21449

Теорема о дифференцируемости решений дифференциальных уравнений. Особые точки

Лекция

Математика и математический анализ

Особые точки. Теорема: если в окрестности точки функция имеет непрерывные производные до mого порядка включительно то решение уравнения 1 удовлетворяющее начальному условию в некоторой окрестности точки имеет непрерывные производные до m1 порядка включительно. Подставляя в уравнение 1 получим тождество...

Русский

2013-08-02

463.5 KB

4 чел.

Лекция 4.

Теорема о дифференцируемости решений дифференциальных уравнений. Особые точки.

Теорема: если в окрестности точки функция  имеет непрерывные производные до m-ого порядка включительно, то решение  уравнения

                                                                              (1)

удовлетворяющее начальному условию , в некоторой окрестности точки  имеет непрерывные производные до (m+1) порядка включительно.

 Доказательство. Подставляя  в уравнение (1), получим тождество

                                                                          (1a)

и, следовательно, решение  имеет в некоторой окрестности рассматриваемой точки непрерывную производную, равную . Тогда в силу существования непрерывных производных функции f, будет существовать непрерывная вторая производная решения

Если m>1, то, в силу существования непрерывных производных второго порядка, можно, еще раз дифференцируя тождество (1а), обнаружить существование и непрерывность третьей производной

                

Повторяя это рассуждение m раз, докажем утверждение теоремы.

Рассмотрим теперь точки , в окрестности которых решения уравнения (1), удовлетворяющего условию , не существует, или решение существует, но оно не единственно. Такие точки называются особыми точками.

Кривая, состоящая из особых точек, называется особой. Очевидно, что особые точки будут среди тех, в которых нарушаются условия теоремы существования и единственности решения уравнения (1).

Первое  условие теоремы нарушается в точках разрыва функции . Однако, если переменные x и y равноправны, то в случае, когда при   функция ,  уравнение (1) может быть заменено следующим

у которого правая часть уже непрерывна в точке , если считать , что   .

Поэтому в тех задачах, в которых переменные x и y равноправны, особые точки могут быть среди тех, в которых функции   и  разрывные.

Часто уравнение (1) имеет вид:

                                                                                        (2)

где функции  – непрерывны.

В этом случае функции  и  будут одновременно разрывными, лишь в тех точках , в которых  и не существует пределов:

                             и          .

Рассмотрим поведение интегральных кривых в окрестности особой точки указанного выше типа на примере следующего простого уравнения:

                                                                                          (3)

Пусть  (т.к. в противном случае ) (т.е. при этом ).

Уравнение (3) эквивалентно следующей системе дифференциальных уравнений:

                                                                                         

с матрицей

.

Рассмотрим различные возможные случаи.

I. Корни характеристического уравнения

                        ,                (4)

где  - единичная матрица, разные: .

В этом случае существует линейное преобразование

с невырожденной матрицей , такое, что

,

или

,

т.е.

                                      .                                      (5)
Система (5) сводится к уравнению

                                          ,                                                                   (6)

которое решается разделением переменных:

                     

откуда

                                 .                                                                (7)

Рассмотрим возможные случаи.

I.1. Корни   действительные и одного знака. 

Без ограничения общности можно считать, что . Все интегральные кривые (7) проходят через начало координат =0. Все они касаются в начале оси , т.к.   

        .

Кроме семейства (7), куда входит и решение =0, существует также, как видно из (6), интегральная кривая =0.

Через начало координат проходит бесконечно много интегральных

кривых, такая особая точка называется узлом (бесконечное множество решений в точке , , С – любое).

Пример 1.

(семейство парабол с вертикальными осями и с вершиной в особой точке).

I.2. Корни  - действительные разных знаков. 

Тогда  Решение (7) имеет вид:

Два решения =0,=0 проходят через особую точку (начало координат). Остальные интегральные кривые не проходят через начало координат. Такая особая точка называется седлом.

    Пример 2.

        

   Общий интеграл        .

I.3. Корни  - комплексно сопряженные:

В этом случае, как видно из (5), мы можем считать, что . Таким образом, решение системы уравнений (5) мы можем записать в следующем виде:

,

где  - вещественная постоянная.

Получившиеся новые переменные , принимают комплексные значения при вещественных x и y, поэтому перейдем к вещественным переменным U, V при помощи невырожденного преобразования

             

В результате будем иметь:

                            ,                        (8)

или

.

В полярных координатах () имеем  .

Это семейство логарифмических спиралей в плоскости U, V с асимптотической точкой в начале; все кривые примыкают к началу, но без определенной предельной касательной. Они делают у точки (0,0) бесконечное количество оборотов. Такая особая точка называется фокусом.

I.4. Корни  чисто мнимые: .

Из (8) имеем

                                               

Семейство интегральных кривых есть семейство замкнутых кривых, окружающих особую точку; через саму особую точку не проходит ни одной интегральной кривой. Такая особая точка называется центром.

II. Корни  - равные действительные:

.

В этом случае дискриминант характеристического уравнения (4) равен нулю:

                                 .

Последнее, в свою очередь, возможно лишь в случае, когда , а также либо a=0, либо d=0, либо a=d=0. Рассмотрим отдельно эти случаи.

II.1. , a=0, либо d=0. Пусть для определенности d=0,  . В случае, когда a=0, , картина будет качественно такой же.

В рассматриваемом случае из уравнения (3) имеем

,

откуда  .

Решая второе уравнение, получим

.

Таким образом, исключая t, будем иметь

                       .                                           (9)  

Из (9) следует, что

                        ,

где знак (+) или  зависит от знака . Это вырожденный узел. Здесь, в отличие от узла (1) все интегральные кривые имеют одну касательную. В случае (1) одна кривая имела другую касательную. На рисунке изображен случай, соответствующий >0.

II.2. b=c=, a=d=0. В этом случае уравнение (3) имеет следующий вид

                       ,

а его общее решение -               .

Такая особая точка называется дикритическим узлом.


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

где , т.е. [a, b], поэтому , а, следовательно,

Приведенный выше пример функции , для которой условие

Липшица выполняется, но производная F(x) при x=0 не существует, говорит о том, что условие  является более грубым, чем условие Липшица.

Пример.

Д.у. II порядка

                      

Положим

Тогда получим нормальную систему д.у.

Пусть

             

Эквивалентная систему интегральных уравнений имеет вид:

             

Итерации:

            

Итак,

             

При x=/2:

             

Точное решение:

               

т.е.

Интегрируя это уравнение, находим С(y). Второй способ определения функции U(x,y) по её полному дифференциалу  состоит в вычислении криволинейного интеграла от   по некоторому пути от точки  до точки (x, y):

 Т.к. подынтегральное выражение – полный дифференциал, то интеграл не зависит от пути интегрирования.

Если путь интегрирования - ломаная со звеньями, параллельными осям координат, то

   

                        =

 Пример 1.

Это уравнение в полных дифференциалах, т.к.

.

Теперь, поскольку

, то     

откуда

 

Следовательно, общий интеграл имеет вид:

 

Интегрирующий множитель.

      В некоторых случаях левая часть уравнения

                                                                                (5)

не является полным дифференциалом, однако можно подобрать функцию (x, y), после умножения на которую левая часть уравнения (5) превращается в полный дифференциал

,

т.е.     .

Такая функция называется интегрирующим множителем. Заметим, что умножение на интегрирующий множитель (x, y) может привести к появлению лишних частных решений, обращающих этот множитель в нуль. Интегрирующий множитель всегда существует локально (Из теоремы о существовании и единственности (см. ниже) следует, что (5) имеет единственное решение, если  удовлетворяет условиям теоремы). Пусть U(x, y)=C – общий интеграл уравнения (5), тогда

,   т.е.  , откуда

Поэтому

,

т.е. - интегрирующий множитель).

Заметим, что найти его в явном виде, вообще говоря, трудно.

Пример 2.

                     .                                     (9)

Здесь . Действительно

                             ,

т.к.

                            ,

то это уравнение в полных дифференциалах, поэтому, интегрируя, имеем:

       

                      т.е.

                                                        .

Итак,

                                         

откуда окончательно имеем

                                             

Это решение удовлетворяет уравнению (9).

6

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81538. Строение, биосинтез и механизм действия кальцитриола. Причины и проявление рахита 137.84 KB
  Действие гормона направлено на повышение концентрации кальция в плазме крови. Низкая концентрация фосфатов и ионов Са2 в крови также ускоряет синтез кальцитриола причём ионы кальция действуют опосредованно через паратгормон. Так например в клетках кишечника кальцитриол индуцирует синтез Са2переносящих белков которые обеспечивают всасывание ионов кальция и фосфатов из полости кишечника в эпителиальную клетку кишечника и далее транспорт из клетки в кровь благодаря чему концентрация ионов кальция во внеклеточной жидкости поддерживается на...
81539. Строение и секреция кортикостероидов. Изменения катаболизма при гипо- и гиперкортицизме 159.94 KB
  Гормоны коры надпочечников кортикостероиды. В коре надпочечников синтезируется более 40 различных стероидов различающихся по структуре и биологической активности. В коре надпочечников образуются предшественники андрогенов из которых наиболее активный дегидроэпиандростерон ДЭА и слабый андростендион. Самый мощный андроген надпочечников тестостерон синтезируется в надпочечниках в небольшом количестве.
81540. Регуляция синтезами секреции гормонов по принципу обратной связи 126.07 KB
  Поддержание уровня гормонов в организме обеспечивает механизм отрицательной обратной связи. Изменение концентрации метаболитов в клеткахмишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов действуя либо на эндокринные железы либо на гипоталамус. Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных периферических желёз.
81541. Половые гормоны: строение, влияние на обмен веществ и функции половых желез, матки и молочных желез 133.12 KB
  Биосинтез эстрогенов как биохимический процесс представляет собой ароматизацию С19стероидов катализируемую комплексом ферментов локализованных в микросомах. У женщин детородного возраста основная масса эстрогенов синтезируется в яичнике содержащем зреющий фолликул или желтое тело. Синтез эстрогенов в фолликуле определяется взаимодействием двух стероидпродуцирующих структур зернистого слоя и текаклеток. Синтез эстрогенов в зреющем фолликуле является одним из основных факторов определяющих функцию гипофизарноовариальной системы т.
81542. Гормон роста, строение, функции 102.09 KB
  Гормон роста соматотропин пептидный гормон образуется в соматотропных клетках аденогипофиза. Молекула СТГ состоит из 191 аминокислотного остатка на восемь остатков меньше чем в молекуле пролактина и в отличие от пролактина содержит не три а два внутримолекулярных дисульфидных мостика Гормоном роста соматотропин называют за то что у детей и подростков а также молодых людей с ещё не закрывшимися зонами роста в костях он вызывает выраженное ускорение линейного в длину роста в основном за счет роста длинных трубчатых костей...
81543. Метаболизм эндогенных и чужеродных токсических веществ: реакции микросомального окисления и реакции конъюгации с глутатионом, глюкуроновой кислотой, серной кислотой 144.87 KB
  В ЭР существуют две такие цепи первая состоит из двух ферментов NDPHP450 редуктазы и цитохрома Р450 вторая включает фермент NDHцитохромb5 редуктазу цитохром b5 и ещё один фермент стеароилКоАдесатуразу. Электронтранспортная цепь NDPHP450 редуктаза цитохром Р450. Восстановленный FMN FMNH2 окисляется цитохромом Р450 Цитохром Р450 гемопротеин содержит простетическую группу гем и имеет участки связывания для кислорода и субстрата ксенобиотика. Название цитохром Р450 указывает на то что максимум поглощения комплекса...
81544. Металлотионеин и обезвреживание ионов тяжелых металлов. Белки теплового шока 109.86 KB
  Белки теплового шока. Белки теплового шока это класс функционально сходных белков экспрессия которых усиливается при повышении температуры или при другихстрессирующих клетку условиях. Повышение экспрессии генов кодирующих белки теплового шока регулируется на этапе транскрипции. Чрезвычайное усиление экспрессии генов кодирующих белки теплового шока является частью клеточного ответа на тепловой шок и вызывается в основном фактором теплового шока HSF англ.
81545. Токсичность кислорода: образование активных форм кислорода (супероксид анион, перекись водорода, гидроксильный радикал) 132.6 KB
  К активным формам кислорода относят: ОН гидроксильный радикал; супероксидный анион; Н2О2 пероксид водорода. Активные формы кислорода образуются во многих клетках в результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к 1 молекуле кислорода. Конечный продукт этих реакций вода но по ходу реакций образуются химически активные формы кислорода.
81546. Повреждение мембран в результате перекисного окисления липидов. Механизмы защиты от токсического действия кислорода: неферментативные (витамины Е, С, глутатион и др.) и ферментативные (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) 114.75 KB
  Активация перекисного окисления характерна для многих заболеваний: дистрофии мышц болезнь Дюшенна болезни Паркинсона при которых ПОЛ разрушает нервные клетки в стволовой части мозга при атеросклерозе развитии опухолей. Изменение структуры тканей в результате ПОЛ можно наблюдать на коже: с возрастом увеличивается количество пигментных пятен на коже особенно на дорсальной поверхности ладоней. Этот пигмент называют липофусцин представляющий собой смесь липидов и белков связанных между собой поперечными ковалентными связями и...