21451

Линейные дифференциальные уравнения n-ого порядка

Лекция

Математика и математический анализ

Если при то на этом отрезке однородное уравнение 1 эквивалентно следующему 2 где. Уравнение 2 запишем также в виде 2 Если коэффициенты непрерывны на отрезке [b] то в окрестности любых начальных значений где любая точка интервала x b удовлетворяется условие теоремы существования и единственности см. функции ...

Русский

2013-08-02

230 KB

20 чел.

Лекция 6.

Линейные дифференциальные уравнения n-ого порядка.

      Уравнение вида

                        (1)

линейное относительно неизвестной функции и её производных, называется линейным дифференциальным уравнением n – ого порядка.

Если правая часть (x)0, при axb, то уравнение называется линейным однородным.

Если  при axb, то на этом отрезке однородное уравнение (1) эквивалентно следующему

                                      (2)

где . Уравнение (2) запишем также в виде

                                                       (2a)

Если коэффициенты  непрерывны на отрезке [a,b], то в окрестности любых начальных значений

          

где  – любая точка интервала a<x<b, удовлетворяется условие теоремы существования и единственности (см. лекцию 3).

Действительно, правая часть (2а) непрерывна по совокупности аргументов и существуют  ограниченные по модулю частные производные, т.к. функции  - непрерывны на отрезке [a,b] и, следовательно, ограничены по модулю. Таким образом, функция  удовлетворяет условию Липшица по всем переменным, начиная со второй.

Запишем линейное однородное уравнение

      

коротко в виде , где

                -

линейный дифференциальный оператор (линейное дифференциальное выражение).

Линейный дифференциальный оператор обладает свойствами:

1.

т.к. 

              

2.

т.к. 

Из 1) и 2) следует, что

где  – постоянные.

Опираясь на свойства линейного оператора L, установим ряд теорем о решениях линейных однородных дифференциальных уравнений (л. о. д. у.).

Теорема 1.

Если  является решением л. о. д. у.  , то и  , где С – произвольная постоянная, является решением того же уравнения.

Доказательство. В соответствии со свойством 1):

 , ч.т.д.

Теорема 2.

Сумма  решений л. о. д. у. L[y]=0 является решением того же уравнения.

Доказательство. Воспользуемся свойством 2)

ч. т. д.

Следствие. Линейная комбинация с произвольными постоянными коэффициентами  решений  л. о. д. у. L[y]=0 является решением того же уравнения.

Теорема 3.

Если л. о. д. у. L[y]=0 с действительными коэффициентами  имеет комплексное решение , то его действительная U(x) и мнимая V(x) части в отдельности являются решениями того же уравнения.

Доказательство. Используя свойства 1) и 2) имеем:

                

откуда L[U]0, L[V]0, т.к. комплексная величина тождественно равна нулю, тогда и только тогда, когда ее действительная и мнимая части тожественно равны нулю.

 Определение. Функции  называются линейно зависимыми (предполагается, что ни одна из функций  тождественно не равна нулю на [a,b]) на некотором отрезке axb если существуют постоянные числа  такие, что на этом отрезке

      ,                                     (3)

причем хотя бы одно .

Если тождество (3) справедливо лишь при , то функции  называются линейно независимыми на отрезке axb.

Пример 1.

Функции  линейно независимы на любом отрезке [a,b], т.к. тождество

 

возможно лишь, если все . Если  хотя бы одно , то слева стоял бы многочлен степени не выше n, который может иметь не более n различных корней и, следовательно, обращаться в нуль не более чем в n точках отрезка.

Пример 2.

Функции , где , если ij, линейно независимы на любом отрезке axb.

Допустим, что эти функции линейно зависимы, т.е.

,   

причем не все  равны нулю. Пусть, например, . Разделим тождество на , а результат продифференцируем, получим

Продолжая эту процедуру (т.е. деля на  и дифференцируя и т.д.) (n-1) раз, получим

         

что невозможно, т.к.  при ij, а  по предположению, т.к. в качестве  можно выбрать любой коэффициент, то свойство доказано.

Теорема 4.

Если функции  линейно зависимы на отрезке , то на этом  отрезке определитель Вронского

тождественно равен нулю.

Доказательство. Дано, что

                                                                     (4)

На отрезке [a,b], примем не все  равны нулю. Дифференцируя тождество (4) (n-1) раз, получим

                                                    (5)

Эта линейная алгебраическая система имеет нетривиальное решение (по предположению) при любом x[a,b]. следовательно, её определитель, являющийся определителем Вронского, тождественно равен нулю при  x[a,b], ч. т. д.

Теорема 5.

Если линейно независимые функции  являются решениями  л. о. д. у.

                                              (6)

c непрерывными на отрезке  коэффициентами , то определитель Вронского этой системы функций не может обратиться в нуль ни в одной точке отрезка.

 

Доказательство. Пусть в некоторой точке  отрезка [a,b] определитель Вронского . Выберем постоянные  так, чтобы удовлетворялась система уравнений. Рассмотрим систему алгебраических уравнений:

                      (7)

и чтобы не все  равнялись нулю. Это всегда возможно, т.к. опре-делитель системы (7) равен нулю, т.е. нетривиальное решение системы (7). При таком выборе  линейная комбинация

 

Будет решением л. о. д. у. (6), удовлетворяющим, в силу уравнений системы (7), нулевым начальным условиям

                                                   (8)

Таким условиям, очевидно, удовлетворяет тривиальное решение y=0 уравнения (6) и по теореме единственности начальным условиям (8) удовлетворяет только это решение. Следовательно,  и решения , вопреки условию теоремы, линейно зависимы.

 Замечание 1. Из теорем 4 и 5 следует, что линейно независимые на отрезке [a,b] решения  уравнения (6) линейно независимы и на любом отрезке .

 Замечание 2. В теореме 5, в отличие от теоремы 4 предполагалось, что функции  являются решениями л. о. д. у. (6) с непрерывными коэффициентами. Отказаться от этого требования и считать функции  произвольными (n-1) раз непрерывно дифференцируемыми нельзя. Легко привести примеры линейно независимых функций, не являющихся решениями уравнения (6) с непрерывными коэффициентами, для которых определитель Вронского не только обращается в нуль в некоторых точках, но даже тождественно равен нулю.

Теорема 6.

Общим решением при  л. о. д. у.

                                     (6)

с непрерывными на отрезке [a,b] коэффициентами , i=1,2,..,n, является линейная комбинация  из n линейно независимых на том же отрезке частных решений  с произвольными постоянными коэффициентами .

Доказательство. Уравнение (6) при x[a,b] удовлетворяет условиям теоремы существования  и единственности. Поэтому решение  при  будет общим, т.е. будет содержать все частные решения, если удастся подобрать произвольные постоянные  так, чтобы удовлетворялись произвольно заданные начальные условия

                                   (9)

где  - любая точка (a,b).

Из условия (9) получим систему n линейных относительно ,  i=1,..,n уравнений

                      

с n неизвестными , определитель которой отличен от нуля, т.к. это определитель Вронского  для n линейно независимых решений уравнения (6). Следовательно, эта система разрешима (и однозначно) относительно  при любом выборе  и при любых правых частях.

 Следствие. Максимальное число линейно независимых решений однородного линейного дифференциального уравнения равно его порядку.

 Замечание. Любые n линейно независимые частные решения л. о. д. у. n – ого порядка называются его фундаментальной системой решений.

      Для построения  фундаментальной системы решений произ-вольно зададим  чисел

 

Подчинив их лишь условию

      

где  любая точка (a,b). Тогда решения , определяемые начальными значениями  образуют фундаментальную систему, т.к. их определитель Вронского W(x) в точке  отличен от нуля и, следовательно, в силу теорем 4 и 5 решения  линейно независимы.

EMBED Photoshop.Image.5 \s

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

30121. Наследственные и врожденные болезни 15.44 KB
  Наследственные и врожденные болезни: НАСЛЕ́ДСТВЕННЫЕ БОЛЕ́ЗНИ патологические состояния организма обусловленные изменениями генетического материала мутациями. В широком смысле термин наследственные болезни включает не только хромосомные и генные болезни вызываемые соответствующими мутациями но и мультифакториальные болезни развитие которых связано с взаимодействием нормальных полиморфных генов формирующих предрасположенность к заболеванию с факторами внешней среды. Условно к наследственным болезням можно также отнести болезни...
30122. Методы диагностики наследственных болезней 29.39 KB
  Методы диагностики наследственных болезней: 1.Генеалогический метод диагностики наследственных болезней один из важнейших методов в генетике он представляет собой систему изучения заболеваемости в роду с составлением соответствующей родословной. В настоящее время известно более 50 наследственных заболеваний связанных с полом.Биохимикогенетические методы диагностики наследственных болезней исследования широко применяются в диагностике наследственных заболеваний обмена веществ и других форм.
30123. Хромосомные синдромы 19.27 KB
  Хромосомные синдромы: Хромосомные синдромы с числовыми нарушениями аутосом: Синдром Дауна трисомия по хромосоме 21 одна из форм геномной патологии при которой чаще всего кариотип представлен 47хромосомами вместо нормальных 46 поскольку хромосомы 21й пары вместо нормальных двух представлены тремя копиями трисомия см. Существует ещё две формы данного синдрома: транслокация хромосомы 21 на другие хромосомы чаще на 15 реже на 14 ещё реже на 21 22 и Yхромосому 4 случаев и мозаичный вариант синдрома 5 . Синдром получил...
30124. Кариотип 17.21 KB
  Кариотип это совокупность признаков полного набора хромосом соматических клеток организма на стадии метафазы III фаза деления клетки их количество размер форма особенности строения. Исследование кариотипа проводят методом световой микроскопии с целью выявления патологии хромосом. Чаще всего это исследование проводят у детей для выявления заболеваний обусловленных нарушениями в хромосомах и у супругов при бесплодии или привычном невынашивании беременности. Выявление хромосомных перестроек в этом случае позволяет установить причину...
30125. Генетический контроль синтеза ферментов 16.67 KB
  Генетический контроль синтеза ферментов. Однако под действием некоторых сигналов синтез индуцибельных ферментов повышается. coliв присутствии лактозы образуется ряд ферментов участвующих в катаболизме этого дисахарида. Репрессор связывается со специфическим участком ДНК и блокирует транскрипцию генов ответственных за синтез определенных ферментов.
30126. Создание устройства для дистанционного мониторинга основных физиологических показателей человека, программного обеспечения для регистрации частоты сердечных сокращений и температуры тела 3.2 MB
  Устройство для дистанционного мониторинга физиологических показателей человека позволяет удалённо следить за температурой и частотой пульса пациента. Устройство закрепляется на внутренней стороне плеча, что позволяет точнее измерять температуру.
30127. Разработка аппарата коррекции речи, который использует такие методы лечения заикания как «метроном» и «задержанная акустическая связь» 2.4 MB
  Благодаря речи индивидуальное сознание каждого человека, не ограничиваясь личным опытом, собственными наблюдениями, питается и обогащается результатами общественного опыта: наблюдения и знания всех людей становятся или могут благодаря речи стать достоянием каждого. Огромное многообразие стимулов, которое получает благодаря этому человек, дало мощный толчок для дальнейшего развития его мозга
30128. Микро- и наноэлектроника. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ 835 KB
  ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Дипломное проектирование по специальности Микро и наноэлектроника является заключительным этапом обучения студента в университете и имеет следующие цели: систематизацию закрепление и расширение теоретических и практических знаний по специальности применение этих знаний при решении конкретных научных технических экономических и производственных задач; развитие навыков ведения самостоятельной работы и овладение методикой исследования и экспериментирования при решении разрабатываемых в...
30129. Исследование методов позиционирования, а так же разработка устройства для дистанционного мониторинга технических объектов, транспортных средств и человека 873.95 KB
  Одним из основных компонентов системы позиционирования является устройство под названием GPSтрекер.4 Применение систем навигации Кроме навигации координаты получаемые благодаря спутниковым системам используются в следующих отраслях: Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек Картография: системы навигации используется в гражданской и военной картографии Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская так и дорожная навигация Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем...