения». Раздел 3.3.3 Справочник по дискретной и комбинаторной математике. Кеннет Х. Розен, изд. CRC Press. ISBN  0-8493-0149-1.
6. Эдвардс, К. Генри; Пенни, Дэвид Э. (2008), ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ. (PDF), стр. 100–193, ISBN  978-0-13-239730-8

внешняя ссылка

• Операторы и формула экспоненциального отклика
• Обобщенная формула экспоненциального отклика
• Основы LTI-операторов и ERF^{[постоянная мертвая ссылка ]}