21452

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения

Лекция

Математика и математический анализ

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения. Будем рассматривать линейные неоднородные уравнения вида 1 Это уравнение сохраняя прежние обозначения запишем в виде Если при в уравнении 1 все коэффициенты и правая часть fx непрерывны то оно имеет единственное решение удовлетворяющее условиям где любые действительные числа а любая точка интервала . Действительно правая часть уравнения 1 В окрестности рассматриваемых...

Русский

2013-08-02

256.5 KB

5 чел.

Лекция 7.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения.

Будем рассматривать линейные неоднородные уравнения вида

                                (1)

Это уравнение, сохраняя прежние обозначения, запишем в виде

 

Если при  в уравнении (1) все коэффициенты  и правая часть f(x) непрерывны, то оно имеет единственное решение, удовлетворяющее условиям

 

где  – любые действительные числа, а  – любая точка интервала .

Действительно, правая часть уравнения

               (1a)

В окрестности рассматриваемых начальных значений удовлетворяет условиям теоремы существования и единственности:

  1.  правая часть непрерывна по аргументам 
  2.  имеет ограниченные частные производные по всем

, т.к. эти производные равны непрерывным по предположению на отрезке [a, b] коэффициентам

На начальные значения  не налагается никаких ограничений.

Из 2-х основных свойств линейного оператора

 

где C=const, следует

  1.  Сумма  решения  неоднородного уравнения

                                                                                 (1)

и решения  соответствующего однородного уравнения L[y]=0 является решением неоднородного уравнения (1).

Доказательство.

                      

но , а , поэтому

 

  1.  Если  является решением уравнения ,

то  является решением уравнения

где  – постоянные.

Доказательство.

                                                                         (2)

но , поэтому 

Это свойство называется принципом суперпозиции. Оно сохраняется и при m, если ряд  сходится и допускает n- кратное почленное дифференцирование, т.к. при этом возможен предельный переход в (2).

3. Если уравнение  где все коэффициенты

 и функции U(x) и V(x) действительные, имеет решение , то действительная  и мнимая часть  решения  являются соответственно решениями уравнений L[y]=U(x); L[y]=V(x).

Доказательство.

                  

т.е.

                   

поэтому 

 Теорема. Общее решение на отрезке  уравнения L[y]=f(x) с непрерывными на этом отрезке коэффициентами и правой частью f(x) равно сумме общего решения  соответствующего однородного уравнения и какого – нибудь частного решения  неоднородного уравнения.

Доказательство. Требуется доказать, что

                                                                    (3)

где  – произвольные постоянные, а  - линейно независимые решения соответствующего однородного уравнения, является общим решением неоднородного уравнения L[y]=f(x).

Принимая во внимание свойство 1) и справедливость для рассматриваемого уравнения теоремы существования и единственности, надо доказать, что подбором постоянных  в (3) можно удовлетворить произвольно заданным начальным условиям.

                                        (4)

где . Требуя, чтобы решение (3) удовлетворяло условию (4), перейдем к системе уравнений

                                             (5)

Эта линейная по отношению к постоянным  система n уравнений с n неизвестными при произвольных правых частях допускает единственность решения, т.к. её определитель, будучи определителем Вронского  линейно независимой системы решений соответственного однородного уравнения с непрерывными коэффициентами отличен от нуля при  что и требовалось  доказать.

Пример.

           .

Одно частное решение y=x. Общее решение соответствующего однородного  уравнения имеет вид

 

Следовательно, общее решение исходного неоднородного уравнения

 

 Метод вариации произвольных постоянных.

 Этот метод применяется для решения неоднородных д. у. с непрерывными коэффициентами. В соответствии с этим методом решение неоднородного д. у. ищется в виде

                                                           (1)

т.е. в общем решении однородного д.у. коэффициенты  полагаются зависящими от x.

Так как подбором функций надо удовлетворить лишь одному уравнению

                                     (2)

То можно потребовать, чтобы эти n функций  удовлетворяли бы ещё каким – нибудь (n-1) уравнениям, которые мы выберем так, чтобы производные функции (1) имели бы по возможности такой же вид, какой они имеют при постоянных .

Итак, поскольку

           

то наложим на  условие 

                     

Тогда

   

Т.е. y имеет такой же вид, как и при постоянных . Теперь т.к.

           

То полагаем

            

Продолжая вычислять производные функции  до (n-1) – порядка включительно и требуя каждый раз обращения в нуль суммы :

                                             (3)

Получим

                                         (4)

В последнем равенстве мы не можем потребовать, чтобы , т.к. функции  уже подчинены (n-1) условиям (3), а надо ещё удовлетворить исходному уравнению (2). Подставляя  из (4) в уравнение (2), получим:

        

                  

Или

                   (5)

Все  являются частными решениями соответствующих однородных уравнений. Поэтому

 

 Таким образом, уравнение (5) принимает вид

 

Итак, функции  определяются из системы n линейных уравнений

                                                               (6)

с отличным от нуля определителем системы

 

Т.к. это – определитель Вронского для линейно независимых решений соответствующего однородного уравнения. Определив из (6) все , квадратурами находим 

Пример.

                       

В соответствии с методом вариации постоянных

                       

Причем  подчинены системе (6)

          

откуда

  т.е.

  т.е. 

Общее решение исходного уравнения, таким образом, имеет вид

 

Итак, знание n линейно независимых частных решений соответствующего однородного уравнения позволяет методом вариации постоянных проинтегрировать неоднородное уравнение

Если же известно лишь m, где m<n, линейно независимых решений  соответствующего однородного уравнения, то с помощью замены переменных можно понизить порядок уравнения до n-m, сохраняя его линейность.

Действительно, положим в уравнении

                                    (7)

                                     ,                                                             (*)

где  – частное решение уравнения (7).

В результате уравнение преобразуется к виду

                               (8)

Причем решению  уравнения (7) в силу (*) соответствует частное решение  уравнения (8). Подставив  в (8), получим . Следовательно, уравнение (8) имеет вид

           

и подстановка  понижает порядок на единицу

 

Подстановка , где  - решение уравнения (7) снижает на единицу и порядок неоднородного уравнения L[y]=f(x), т.к. подстановка не затрагивает правой части уравнения.

 Пример.

   

Метод Коши решения линейного неоднородного уравнения.

Этот метод позволяет найти частное решение уравнения

                                                                        (1)

если известно зависящее от одного параметра решение K(x, t) соответствующего однородного уравнения  удовлетворя-ющее условиям (n2)

                                       (2)

                                                                    (3)

В этом случае

                                                        (4)

Будет частным решением уравнения (1), удовлетворяющим нулевым начальным условиям

                     

Действительно, дифференцируя (4) и принимая во внимание условия (2) и (3), получим

                                            (5)

Подставляя (4) и (5) в уравнение (1), имеем

 

т.к. K(x, t) – решение соответствующего однородного уравнения, т.е. L[K(x, t)]0.

Решение K(x, t) может быть выделено из общего решения  однородного уравнения, если выбрать произвольные постоянные  так, чтобы удовлетворялись условия (2) и (3).

Пример.

Уравнение

                                                                                    (6)

Соответствующее однородное уравнение 

Имеет общее решение

Условия (2) и (3) приводят к следующим уравнениям

     

откуда

 

т.е. искомое решение K(x, t) имеет вид

 

Решение уравнения (6) с нулевыми начальными условиями в соответствии с (4) представимо в виде

 

Функцию K(x, t) называют в литературе функцией влияния.

.

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

34051. Возмещение потерь сельскохозяйственного производства и потерь лесного хозяйства 54 KB
  57 ЗК РФ убытки в полном объеме в том числе упущенная выгода возмещаются землепользователям землевладельцам и арендаторам земельных участков:1 при изъятии земельных участков для государственных или муниципальных нужд;2 в связи с ухудшением качества земель в результате деятельности других лиц;3 при временном занятии земельных участков;4 при ограничении прав собственников земельных участков землепользователей землевладельцев арендаторов.Собственникам земельных участков убытки возмещаются во всех названных случаях кроме случаев изъятия...
34052. Правовой режим земельных участков, на которых находятся объекты недвижимости 128.5 KB
  При этом правовой режим того или иного земельного участка определяется тем для какой цели предназначен данный земельный участок. С этим утверждением не всегда согласны юристы специализирующиеся в области земельного права. В частности основанием для изъятия земельного участка могут например служить факт грубого нарушения правил рационального использования земель или использования земель не по целевому назначению либо случаи когда его использование приводит к существенному снижению плодородия сельскохозяйственных земель либо значительному...
34053. Земля как объект земельных отношений 69 KB
  Земля как объект земельных отношений. Перевод земель или земельных участков это процедура изменения категории земель или земельных участков урегулированная специальными нормативноправовыми актами ФЗ от 21. â€œО переводе земель или земельных участков из одной категории в другую†Земельный кодекс иные федеральные законы и законы субъектов РФ. Решение о переводе земель или земельных участков принимают следующие органы: 1.
34054. Предмет земельного права. Конституционные основы земельного права 27.5 KB
  Предмет земельного права. Конституционные основы земельного права. Предмет метод земельного права. Предмет земельного права В 1917 г.
34055. Принципы земельного права 26 KB
  Принципы земельного права. Принципы земельного права. Принципы это объективно обусловленные характером земельных отношений основополагающие идеи положения отражающие сущность земельного права. Принципы земельного законодательства прямо закреплены в ст.
34056. Понятие, состав и особенности земель ных правоотношений 29.5 KB
  Земельные правовые отношения. Земельноправовые отношения это общественные отношения возникающие в сфере управления использования и охраны земель урегулированные нормами земельного права состоящие во взаимной связи взаимных субъективных прав и юридических обязанностей участников этих отношений. и публичные образования наделенные законодательством юридическим свойством позволяющим им участвовать в земельных правоотношениях. Три группы субъектов в зависимости от единства их правового статуса: Физические и юридические лица они...
34057. Метод и система земельного права 25 KB
  Перечень правовых институтов: институт права собственности на земельные участки; институт землепользования институт иных видов прав на землю помимо права собственности существует иные 5 прав: пожизненное наследственное владение постоянное бессрочное пользование сервитут аренда безвозмездное срочное пользование; институт управления в области использования и охраны земли; институт охраны земель и защиты прав на землю собственников землевладельцев землепользователей арендаторов. В России 7 категорий земель: правовой режим...
34058. Соотношение земельного права с гражданскими и административным правом 63 KB
  Соотношение земельного права с гражданскими и административным правом. РАЗГРАНИЧЕНИЕ НОРМ ЗЕМЕЛЬНОГО ГРАЖДАНСКОГО И ИНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРАВА Вопрос о разграничении сферы действия норм гражданского земельного административного права при регулировании земельных отношений возникает потому что не ко всем хотя и схожим по своей природе земельным отношениям допустимо применение норм иных отраслей права. Известно что применение норм гражданского права значительно расширяется. Применение их бывает не только желательно но и необходимо...
34059. Источники земельного права: понятие, классификация и система 34 KB
  Источники земельного права: понятие классификация и система. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ИСТОЧНИКОВ ЗЕМЕЛЬНОГО ПРАВА Целесообразно вначале хотя бы кратко остановиться на некоторых теоретических вопросах необходимых для дальнейшего усвоения учебного материала. Для надлежащего понимания описываемх институтов земельного права необходимо объяснить понятие источника права вообще и земельного в частности показать возможность их разнообразия и видов в различных странах и в России для того чтобы более осмысленно осуществлять земельноправовые...