Vzorec exponenciální odezvy - Exponential response formula - Wikipedia
Automatizovaný proces zjistil odkazy na této stránce na webu místní nebo globální černá listina. Pokud jsou odkazy vhodné, můžete požádat o přidání na seznam povolených podle těchto pokynů; jinak zvažte jejich odstranění nebo nahrazení vhodnějšími odkazy. (Chcete-li tuto značku skrýt, nastavte pole „neviditelný“ na „true“)
v matematika, vzorec exponenciální odezvy (ERF), také známý jako exponenciální odezva a komplexní náhrada, je metoda používaná k nalezení konkrétního řešení a nehomogenní lineární obyčejná diferenciální rovnice jakékoli objednávky.[1][2] Vzorec exponenciální odezvy je použitelný pro nehomogenní lineární obyčejné diferenciální rovnice s konstantními koeficienty, pokud je funkce polynomiální, sinusový, exponenciální nebo kombinace těchto tří.[2] Obecné řešení nehomogenního lineárního obyčejná diferenciální rovnice je superpozice obecného řešení přidruženého homogenního ODE a konkrétního řešení nehomogenního ODE.[1] Alternativní metody řešení obyčejných diferenciálních rovnic vyššího řádu jsou metoda neurčených koeficientů a způsob variace parametrů.
Metoda ERF pro nalezení konkrétního řešení nehomogenní diferenciální rovnice je použitelná, pokud nehomogenní rovnice je nebo by mohla být transformována do formy ; kde jsou nemovitý nebo komplexní čísla a je homogenní lineární diferenciální rovnice libovolného řádu. Potom lze vzorec exponenciální odezvy použít na každý člen pravé strany takové rovnice. Kvůli linearitě lze vzorec exponenciální odezvy použít, pokud má pravá strana termíny, které sečtou pomocí princip superpozice.
Komplexní výměna
Komplexní nahrazení je metoda převodu nehomogenního termínu rovnice na komplexní exponenciální funkci, díky níž je daná diferenciální rovnice komplexní exponenciální.
Zvažte diferenciální rovnici .
Chcete-li provést komplexní výměnu, Eulerův vzorec může být použito;
Proto se daná diferenciální rovnice změní na . Řešení složité diferenciální rovnice lze najít jako , ze kterého je skutečnou částí řešení původní rovnice.
Komplexní náhrada se používá k řešení diferenciálních rovnic, když je nehomogenní člen vyjádřen pomocí sinusové funkce nebo exponenciální funkce, kterou lze převést na komplexní diferenciální exponenciální funkci a integraci. S takovou složitou exponenciální funkcí se manipuluje snáze než s původní funkcí.
Když je nehomogenní člen vyjádřen jako exponenciální funkce, použije se metoda ERF nebo metoda neurčených koeficientů lze použít k vyhledání a konkrétní řešení. Pokud nehomogenní termíny nelze transformovat na komplexní exponenciální funkci, pak Lagrangeova metoda variace parametrů lze použít k nalezení řešení.
Matematicky to systém je časově neměnný pokud kdykoli vstup má odpověď pak pro jakoukoli konstantu "a" vstup má odpověď . Fyzická časová invariance znamená, že odezva systému nezávisí na tom, v jakém čase vstup začíná. Například pokud je systém pružiny a hmoty na rovnováha, bude reagovat na danou sílu stejným způsobem, bez ohledu na to, kdy byla síla použita.
Když je časově invariantní systém také lineární, nazývá se to lineární časově invariantní systém (systém LTI). Většina z těchto systémů LTI je odvozena z lineárních diferenciálních rovnic, kde se nehomogenní termín nazývá vstupní signál a řešení nehomogenních rovnic se nazývá signál odezvy. Pokud je vstupní signál dán exponenciálně, odpovídající signál odezvy se také exponenciálně změní.
Vzhledem k následujícímu lineární diferenciální rovnice tého řádu
a označovat
kde jsou konstantní koeficienty, produkuje diferenciální operátor , který je lineární a časově neměnný a známý jako Operátor LTI. Operátor, se získává z jeho charakteristický polynom;
Vzhledem k výše uvedené diferenciální rovnici LTI s exponenciálním vstupem , kde a jsou uvedena čísla. Pak je konkrétní řešení
poskytnout pouze to .
Důkaz: Kvůli linearita operátora , rovnici lze zapsat jako
Na druhou stranu od té doby
dosazením to do rovnice (3), produkuje
Proto, je konkrétní řešení nehomogenní diferenciální rovnice.
Výše uvedená rovnice pro konkrétní odezvu se nazývá vzorec exponenciální odezvy (ERF) pro daný exponenciální vstup.
Zejména v případě , řešení rovnice (2) je dáno vztahem
a nazývá se vzorec rezonanční odezvy.
Příklad
Najdeme konkrétní řešení lineárního nehomogenního ODE 2. řádu;
Charakteristický polynom je . Také nehomogenní výraz, lze psát následovně
Poté konkrétní řešení odpovídající a , jsou nalezeny, resp.
Za prvé, s ohledem na nehomogenní výraz, . V tomto případě od a .
z ERF, konkrétní řešení odpovídající Může být nalezeno.
.
Obdobně lze nalézt konkrétní řešení odpovídající .
Najdeme konkrétní řešení DE odpovídající 3. termínu;
Aby to bylo možné, musí být rovnice nahrazena rovnicí s komplexní hodnotou, jejíž je skutečnou součástí:
Použitím vzorce exponenciální odezvy (ERF) se vytvoří
a skutečná část je
Proto konkrétní řešení dané rovnice, je
Porovnání s metodou neurčitých koeficientů
The metoda neurčených koeficientů je metoda vhodného výběru typu řešení podle formy nehomogenního termínu a určení neurčené konstanty tak, aby vyhovovala nehomogenní rovnici.[4] Na druhou stranu metoda ERF získá speciální řešení založené na diferenciálním operátoru.[2] Podobnost obou metod spočívá v tom, že jsou získána speciální řešení nehomogenních lineárních diferenciálních rovnic s konstantními koeficienty, přičemž uvažovaná rovnice je u obou metod stejná.
Například nalezení konkrétního řešení s metodou neurčitých koeficientů vyžaduje řešení charakteristické rovnice . Nehomogenní výraz je poté zváženo a od té doby není charakteristický kořen, dává konkrétní řešení v podobě , kde je neurčená konstanta. Dosazením do rovnice určíme předběžné konstantní výtěžky
Na druhou stranu metoda vzorce s exponenciální odezvou vyžaduje charakteristický polynom k nalezení, po kterém nehomogenní termíny je komplex nahrazen. Konkrétní řešení je pak nalezeno pomocí vzorce
Zobecněný vzorec exponenciální odezvy
Příklady
Chcete-li najít konkrétní řešení následující ODE;
charakteristický polynom je .
Výpočtem získáme následující:
Původní vzorec exponenciální odezvy nelze v tomto případě použít kvůli dělení nulou. Proto pomocí obecného vzorce exponenciální odezvy a vypočítaných konstant je konkrétní řešení
Metoda vzorce exponenciální odezvy byla diskutována v případě . V případě , vzorec rezonanční odezvy je také zvažováno.
V případě , probereme, jak bude v této části popsána metoda ERF.
Nechat být polynomiálním operátorem s konstantními koeficienty a své -tý derivát. Pak ODE
, kde je skutečný nebo složitý.
má konkrétní řešení následovně.
. V tomto případě bude konkrétní řešení dáno .(vzorec reakce exponentu)
ale . V tomto případě bude konkrétní řešení dáno .(vzorec rezonanční odezvy)
ale . V tomto případě bude konkrétní řešení dáno
Volá se výše uvedená rovnice generalizovaný vzorec exponenciální odezvy.
Příklady použití
Pohyb předmětu visícího z pružiny
Objekt visící z pružiny s posunem . Působící silou je gravitace, síla pružiny, odpor vzduchu a jakékoli další vnější síly.
Nyní, za předpokladu táhnout je zanedbáván a , kde (frekvence vnější síly se shoduje s přirozenou frekvencí). Proto harmonický oscilátor se sinusovým vynucením je vyjádřen takto:
Pak je konkrétní řešení
Uplatnění komplexní náhrady a ERF: pokud je řešením komplexního DE
pak bude řešením dané DE.
Charakteristický polynom je , a , aby . Nicméně od té doby , pak . Rezonanční případ ERF tedy dává
Elektrické obvody
Vzhledem k elektrickému proudu protékajícímu elektrickým obvodem, který se skládá z odporu (), kondenzátor (), dráty cívky () a baterie (), zapojeny do série. [3][6]
Tento systém je popsán integrálně-diferenciální rovnicí nalezenou Kirchhoffem Kirchhoffův zákon o napětí, vztahující se k rezistoru kondenzátor , induktor , baterie a aktuální v obvodu následujícím způsobem,
Rozlišování obou stran výše uvedené rovnice vytváří následující ODR.
Nyní, za předpokladu , kde . ( je nazýván rezonance frekvence v Obvod LRC ). Za výše uvedeného předpokladu výstup (konkrétní řešení) odpovídající vstupu Může být nalezeno. K tomu lze daný vstup převést ve složité formě:
Charakteristický polynom je , kde . Z ERF lze tedy konkrétní řešení získat následujícím způsobem;
Komplexní zisk a fázové zpoždění
Vzhledem k obecnému systému LTI
kde je vstup a jsou dány polynomiální operátory, za předpokladu, že .V případě že , konkrétní řešení dané rovnice je
Vezmeme-li v úvahu následující koncepty používané hlavně ve fyzice a zpracování signálu.
Amplituda vstupu je . To má stejné jednotky jako vstupní množství.
Úhlová frekvence vstupu je . Má jednotky radiánů / čas. Často to bude označováno jako frekvence, i když technicky by frekvence měla mít jednotky cyklů / čas.
Amplituda odezvy je . To má stejné jednotky jako množství odpovědi.
Zisk je . Zisk je faktor, kterým se vynásobí vstupní amplituda, aby se získala amplituda odezvy. Má jednotky potřebné k převodu vstupních jednotek na výstupní jednotky.
Fázové zpoždění je . Fázové zpoždění má jednotky radiánů, tj. Je bezrozměrné.
Časové zpoždění je . To má jednotky času. Je to čas, kdy vrchol výstupu zaostává za časem vstupu.
Komplexní zisk je . Toto je faktor, kterým se vynásobí komplexní vstup, aby se získal komplexní výstup.
Reference
^ AbCMiller, Haynes; Mattuck, Arthur (červen 2004), Diferenciální rovnice, IMSCP-MD5-9ca77abee86dc4bbaef9e2d6b157eaa9, str. 50–56, hdl:1721.1/34888
^ AbCWirkus, Stephen A .; Swift, Randal J .; Szypowski, Ryan S. (2016), Kurz diferenciálních rovnic s problémy mezních hodnot, druhé vydání„Učebnice matematiky (2. vydání), Chapman and Hall / CRC, s. 230–238, ISBN978-1498736053