Ingen løsninger
Vi tar nå en liten tur utenfor pensum for å forklare hva som egentlig foregår når den karakteristiske likningen ikke har løsninger.
Gitt en differensiallikning på formen med og konstanter og karakteristisk likning uten løsninger. Ved bruk av
abc-formelen
abc-formelen sier at en likning på formen har løsningene .
der og er to forskjellige løsninger av den karakteristiske likningen.
Komplekse tall
La . Et tall på formen er et komplekst tall. Vi kaller for den reelle delen til tallet, mens er den imaginære delen.
Mens vi tidligere har kalt roten til negative tall for «udefinert», definerer vi nå roten til til å være det komplekse tallet . Dermed er det ikke lenger riktig å si at andregradsuttrykk ikke kan ha løsninger; men at det ikke har reelle løsninger. For eksempel har likningen ingen løsninger i de reelle tallene som vi til vanlig bruker, men den har de komplekse løsningene . Merk også at om vi kun ser på de komplekse tallene på formen , får vi tilbake de reelle tallene.
Gitt et komplekst tall kan vi identifisere dette med punktet i planet. Motsatt kan vi for hvert punkt i planet assosiere det komplekse tallet . På samme måte som vi kan beskrive enhetssirkelen som alle punkter i planet slik at , kan vi bruke korrespondansen ovenfor til å beskrive enhetssirkelen som alle komplekse tall med egenskapen at . Mer generelt kan vi definere lengde til et kompleks tall.
Definisjon
La være et komplekst tall. Lengden til tallet er gitt ved
Definisjonen ovenfor tar det komplekset tallet , ser på det assosierte punktet i planet, og måler avstanden fra punktet til origo.
Eksempel
Betrakt det komplekse tallet . Da er , så det komplekse tallet kan assosieres med et punktet i planet, som ligger på sirkelen med senter i origo og radius roten av to:
Her er det blå punktet på sirkelen. Vi kan beskrive den reelle og imaginære delen av tallet ved hjelp av trigonometriske funksjoner. Vinkelen mellom den positive -aksen og linjen mellom origo og er Da kan vi beskrive den reelle delen av som og den imaginære delen av som Da kan vi skrive som
Her brukte vi ikke spesielle egenskaper ved valget av tallet vårt, så denne metoden fungerer for alle komplekse tall.
Definisjon
La være et komplekst tall. Når vi angir tallet på formen hvor er vinkelen mellom den positive -aksen og linjen mellom origo og punktet i planet, sier vi at
er skrevet på polarform.
Trigonometriske funksjoner ble også brukt for å beskrive løsningene til andre ordens differensiallikninger når den karakteristiske likningen ikke har løsninger. Men i formelen for løsningen finner vi også eksponentialfunksjonen. La oss se på hva den har med komplekse tall å gjøre.
eulers formel
Det komplekse tallet kan skrives som for alle reelle tall .
Om du setter inn får du den svært kjente likningen .
Bevisskisse
Vi vet fra definisjonen over at vi kan skrive hvor . Her er både og avhengige av : om vi forandrer verdien av kan det forandre verdien av og . Dermed kan vi se på og som funksjoner avhengig av , så vi skriver og . Om vi deriverer begge sider av likheten med hensyn til , får vi at Men vi vet at , slik at (siden ), noe som gir To komplekse tall er like hvis og bare hvis de beskriver det samme punktet i planet, og for at det skal skje må de imaginære og reelle delene av tallene være like. Den reelle delen til venstresiden er , mens den reelle delen til høyresiden er . Da var vi likheten Om vi setter inn får vi likheten noe som impliserer at er konstant, altså uavhengig av . Om vi velger får vi det komplekse tallet som har lengde , som impliserer at er konstant . Om vi gjør det samme for den imaginære delen, har vi likeheten Om vi her setter får vi eller Når er null er , og vinkelen mellom dette komplekse tallet og den positive -aksen er null grader, som gir . Vi har at Verdien gir , og dermed er . Dermed har vi skrevet om likningen til
Nå kan vi vise hvordan en differensiallikning hvor den karakteristiske likningen ikke har reelle løsninger, kan løses med samme formel som i tilfellet hvor den har reelle løsninger: Anta at den karakteristiske likningen har løsninger og . Setter vi dette inn i formelen har vi Vi kan trekke ut fellesfaktoren : Eulers formel gir og Dermed er Skriver vi dette ut får vi
for konstanter og , der og
Dette er den samme formelen vi hadde for andre ordens differensiallikninger med karakteristisk likning uten løsning.
Del på Facebook