Từ năm 2010 · Hơn 2 triệu lượt chạy công cụ mỗi tháng
Từ năm 2010
Thêm vào Chrome

Hộp Công Cụ Của Tôi

Chế Độ Tự Động

Chưa có công cụ nào được lưu.

Nâng Cấp Lên Phiên Bản Cao Cấp
Công cụ liên quan
Trình Giải Phương Trình Vi Phân Thường Cấp MộtTrình Giải Phương Trình Vi Phân Thường Cấp HaiMáy Giải Phương Trình Vi Phân BernoulliMáy tính Phương pháp Runge-Kutta (RK4)Máy Tính Phương Pháp EulerMáy tính Chuyển động học
Trang chủ > Toán học > Giải tích
 

Giải Hệ Phương Trình Vi Phân Thường

Giải hệ phương trình vi phân thường bằng phương pháp giải tích và số. Phân loại điểm cân bằng là yên ngựa, nút, xoắn ốc hay tâm, suy ra trị riêng từng bước, và vẽ chân dung pha tương tác kèm quỹ đạo.

Sử dụng miễn phíKhông cần đăng kýKết quả tức thì
Giải Hệ Phương Trình Vi Phân ThườngDùng thử ngay — miễn phí ▼
Ví dụ nhanh:
Nút ổn định Tâm (dao động) Xoắn ốc ổn định Yên ngựa Lặp lại (suy biến) Con lắc Van der Pol 3×3 bậc ba
Giải \(\dfrac{d}{dt}\!\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} = A \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}\) trong đó \(A\) là một ma trận 2×2 với các phần tử thực.
[
[
Chấp nhận số thập phân (ví dụ 2.5), số âm (-1) và phân số đơn giản (3/4).
Giải \(\dfrac{d}{dt}\!\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix} = A \begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix}\) — nhận giá trị riêng, vectơ riêng và nghiệm tổng quát dạng đóng.
[
[
[
Mặc định là ma trận đồng hành của \( s^3 + 6s^2 + 11s + 6 \), cho giá trị riêng là \(-1, -2, -3\).
Giải hệ phi tuyến 2D tổng quát bằng phương pháp số: \(x' = f(x, y)\), \(y' = g(x, y)\). Sử dụng các hàm như sin, cos, exp, sqrt, và các hằng số pi, e.
Không tính được nghiệm dạng đóng; thay vào đó, phép tích phân RK4 độ chính xác cao sẽ tạo ra quỹ đạo và biểu đồ pha.
x(0)
y(0)
thời gian T

Embed Giải Hệ Phương Trình Vi Phân Thường Widget

Giới thiệu về Giải Hệ Phương Trình Vi Phân Thường

Trình giải Hệ Phương trình Vi phân Thường là một hộp công cụ vi phân tất cả trong một cho các hệ tuyến tính và phi tuyến kết hợp. Nhập ma trận hệ số 2×2 hoặc 3×3 và công cụ sẽ thực hiện phân tích đầy đủ giá trị riêng / vectơ riêng, viết nghiệm tổng quát và nghiệm riêng dạng đóng bằng LaTeX, phân loại điểm cân bằng tại gốc tọa độ là điểm yên ngựa, nút, xoắn ốc hoặc tâm, và vẽ biểu đồ pha tương tác với quỹ đạo hoạt hình. Đối với các hệ phi tuyến phẳng, bạn có thể nhập các vế phải tùy ý \(f(x,y)\) và \(g(x,y)\) và công cụ sẽ tạo ra biểu đồ pha RK4 với độ chính xác cao.

Hệ Phương trình Vi phân Thường (ODEs) là gì?

Một hệ phương trình vi phân thường liên kết nhiều hàm chưa biết của một biến duy nhất — thường là thời gian \(t\) — thông qua các đạo hàm của chúng. Ở dạng gọn nhất,

\[ \mathbf{x}'(t) = \mathbf{F}(t, \mathbf{x}(t)) , \qquad \mathbf{x} \in \mathbb{R}^n \]

Khi \(\mathbf{F}(t, \mathbf{x}) = A\mathbf{x}\) với ma trận hằng số \(A\), hệ thống là tuyến tính và tự trị — và đây là nơi lý thuyết đạt đến vẻ đẹp rực rỡ nhất: toàn bộ hành vi dài hạn được xác định bởi các giá trị riêng của \(A\).

Công thức Giải Hệ Tuyến tính bằng Giá trị riêng

Đối với \(\mathbf{x}' = A\mathbf{x}\), phương pháp tiêu chuẩn là:

  1. Tính đa thức đặc trưng \(\det(\lambda I - A) = 0\).
  2. Giải tìm các giá trị riêng \(\lambda_1, \lambda_2, \dots\).
  3. Với mỗi giá trị riêng, tìm một vectơ riêng \(v\) bằng cách giải \((A - \lambda I) v = 0\).
  4. Lập nghiệm tổng quát dưới dạng tổ hợp tuyến tính: \(\mathbf{x}(t) = c_1 v_1 e^{\lambda_1 t} + c_2 v_2 e^{\lambda_2 t} + \cdots\).
  5. Xác định các hằng số \(c_i\) bằng cách thay điều kiện ban đầu \(\mathbf{x}(0)\) vào nghiệm tổng quát.

Ba trường hợp cho Hệ 2×2

Giá trị riêng Nghiệm tổng quát Biểu đồ pha
Thực phân biệt \(\lambda_1 \ne \lambda_2\) \(c_1 v_1 e^{\lambda_1 t} + c_2 v_2 e^{\lambda_2 t}\) Yên ngựa nếu khác dấu; nút nếu cùng dấu
Phức liên hợp \(\alpha \pm i\beta\) \(e^{\alpha t}[c_1(p\cos\beta t - q\sin\beta t) + c_2(p\sin\beta t + q\cos\beta t)]\) Xoắn ốc (\(\alpha \ne 0\)) hoặc tâm (\(\alpha = 0\))
Lặp lại \(\lambda_1 = \lambda_2 = \lambda\) \(c_1 v e^{\lambda t} + c_2 (tv + w) e^{\lambda t}\) Nút suy biến

Mặt phẳng Vết-Định thức

Đối với ma trận 2×2 có vết \(T = a_{11} + a_{22}\) và định thức \(D = a_{11} a_{22} - a_{12} a_{21}\), toàn bộ phân loại khớp trong một sơ đồ duy nhất:

\[ \begin{array}{l} D < 0 \Rightarrow \text{điểm yên ngựa} \\ D > 0, \; T^2 - 4D > 0 \Rightarrow \text{nút (ổn định nếu } T < 0\text{)} \\ D > 0, \; T^2 - 4D < 0 \Rightarrow \text{xoắn ốc (ổn định nếu } T < 0\text{), tâm nếu } T = 0 \\ T^2 - 4D = 0 \Rightarrow \text{nút suy biến (giá trị riêng lặp)} \end{array} \]

Đây là lý do tại sao bảng kết quả hiển thị nổi bật \(T\), \(D\), và \(\Delta = T^2 - 4D\) — ba con số là đủ để đặt tên cho điểm cân bằng.

Hệ Phi tuyến và Biểu đồ Pha

Hầu hết các ODE thực tế là phi tuyến và không có nghiệm dạng đóng. Công cụ xử lý chúng bằng cách tích phân các phương trình theo phương pháp số Runge–Kutta bậc 4 (RK4), có sai số cắt cục bộ \(O(h^5)\) và là phương pháp mặc định cho các trường vectơ trơn.

\[ \begin{aligned} k_1 &= f(t_n, y_n) \\ k_2 &= f(t_n + h/2, y_n + h k_1 / 2) \\ k_3 &= f(t_n + h/2, y_n + h k_2 / 2) \\ k_4 &= f(t_n + h, y_n + h k_3) \\ y_{n+1} &= y_n + \tfrac{h}{6}(k_1 + 2k_2 + 2k_3 + k_4) \end{aligned} \]

Lớp phủ biểu đồ pha bao gồm:

Cách sử dụng Trình giải này

  1. Chọn một chế độ — Tuyến tính 2×2, Tuyến tính 3×3, hoặc Phi tuyến 2D — thông qua các tab ở đầu biểu mẫu.
  2. Điền vào các hệ số hoặc phương trình. Nhấp vào bất kỳ Ví dụ nhanh nào để điền trước một hệ tiêu chuẩn (nút ổn định, tâm, yên ngựa, con lắc, Van der Pol, v.v.).
  3. Nhập điều kiện ban đầu \((x_0, y_0)\) và một khoảng thời gian \(T\). Các giá trị \(T\) điển hình là 6–20 cho các bộ dao động và 3–6 cho các hệ ổn định suy giảm nhanh.
  4. Nhấp Giải. Trang kết quả đầy đủ sẽ xuất hiện với phân loại, giá trị riêng, vectơ riêng, nghiệm dạng đóng (chế độ tuyến tính), biểu đồ pha hoạt hình và biểu đồ chuỗi thời gian.
  5. Xem lại quỹ đạo bằng cách sử dụng nút dưới biểu đồ pha nếu bạn muốn xem lại quá trình di chuyển trên đường cong IC.

Ví dụ Thực tế — Bộ dao động điều hòa có giảm chấn

Bộ dao động có giảm chấn \(\ddot{x} + 2\zeta \omega \dot{x} + \omega^2 x = 0\) có thể được viết lại dưới dạng hệ 2D bằng cách đặt \(y = \dot{x}\):

\[ \begin{pmatrix} \dot{x} \\ \dot{y} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -\omega^2 & -2\zeta\omega \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \]

Với \(\omega = 1\) và \(\zeta = 0.2\) (giảm chấn dưới mức), ma trận là \(A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & -0.4 \end{pmatrix}\). Vết \(T = -0.4\), định thức \(D = 1\), biệt số \(\Delta = 0.16 - 4 = -3.84 < 0\), vì vậy chúng ta có một xoắn ốc ổn định với các giá trị riêng \(-0.2 \pm 0.9798\,i\). Quỹ đạo xoắn ốc vào gốc tọa độ, và chuỗi thời gian hiển thị các hàm sin suy giảm theo hàm mũ.

Ứng dụng

Mẹo & Lưu ý

Câu hỏi thường gặp

Hệ phương trình vi phân thường là gì?

Hệ phương trình vi phân thường (ODEs) là một tập hợp các phương trình liên kết với nhau liên quan đến đạo hàm của nhiều hàm chưa biết của một biến độc lập duy nhất, thường là thời gian. Dạng cổ điển là \( \mathbf{x}'(t) = F(t, \mathbf{x}(t)) \), trong đó \( \mathbf{x} \) là một vectơ trạng thái và \(F\) là trường vectơ. Các hệ tuyến tính có thể được viết gọn dưới dạng \( \mathbf{x}' = A\mathbf{x} + \mathbf{b} \), và hành vi của chúng được xác định gần như hoàn toàn bởi các giá trị riêng của ma trận hệ số \(A\).

Làm thế nào để các giá trị riêng phân loại điểm cân bằng của hệ tuyến tính 2×2?

Đối với hệ 2×2 \( \mathbf{x}' = A\mathbf{x} \), gốc tọa độ được phân loại theo vết \(T\) và định thức \(D\) của \(A\): \(D < 0\) cho điểm yên ngựa (không ổn định); \(D > 0\) với \(T^2 > 4D\) cho một nút (ổn định nếu \(T < 0\), không ổn định nếu \(T > 0\)); \(D > 0\) với \(T^2 < 4D\) cho một đường xoắn ốc (ổn định nếu \(T < 0\), không ổn định nếu \(T > 0\), một tâm thuần túy nếu \(T = 0\)). Đường biên \(T^2 = 4D\) tạo ra một nút suy biến.

Nghiệm dạng đóng trông như thế nào khi các giá trị riêng là số phức?

Nếu \(A\) có các giá trị riêng phức liên hợp \( \alpha \pm i\beta \) với vectơ riêng phức \( v = p + iq \), nghiệm tổng quát thực là \( \mathbf{x}(t) = e^{\alpha t} \left[ c_1 (p \cos\beta t - q \sin\beta t) + c_2 (p \sin\beta t + q \cos\beta t) \right] \). Hàm mũ \(e^{\alpha t}\) kiểm soát biên độ (tăng, giảm hoặc hằng số), trong khi sin và cos xử lý chuyển động quay.

Điều gì xảy ra khi ma trận có giá trị riêng lặp lại?

Nếu ma trận có giá trị riêng lặp lại \(\lambda\) nhưng chỉ có một vectơ riêng độc lập tuyến tính \(v\), bạn cũng cần một vectơ riêng tổng quát \(w\) thỏa mãn \( (A - \lambda I) w = v \). Nghiệm tổng quát khi đó có dạng \( \mathbf{x}(t) = c_1 v e^{\lambda t} + c_2 (tv + w) e^{\lambda t} \). Nếu không gian riêng có hai chiều, ma trận là một bội số vô hướng của ma trận đơn vị trên không gian con bất biến đó và nghiệm rút gọn thành \( \mathbf{x}(t) = (c_1 v_1 + c_2 v_2) e^{\lambda t} \).

Công cụ này có thể giải các hệ phi tuyến dưới dạng biểu tượng không?

Chế độ phi tuyến giải hệ thống bằng phương pháp số bằng cách sử dụng bộ tích phân Runge–Kutta bậc 4 (RK4) và vẽ biểu đồ pha. Hầu hết các hệ phi tuyến không có nghiệm dạng đóng, vì vậy đây là cách tiếp cận tiêu chuẩn. Bạn vẫn có thể đọc ra hành vi cục bộ gần các điểm cân bằng bằng cách tuyến tính hóa, điều mà chế độ tuyến tính 2×2 xử lý được — hãy tính ma trận Jacobian tại điểm cố định và nhập nó vào dưới dạng \(A\).

Biểu đồ pha là gì?

Biểu đồ pha là một hình ảnh hình học về các nghiệm của một hệ 2D trong mặt phẳng \(x\)–\(y\). Mỗi nghiệm vạch ra một đường cong gọi là quỹ đạo, và tập hợp các quỹ đạo cùng với các mũi tên trường vectơ tiết lộ hành vi định tính: liệu các nghiệm xoắn ốc vào trong, tách ra tại điểm yên ngựa, dao động hay ổn định tại các điểm cân bằng. Biểu đồ pha giúp cấu trúc toàn cục của một hệ thống có thể nhìn thấy được trong nháy mắt.

Đọc thêm

Tham khảo nội dung, trang hoặc công cụ này như sau:

"Giải Hệ Phương Trình Vi Phân Thường" tại https://MiniWebtool.com/vi/giai-he-phuong-trinh-vi-phan-thuong/ từ MiniWebtool, https://MiniWebtool.com/

bởi đội ngũ miniwebtool. Cập nhật: 23 tháng 4, 2026

Bạn cũng có thể thử AI Giải Toán GPT của chúng tôi để giải quyết các vấn đề toán học của bạn thông qua câu hỏi và trả lời bằng ngôn ngữ tự nhiên.

Giải tích:

Công cụ phổ biến và mới cập nhật:

Giải Hệ Phương Trình Phi TuyếnCông cụ Giải Hệ Phương Trình Tuyến TínhMáy Giải Tỷ Lệ Liên QuanXem tất cả →
Trang chủ > Toán học > Giải tích > Giải Hệ Phương Trình Vi Phân Thường