微分方程和线性代数GÿdF4y2Ba

大学教授的麻省理工学院,GÿdF4y2Ba吉尔伯特·斯特朗,GÿdF4y2Ba介绍微分方程和线性代数这是在科学和工程两个重要科目。此视频系列单独和共同与补充剂发展的主题GÿdF4y2Ba吉尔·斯特朗的教科书GÿdF4y2Ba在这个问题上。GÿdF4y2Ba

介绍GÿdF4y2Ba

1.1:微分方程的概述GÿdF4y2Ba线性方程组包括GÿdF4y2BaDY / DTGÿdF4y2Ba=GÿdF4y2BaY,DY / dt的GÿdF4y2Ba= -GÿdF4y2BaY,DY / dt的GÿdF4y2Ba=GÿdF4y2Ba2TYGÿdF4y2Ba。方程GÿdF4y2BaDY / DTGÿdF4y2Ba=GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba*GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba是非线性的。GÿdF4y2Ba

1.2:微积分,您需要GÿdF4y2Ba的求和规则,产品规则,和链式法则产生从的衍生物新衍生物GÿdF4y2BaXGÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba,罪(GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba)和GÿdF4y2BaËGÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba。微积分基本定理说,整体反转衍生物。GÿdF4y2Ba

一阶微分方程GÿdF4y2Ba

1.4B:响应指数输入,实验值(S * t)的GÿdF4y2Ba随着指数的输入,GÿdF4y2BaËGÿdF4y2BaSTGÿdF4y2Ba,从外部和指数级增长,GÿdF4y2BaËGÿdF4y2Ba在GÿdF4y2Ba,从内侧,将该溶液,Y(t)的,是两个指数的组合。GÿdF4y2Ba

1.4C:响应振荡输入,COS(W * t)的GÿdF4y2Ba振荡输入COS(ωGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba)产生具有相同频率ω(以及相移的振荡输出)。GÿdF4y2Ba

1.4D:解决方案对于任何输入,Q(t)的GÿdF4y2Ba求解线性第一阶等式,乘以每个输入GÿdF4y2BaQ(S)GÿdF4y2Ba通过它的生长因子和整合那些输出GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

1.4E:阶跃函数和Delta功能GÿdF4y2Ba甲单位阶跃函数跳转从0到1其斜率是一个δ函数:处处为零除​​了在跳的无穷。GÿdF4y2Ba

1.5:响应复指数,EXP(I * W * T)= COS(W * T)+ I * SIN(W * t)的GÿdF4y2Ba线性方程组,该溶液GÿdF4y2BaF =GÿdF4y2BaCOS(ωGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba)是溶液的实部GÿdF4y2BaF =ÈGÿdF4y2BaiωtGÿdF4y2Ba。这种复杂的解决方案具有幅度GÿdF4y2BaGGÿdF4y2Ba(增益)。GÿdF4y2Ba

1.6:对于恒定速率积分因子,一GÿdF4y2Ba积分系数GÿdF4y2BaËGÿdF4y2Ba-在GÿdF4y2Ba相乘的微分方程,Y” = AY + Q,得到衍生物的GÿdF4y2BaËGÿdF4y2Ba-在GÿdF4y2BaY:准备进行整合。GÿdF4y2Ba

16亿:积分因子用于以变化的速率,一个(t)的GÿdF4y2Ba变化的利率的积分提供了越来越多的解决方案指数(银行存款余额)。GÿdF4y2Ba

1.7:逻辑方程GÿdF4y2Ba什么时候GÿdF4y2Ba-通过GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba减慢的生长,并且使方程的非线性,将溶液接近稳定状态GÿdF4y2BaY(GÿdF4y2Ba∞GÿdF4y2Ba)= A / B。GÿdF4y2Ba

1.7℃:稳定性和稳定的国家的不稳定GÿdF4y2Ba稳态解决方案可以稳定或不稳金宝搏官方网站定的 - 一个简单的测试决定。GÿdF4y2Ba

1.8:可分离方程式GÿdF4y2Ba可分离方程可以通过两个单独的集成,一个所要解决GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba和其他在GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba。最简单的是GÿdF4y2BaDY / DT = YGÿdF4y2Ba, 什么时候GÿdF4y2BaDY / YGÿdF4y2Ba等于GÿdF4y2BaDTGÿdF4y2Ba。然后LN(GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba)=GÿdF4y2BaT + CGÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

二阶微分方程GÿdF4y2Ba

2.1:二阶微分方程GÿdF4y2Ba对于没有阻尼和无强迫振动方程,所有解决方案共享相同的固有频率。金宝搏官方网站GÿdF4y2Ba

2.1B:强迫简谐运动GÿdF4y2Ba对于强制GÿdF4y2BaFGÿdF4y2Ba= COS(ωGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba),特定的解决方案是GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba* cos(ωGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba)。但是,如果强制频率等于固有频率有共鸣。GÿdF4y2Ba

2.3:非受迫性阻尼运动GÿdF4y2Ba随着微分方程常系数,基本的解决方案是指数金宝搏官方网站GÿdF4y2BaËGÿdF4y2BaSTGÿdF4y2Ba。该指数GÿdF4y2Ba小号GÿdF4y2Ba解决了一个简单的公式如GÿdF4y2Ba如GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba+烧烤+ C = 0GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

2.3C:脉冲响应和阶跃响应GÿdF4y2Ba脉冲响应GÿdF4y2BaGGÿdF4y2Ba是当力是脉冲(δ函数)该溶液中。这也解决了一个空方程(没有力)以非零初始条件。GÿdF4y2Ba

2.4:指数响应 - 可能产生的共振GÿdF4y2Ba从内侧和外侧等于指数 - 共振时的固有振动频率的强制频率相匹配发生。GÿdF4y2Ba

2.4B:二阶微分方程的阻尼GÿdF4y2Ba阻尼被迫方程具有特定的溶液GÿdF4y2Baÿ= GGÿdF4y2BaCOS(ωGÿdF4y2Ba笔 -GÿdF4y2Baα)。阻尼比提供了洞察空的解决方案。金宝搏官方网站GÿdF4y2Ba

2.5:电网:电压和电流GÿdF4y2Ba电流围绕RLC环解决了与系数的线性方程GÿdF4y2Ba大号GÿdF4y2Ba(电感),GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2Ba(电阻),和GÿdF4y2Ba1 / CGÿdF4y2Ba(GÿdF4y2BaCGÿdF4y2Ba=电容)。GÿdF4y2Ba

2.6:待定系数法GÿdF4y2Ba常系数和特殊的强迫项(权力GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba,余弦/正弦,指数),特定的方案具有此相同的形式。GÿdF4y2Ba

26亿:待定系数方法的一个例子GÿdF4y2Ba这种方法也成功地为部队和诸如解决方案金宝搏官方网站GÿdF4y2Ba(在GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba+ BT + c)电子GÿdF4y2BaSTGÿdF4y2Ba:代入方程找到GÿdF4y2BaA,B,CGÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

2.6C:参数的变化GÿdF4y2Ba联合空的解决方案金宝搏官方网站GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba1GÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba与系数GÿdF4y2BaCGÿdF4y2Ba1GÿdF4y2Ba(t)的GÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaCGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba(t)的GÿdF4y2Ba找到任何一个特定的解决方案GÿdF4y2BaF(T)。GÿdF4y2Ba

2.7:拉普拉斯变换:一阶方程GÿdF4y2Ba变换的每个术语的线性微分方程在创建一个代数问题。然后,您可以转换代数解回ODE解决方案,GÿdF4y2BaY(t)的GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

2.7B:拉普拉斯变换:二阶方程GÿdF4y2Ba的二阶导数变换以GÿdF4y2Ba小号GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba与代数问题涉及的传递函数GÿdF4y2Ba1 /(作为GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba+烧烤+ C)。GÿdF4y2Ba

2.7C:拉普拉斯变换和卷积GÿdF4y2Ba当力是一种冲动δGÿdF4y2Ba(t)的GÿdF4y2Ba,脉冲响应是GÿdF4y2Ba克(t)的GÿdF4y2Ba。当力GÿdF4y2BaF(T)GÿdF4y2Ba的响应是的“卷积”GÿdF4y2BaFGÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaG。GÿdF4y2Ba

图形与计算方法GÿdF4y2Ba

3.1:解的照片金宝搏官方网站GÿdF4y2Ba为方向场GÿdF4y2BaDY / DT = F(T,Y)GÿdF4y2Ba具有斜率的箭头GÿdF4y2BaFGÿdF4y2Ba在每个点GÿdF4y2BaT,YGÿdF4y2Ba。箭头具有相同的斜率谎言沿平衡线。GÿdF4y2Ba

3.2:相平面图片:源库鞍GÿdF4y2Ba金宝搏官方网站解二阶微分方程可以接近无穷大或为零。鞍点包含了积极的,也是一个负指数或特征值。GÿdF4y2Ba

32亿:相平面图片:螺旋和中心GÿdF4y2Ba用纯振荡假想指数提供在相位平面中的“中心”。点GÿdF4y2Ba(Y,DY / dt)的GÿdF4y2Ba旅行永远围绕一个椭圆。GÿdF4y2Ba

3.2C:两个一阶微分方程:稳定性GÿdF4y2Ba第二阶方程给出了两个一阶方程GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaDY / DTGÿdF4y2Ba。矩阵成为伴侣矩阵。GÿdF4y2Ba

3.3:线性化在关键点GÿdF4y2Ba一个关键点是恒定的溶液GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba到差分方程GÿdF4y2BaY” = F(y)的GÿdF4y2Ba。这附近GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba,的符号GÿdF4y2BaDF / DYGÿdF4y2Ba决定稳定或不稳定。GÿdF4y2Ba

3.3B:Y的线性化 '= F(Y,Z)和z'= G(Y,Z)GÿdF4y2Ba随着两个方程,一个关键点有GÿdF4y2BaF(Y,Z)GÿdF4y2Ba= 0和GÿdF4y2Ba克(Y,Z)GÿdF4y2Ba= 0附近的那些常数解决方案中,两个线性化的方程使金宝搏官方网站用偏导数的2×2矩阵GÿdF4y2BaFGÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaGGÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

3.3C:本征值和稳定性:2乘2矩阵,AGÿdF4y2Ba两个方程GÿdF4y2BaY” = Ay的GÿdF4y2Ba是稳定的(解决方案接近零金宝搏官方网站)时的痕迹GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba是负的,决定因素是积极的。GÿdF4y2Ba

3.3D:翻滚Box在3-dGÿdF4y2Ba在空中盒可绕其最短和最长的轴。围绕中轴线它疯狂翻滚。GÿdF4y2Ba

向量空间和子空间GÿdF4y2Ba

5.1:一个矩阵的列空间,AGÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba米GÿdF4y2Ba通过GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba矩阵GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba拥有GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba在每列GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2Ba米GÿdF4y2Ba。捕获所有组合AV这些列给列空间 - 的子空间GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2Ba米GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

5.4:独立,基础和DimensionGÿdF4y2Ba矢量v 1到v d是一个子空间的基础,如果它们的组合跨越整个子空间和是独立的:没有基矢量是其他的组合。尺寸d =基本向量的数量。GÿdF4y2Ba

5.5:线性代数的大图GÿdF4y2Ba矩阵产生4子空间 - 列空间,行空间(相同尺寸),矢量的垂直于所有行(零空间)的空间,和载体的垂直于所有列的空间。GÿdF4y2Ba

5.6:图形GÿdF4y2Ba有图有GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba节点由连接GÿdF4y2Ba米GÿdF4y2Ba边缘(其它边缘可丢失)。这是互联网,大脑,管道系统,以及更多的有用模型。GÿdF4y2Ba

5.6b:图的关联矩阵GÿdF4y2Ba关联矩阵GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba具有用于每边一排,包含-1和+1,以显示两个节点(两列GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba),其是由边缘相连。GÿdF4y2Ba

特征向量GÿdF4y2Ba

6.1:特征向量GÿdF4y2Ba特征向量GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba当由矩阵乘以留在相同的方向(GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba=GÿdF4y2BaλGÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba)。一个GÿdF4y2BañGÿdF4y2BaXGÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba矩阵有GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba特征值。GÿdF4y2Ba

6.2:对角化矩阵GÿdF4y2Ba如果它有一个矩阵对角化GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba独立的特征向量。对角矩阵λ为特征值矩阵。GÿdF4y2Ba

6.2B:权力,A ^ n,以及矩阵的马氏GÿdF4y2Ba对角化GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba=GÿdF4y2BaVGÿdF4y2BaΛGÿdF4y2BaVGÿdF4y2Ba-1GÿdF4y2Ba也角化GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba=GÿdF4y2BaVGÿdF4y2BaΛGÿdF4y2BañGÿdF4y2BaVGÿdF4y2Ba-1GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

6.3:求解线性系统GÿdF4y2BadGÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba/ DT = AGÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba包含解决方案金宝搏官方网站GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba= EGÿdF4y2BaλTGÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba哪里GÿdF4y2BaλGÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba是本征值/本征矢量为一对GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

6.4:矩阵指数,实验值(A * t)的GÿdF4y2Ba该溶液的最短形式使用矩阵指数GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba= EGÿdF4y2Ba在GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba(0)GÿdF4y2Ba。矩阵GÿdF4y2BaËGÿdF4y2Ba在GÿdF4y2Ba具有本征值GÿdF4y2BaËGÿdF4y2BaλTGÿdF4y2Ba和特征向量GÿdF4y2Ba一个。GÿdF4y2Ba

6.4b:类似的矩阵,A和B = M ^( - 1)* A * MGÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba和GÿdF4y2Ba乙GÿdF4y2Ba是“相似”,如果GÿdF4y2Ba乙GÿdF4y2Ba=GÿdF4y2Ba中号GÿdF4y2Ba-1GÿdF4y2Ba上午GÿdF4y2Ba对于一些矩阵GÿdF4y2Ba中号GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba乙GÿdF4y2Ba再有相同的特征值作为GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

6.5:对称矩阵,实特征值,特征向量的正交GÿdF4y2Ba对称矩阵有GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba垂直特征向量和GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba实特征值。GÿdF4y2Ba

6.5b:二阶系统,Y '' + SY = 0GÿdF4y2Ba振荡式GÿdF4y2BadGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaY / DTGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba+ SY =GÿdF4y2Ba0有GÿdF4y2Ba2NGÿdF4y2Ba金宝搏官方网站解决方案(正弦和余弦)。金宝搏官方网站解决方案使用的特征向量GÿdF4y2BaS.GÿdF4y2Ba

应用数学和ATAGÿdF4y2Ba

7.2:正定矩阵,S = A'* AGÿdF4y2Ba正定矩阵S具有正的特征值,正转点,正决定因素,以及正能量vGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2BaSV为每个矢量v。S =甲GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2BaA总是正定的,当一个有独立列。GÿdF4y2Ba

7.2b:奇异值分解,SVDGÿdF4y2Ba该SVD因子每个矩阵GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2Ba成正交矩阵GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba倍的对角矩阵Σ(奇异值)倍的另一个正交矩阵VGÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba:旋转时间拉长倍旋转。GÿdF4y2Ba

7.3:边界条件替换初始条件GÿdF4y2Ba二阶方程可以改变它的初始条件对GÿdF4y2BaY(0)GÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaDY / DT(0)GÿdF4y2Ba对边界条件GÿdF4y2BaY(0)GÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BaY(1)GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

7.4:拉普拉斯方程GÿdF4y2Ba偏微分方程∂GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaU /GÿdF4y2Ba∂GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba+GÿdF4y2Ba∂GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaU /GÿdF4y2Ba∂GÿdF4y2BaÿGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba= 0GÿdF4y2Ba描述了一种圆形或方形或任何平面区域内部的温度分布。GÿdF4y2Ba

傅立叶和拉普拉斯变换GÿdF4y2Ba

8.1:傅立叶级数GÿdF4y2Ba傅立叶级数分开的周期函数GÿdF4y2BaF(X)GÿdF4y2Ba成所有基函数COS的组合(无限)(GÿdF4y2BaNX)GÿdF4y2Ba和sin(GÿdF4y2BaNX)GÿdF4y2Ba。GÿdF4y2Ba

8.1b:傅立叶级数的例子GÿdF4y2Ba即使功能只使用余弦(GÿdF4y2BaF(-x)= F(x)的GÿdF4y2Ba)和奇函数只使用正弦。系数GÿdF4y2Ba一个GÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba和GÿdF4y2BabGÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba来自的积分GÿdF4y2BaF(X)GÿdF4y2BaCOS(GÿdF4y2BaNXGÿdF4y2Ba)和GÿdF4y2BaF(X)GÿdF4y2Ba罪(GÿdF4y2BaNXGÿdF4y2Ba)。GÿdF4y2Ba

8.1C:拉普拉斯方程的傅里叶级数解GÿdF4y2Ba里面转了一圈,该解决方案GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba(GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2Ba,θ)联合机GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2BañGÿdF4y2BaCOS(GÿdF4y2BañGÿdF4y2Baθ)和GÿdF4y2Ba[RGÿdF4y2BañGÿdF4y2Ba罪(GÿdF4y2BañGÿdF4y2Baθ)。边界解决方案将所有条目的傅里叶级数相匹配的边界条件。GÿdF4y2Ba

8.3:热传导方程GÿdF4y2Ba热方程∂GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba/∂GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba=∂GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba/∂GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba从温度分布开始GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba在GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba= 0和跟随它用于GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba> 0,因为它很快变得平滑。GÿdF4y2Ba

8.4:波动方程GÿdF4y2Ba波动方程∂GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba/∂GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba=∂GÿdF4y2Ba2GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba/∂GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba2GÿdF4y2Ba展示了如何波沿移动GÿdF4y2BaXGÿdF4y2Ba轴,从波形开始GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba(0)和它的速度∂GÿdF4y2BaüGÿdF4y2Ba/∂GÿdF4y2BaŤGÿdF4y2Ba(0)。GÿdF4y2Ba