เครื่องแก้ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ
แก้ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ x' = Ax ในรูปแบบสัญลักษณ์และตัวเลข จำแนกจุดสมดุลโดยอัตโนมัติ (จุดอานม้า, โหนด, เกลียว, จุดศูนย์กลาง) คำนวณหาค่าลักษณะเฉพาะและเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะทีละขั้นตอน เขียนคำตอบทั่วไปและคำตอบเฉพาะในรูปแบบปิด และวาดภาพพอร์ตเทรตเฟสแบบโต้ตอบพร้อมวิถีการเคลื่อนที่แบบเคลื่อนไหว — สำหรับระบบเชิงเส้น 2×2, 3×3 และระบบไม่เชิงเส้น 2 มิติ
ตัวบล็อกโฆษณาของคุณทำให้เราไม่สามารถแสดงโฆษณาได้
MiniWebtool ให้ใช้งานฟรีเพราะมีโฆษณา หากเครื่องมือนี้ช่วยคุณได้ โปรดสนับสนุนเราด้วย Premium (ไม่มีโฆษณา + เร็วขึ้น) หรืออนุญาต MiniWebtool.com แล้วรีโหลดหน้าเว็บ
- หรืออัปเกรดเป็น Premium (ไม่มีโฆษณา)
- อนุญาตโฆษณาสำหรับ MiniWebtool.com แล้วรีโหลด
เกี่ยวกับ เครื่องแก้ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ
เครื่องแก้ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ เป็นกล่องเครื่องมือสมการเชิงอนุพันธ์แบบออลอินวันสำหรับระบบเชิงเส้นและไม่เชิงเส้นที่เชื่อมโยงกัน เพียงวางเมทริกซ์สัมประสิทธิ์ 2×2 หรือ 3×3 เครื่องมือนี้จะทำการวิเคราะห์ค่าลักษณะเฉพาะ/เวกเตอร์ลักษณะเฉพาะอย่างละเอียด เขียนคำตอบทั่วไปและคำตอบเฉพาะในรูปแบบปิดด้วย LaTeX จัดประเภทจุดสมดุลที่จุดกำเนิดว่าเป็นจุดอาน, โหนด, เกลียว หรือจุดศูนย์กลาง และวาดแผนภาพระนาบเฟสแบบโต้ตอบพร้อมวิถีที่เคลื่อนไหวได้ สำหรับระบบระนาบไม่เชิงเส้น คุณสามารถพิมพ์ด้านขวาของสมการ \(f(x,y)\) และ \(g(x,y)\) ใดๆ ก็ได้ และเครื่องมือจะสร้างแผนภาพระนาบเฟส RK4 ที่มีความแม่นยำสูง
ระบบ ODEs คืออะไร?
ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ คือการรวมฟังก์ชันที่ไม่ทราบค่าหลายฟังก์ชันของตัวแปรเดียว (โดยปกติคือเวลา \(t\)) เข้าด้วยกันผ่านอนุพันธ์ของพวกมัน ในรูปแบบที่กระชับที่สุด:
เมื่อ \(\mathbf{F}(t, \mathbf{x}) = A\mathbf{x}\) สำหรับเมทริกซ์ค่าคงที่ \(A\) ระบบจะเรียกว่า เชิงเส้นและอิสระ (autonomous) — และนี่คือส่วนที่ทฤษฎีมีความงดงามที่สุด: พฤติกรรมระยะยาวทั้งหมดของระบบจะถูกกำหนดโดยค่าลักษณะเฉพาะของ \(A\)
สูตรการหาค่าลักษณะเฉพาะสำหรับระบบเชิงเส้น
สำหรับ \(\mathbf{x}' = A\mathbf{x}\) วิธีการมาตรฐานคือ:
- คำนวณ พหุนามลักษณะเฉพาะ \(\det(\lambda I - A) = 0\)
- หาค่าของค่าลักษณะเฉพาะ \(\lambda_1, \lambda_2, \dots\)
- สำหรับแต่ละค่าลักษณะเฉพาะ ให้หาเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ \(v\) โดยการแก้สมการ \((A - \lambda I) v = 0\)
- ประกอบคำตอบทั่วไปในรูปแบบการรวมเชิงเส้น: \(\mathbf{x}(t) = c_1 v_1 e^{\lambda_1 t} + c_2 v_2 e^{\lambda_2 t} + \cdots\)
- หาค่าคงที่ \(c_i\) โดยการแทนค่าเงื่อนไขเริ่มต้น \(\mathbf{x}(0)\) ลงในคำตอบทั่วไป
สามกรณีสำหรับระบบ 2×2
| ค่าลักษณะเฉพาะ | คำตอบทั่วไป | แผนภาพระนาบเฟส |
|---|---|---|
| จำนวนจริงที่แตกต่างกัน \(\lambda_1 \ne \lambda_2\) | \(c_1 v_1 e^{\lambda_1 t} + c_2 v_2 e^{\lambda_2 t}\) | จุดอานถ้าเครื่องหมายต่างกัน; โหนดถ้าเครื่องหมายเหมือนกัน |
| สังยุคเชิงซ้อน \(\alpha \pm i\beta\) | \(e^{\alpha t}[c_1(p\cos\beta t - q\sin\beta t) + c_2(p\sin\beta t + q\cos\beta t)]\) | เกลียว (\(\alpha \ne 0\)) หรือจุดศูนย์กลาง (\(\alpha = 0\)) |
| ค่าซ้ำ \(\lambda_1 = \lambda_2 = \lambda\) | \(c_1 v e^{\lambda t} + c_2 (tv + w) e^{\lambda t}\) | โหนดเสื่อม |
ระนาบรอย-ดีเทอร์มิแนนต์ (Trace-Determinant Plane)
สำหรับเมทริกซ์ 2×2 ที่มีรอย \(T = a_{11} + a_{22}\) และดีเทอร์มิแนนต์ \(D = a_{11} a_{22} - a_{12} a_{21}\) การจัดประเภททั้งหมดสามารถสรุปได้ในแผนภาพเดียว:
นี่คือเหตุผลที่แผงผลลัพธ์แสดงค่า \(T\), \(D\) และ \(\Delta = T^2 - 4D\) อย่างชัดเจน — ตัวเลขสามตัวนี้เพียงพอที่จะระบุชื่อของจุดสมดุลได้
ระบบไม่เชิงเส้นและแผนภาพระนาบเฟส
ODEs ส่วนใหญ่ในโลกแห่งความเป็นจริงเป็นแบบไม่เชิงเส้นและไม่มีคำตอบในรูปแบบปิด เครื่องมือนี้จัดการโดยการอินทิเกรตสมการเชิงตัวเลขด้วยวิธี Runge–Kutta อันดับที่ 4 (RK4) ซึ่งมีข้อผิดพลาดจากการตัดปลายเฉพาะที่ (local truncation error) อยู่ที่ \(O(h^5)\) และเป็นวิธีมาตรฐานสำหรับสนามเวกเตอร์ที่ราบเรียบ
แผนภาพระนาบเฟสประกอบด้วย:
- สนามเวกเตอร์ ที่สุ่มตัวอย่างบนตารางขนาด 13×13 แสดงทิศทางการไหลในทุกจุด
- วิถีจากเงื่อนไขเริ่มต้นของคุณ วาดด้วยสีแดงพร้อมตัววิ่งสีส้มที่เคลื่อนไหวเพื่อแสดงทิศทางของเวลา
- เส้นการไหลฐาน หลายเส้นจากกลุ่มจุดเริ่มต้นรอบๆ เพื่อให้เห็นภาพรวมของการเคลื่อนที่
- สำหรับระบบเชิงเส้น 2×2 จะแสดง แกนเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ (เส้นประสีฟ้า) — นี่คือทิศทางคงที่ซึ่งคำตอบจะเลื่อนไปตามนั้นแบบเอกซ์โพเนนเชียล
วิธีใช้งานเครื่องแก้ปัญหานี้
- เลือกโหมด — เชิงเส้น 2×2, เชิงเส้น 3×3 หรือไม่เชิงเส้น 2 มิติ — ผ่านแท็บที่ด้านบนของฟอร์ม
- กรอกสัมประสิทธิ์หรือสมการ คลิกที่ตัวอย่างด่วนเพื่อเติมค่าระบบมาตรฐาน (โหนดเสถียร, จุดศูนย์กลาง, จุดอาน, ลูกตุ้ม, Van der Pol ฯลฯ)
- กรอกเงื่อนไขเริ่มต้น \((x_0, y_0)\) และ ช่วงเวลา \(T\) ค่า \(T\) ปกติจะอยู่ที่ 6–20 สำหรับระบบแกว่งกวัด และ 3–6 สำหรับระบบเสถียรที่สลายตัวเร็ว
- คลิก แก้ปัญหา หน้าผลลัพธ์ฉบับเต็มจะปรากฏขึ้นพร้อมการจัดประเภท, ค่าลักษณะเฉพาะ, เวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ, คำตอบในรูปแบบปิด (สำหรับโหมดเชิงเส้น), แผนภาพระนาบเฟสแบบเคลื่อนไหว และกราฟอนุกรมเวลา
- เล่นวิถีซ้ำ โดยใช้ปุ่มใต้แผนภาพระนาบเฟส หากคุณต้องการดูตัววิ่งเคลื่อนที่ผ่านเส้นโค้ง IC อีกครั้ง
ตัวอย่างที่ต้องทำ — เครื่องแกว่งกวัดฮาร์มอนิกแบบมีความหน่วง
เครื่องแกว่งกวัดแบบมีความหน่วง \(\ddot{x} + 2\zeta \omega \dot{x} + \omega^2 x = 0\) สามารถเขียนใหม่เป็นระบบ 2 มิติได้โดยให้ \(y = \dot{x}\):
สำหรับ \(\omega = 1\) และ \(\zeta = 0.2\) (ความหน่วงน้อย), เมทริกซ์คือ \(A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & -0.4 \end{pmatrix}\) รอย \(T = -0.4\), ดีเทอร์มิแนนต์ \(D = 1\), ดิสคริมิแนนต์ \(\Delta = 0.16 - 4 = -3.84 < 0\) ดังนั้นเราจึงได้ เกลียวเสถียร ที่มีค่าลักษณะเฉพาะ \(-0.2 \pm 0.9798\,i\) วิถีจะวนเป็นเกลียวเข้าสู่จุดกำเนิด และอนุกรมเวลาจะแสดงรูปคลื่นไซน์ที่สลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียล
การประยุกต์ใช้งาน
- ระบบทางกล — ระบบมวล-สปริงที่เชื่อมต่อกัน, ลูกตุ้ม, ไจโรสโคป
- วงจรไฟฟ้า — เครือข่าย RLC, ฟิลเตอร์ออปแอมป์, การควบคุมปริภูมิสถานะ (state-space control)
- พลวัตประชากร — ตัวแบบผู้ล่า-เหยื่อ Lotka–Volterra, สายพันธุ์ที่แข่งขันกัน, ระบาดวิทยา (SIR, SIS)
- จลนพลศาสตร์เคมี — เครือข่ายปฏิกิริยา, เครื่องแกว่งกวัด Belousov–Zhabotinsky
- ประสาทวิทยา — ตัวแบบนิวรอน FitzHugh–Nagumo, การลดรูป Hodgkin–Huxley
- ทฤษฎีการควบคุม — ตัวแบบโรงงานที่ทำให้เป็นเชิงเส้น, การออกแบบตัวสังเกต (observer design), ขอบเขตความเสถียร
เคล็ดลับและสิ่งที่ควรระวัง
- หากวิถีของคุณพุ่งออกไปอย่างรวดเร็ว ให้ลด ช่วงเวลา T ลง — ระบบที่ไม่เสถียรสามารถพุ่งทะลุขอบเขตการมองเห็นได้ในเวลาเพียงไม่กี่หน่วย
- สำหรับ ค่าลักษณะเฉพาะซ้ำ เครื่องแก้ปัญหาจะหาเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะทั่วไป \(w\) โดยอัตโนมัติจากการแก้สมการ \((A - \lambda I)w = v\) ดังนั้นคุณจะได้พจน์ \(tv\) โดยไม่ต้องคำนวณเอง
- สำหรับ ระบบไม่เชิงเส้น ลูกศรสนามเวกเตอร์ยังเผยให้เห็นจุดสมดุลที่ ไม่ใช่จุดกำเนิด เป็นจุดสีฟ้า — ให้สังเกตบริเวณในแผนภาพที่มีขนาดเป็นศูนย์
- สำหรับระบบ 3×3 จะไม่มีแผนภาพระนาบเฟส (เนื่องจาก 3D แสดงผลบนหน้าจอ 2D ได้ยาก) แต่การจัดประเภทความเสถียรและคำตอบรูปแบบปิดยังคงใช้งานได้
- เงื่อนไขเริ่มต้นและช่วงเวลาแยกออกจากการจัดประเภท: การเปลี่ยนค่าเหล่านี้จะย้ายเพียงเส้นวิถีสีแดงเท่านั้น แต่ไม่เปลี่ยนผลการวิเคราะห์ค่าลักษณะเฉพาะ
คำถามที่พบบ่อย
ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญคืออะไร?
ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ (ODEs) คือชุดของสมการที่เชื่อมโยงกันซึ่งแสดงความสัมพันธ์ของอนุพันธ์ของฟังก์ชันที่ไม่ทราบค่าหลายฟังก์ชันของตัวแปรอิสระตัวเดียว ซึ่งมักจะเป็นเวลา รูปแบบคลาสสิกคือ \( \mathbf{x}'(t) = F(t, \mathbf{x}(t)) \) โดยที่ \( \mathbf{x} \) คือเวกเตอร์ของสถานะและ \(F\) คือสนามเวกเตอร์ ระบบเชิงเส้นสามารถเขียนได้อย่างกะทัดรัดเป็น \( \mathbf{x}' = A\mathbf{x} + \mathbf{b} \) และพฤติกรรมของระบบจะถูกกำหนดเกือบทั้งหมดโดยค่าลักษณะเฉพาะของเมทริกซ์สัมประสิทธิ์ \(A\)
ค่าลักษณะเฉพาะใช้จัดประเภทจุดสมดุลของระบบเชิงเส้น 2×2 อย่างไร?
สำหรับระบบ 2×2 \( \mathbf{x}' = A\mathbf{x} \) จุดกำเนิดจะถูกจัดประเภทโดยใช้รอย \(T\) และดีเทอร์มิแนนต์ \(D\) ของ \(A\): \(D < 0\) จะได้จุดอาน (saddle point) ซึ่งไม่เสถียร; \(D > 0\) พร้อม \(T^2 > 4D\) จะได้โหนด (node) (เสถียรถ้า \(T < 0\), ไม่เสถียรถ้า \(T > 0\)); \(D > 0\) พร้อม \(T^2 < 4D\) จะได้เกลียว (spiral) (เสถียรถ้า \(T < 0\), ไม่เสถียรถ้า \(T > 0\), และเป็นจุดศูนย์กลางแท้ถ้า \(T = 0\)) กรณีขอบเขต \(T^2 = 4D\) จะเกิดโหนดเสื่อม
คำตอบในรูปแบบปิดจะมีลักษณะอย่างไรเมื่อค่าลักษณะเฉพาะเป็นจำนวนเชิงซ้อน?
ถ้า \(A\) มีค่าลักษณะเฉพาะเป็นสังยุคเชิงซ้อน \( \alpha \pm i\beta \) พร้อมเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะเชิงซ้อน \( v = p + iq \) คำตอบทั่วไปที่เป็นจำนวนจริงคือ \( \mathbf{x}(t) = e^{\alpha t} \left[ c_1 (p \cos\beta t - q \sin\beta t) + c_2 (p \sin\beta t + q \cos\beta t) \right] \) โดยที่ \(e^{\alpha t}\) จะควบคุมแอมพลิจูด (ขยายตัว, ลดลง หรือคงที่) ในขณะที่ไซน์และคอสไซน์จะจัดการเรื่องการหมุน
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเมทริกซ์มีค่าลักษณะเฉพาะซ้ำ?
ถ้าเมทริกซ์มีค่าลักษณะเฉพาะซ้ำ \(\lambda\) แต่มีเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะที่อิสระเชิงเส้นเพียงตัวเดียว \(v\) คุณจะต้องหาเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะทั่วไป \(w\) จากสมการ \( (A - \lambda I) w = v \) คำตอบทั่วไปจะมีรูปแบบ \( \mathbf{x}(t) = c_1 v e^{\lambda t} + c_2 (tv + w) e^{\lambda t} \) หากปริภูมิย่อยของเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะมีสองมิติ เมทริกซ์จะเป็นค่าคงที่คูณกับเมทริกซ์เอกลักษณ์บนปริภูมิย่อยนั้น และคำตอบจะลดรูปเหลือ \( \mathbf{x}(t) = (c_1 v1 + c_2 v2) e^{\lambda t} \)
เครื่องมือนี้สามารถแก้ระบบไม่เชิงเส้นในรูปแบบสัญลักษณ์ได้หรือไม่?
โหมดไม่เชิงเส้นจะแก้ระบบด้วยวิธีการเชิงตัวเลขโดยใช้ตัวรวมการคำนวณแบบ Runge–Kutta (RK4) และวาดแผนภาพระนาบเฟส เนื่องจากระบบไม่เชิงเส้นส่วนใหญ่ไม่มีคำตอบในรูปแบบปิด นี่จึงเป็นวิธีมาตรฐาน คุณยังคงสามารถวิเคราะห์พฤติกรรมในระดับท้องถิ่นใกล้จุดสมดุลได้โดยการทำเป็นเชิงเส้น ซึ่งโหมดเชิงเส้น 2×2 สามารถจัดการได้ — โดยการคำนวณจาโคเบียน (Jacobian) ที่จุดตรึงแล้วใส่ค่านั้นเป็น \(A\)
แผนภาพระนาบเฟสคืออะไร?
แผนภาพระนาบเฟสคือภาพทางเรขาคณิตของคำตอบของระบบ 2 มิติในระนาบ \(x\)–\(y\) แต่ละคำตอบจะวาดเส้นโค้งที่เรียกว่า วิถี (trajectory) และการรวบรวมวิถีต่างๆ ร่วมกับลูกศรสนามเวกเตอร์จะเผยให้เห็นพฤติกรรมเชิงคุณภาพ: ไม่ว่าจะเป็นการวนเข้าสู่จุดศูนย์กลาง, แยกออกจากจุดอาน, แกว่งกวัด หรือเข้าสู่จุดสมดุล แผนภาพระนาบเฟสช่วยให้เห็นโครงสร้างโดยรวมของระบบได้ในพริบตา
อ่านเพิ่มเติม
- ระบบสมการเชิงอนุพันธ์ — Wikipedia
- แผนภาพระนาบเฟส — Wikipedia
- ค่าลักษณะเฉพาะและเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะ — Wikipedia
- วิธีการของ Runge–Kutta — Wikipedia
- เครื่องแกว่งกวัด Van der Pol — Wikipedia
อ้างอิงเนื้อหา หน้าหรือเครื่องมือนี้ว่า:
"เครื่องแก้ระบบสมการเชิงอนุพันธ์สามัญ" ที่ https://MiniWebtool.com/th// จาก MiniWebtool, https://MiniWebtool.com/
โดย miniwebtool team. อัปเดตล่าสุด: 23 เม.ย. 2026
คุณสามารถลองใช้ AI แก้ปัญหาคณิตศาสตร์ GPT ของเรา เพื่อแก้ไขปัญหาทางคณิตศาสตร์ของคุณผ่านคำถามและคำตอบด้วยภาษาธรรมชาติ.