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

33396. Признаки регистра ССП КР1816ВЕ51 38.5 KB
  В таблице приводится перечень флагов ССП даются их символические имена и описываются условия их формирования. Формат регистра слова состояния программы ССП Символ Позиция Наименование и назначение флага C PSW.7 Флаг переноса.6 Флаг вспомогательного переноса.
33397. Граф возможных вариантов пересылки … КР1816ВЕ51 31 KB
  Возможны следующие виды пересылки: пересылка в аккумулятор из регистра и пересылка в регистр из аккумулятор; пересылка в аккумулятор прямоадресуемого байта и пересылка по прямому адресу аккумулятора; пересылка в аккумулятор байта из РДП и пересылка в РДП из аккумулятора; пересылка в регистр прямоадресуемого байта и пересылка по прямому адресу регистра; пересылка прямоадресуемого байта по прямому адресу; пересылка в аккумулятор байта из ВПД и пересылка в ВПД из аккумулятора; пересылка в аккумулятор байта из расширенной ВПД и пересылка в...
33398. Структура РПП и ВПП КР1816ВЕ51 28.5 KB
  Организация памяти в микроконтроллере иллюстрируется рисунке Память программ имеет 16битовую адресную шину ее элементы адресуются с использованием счетчика команд PC или инструкций которые вырабатывают 16разрядные адреса. Память программ доступна только по чтению. ОМЭВМ не имеют команд и управляющих сигналов предназначенных для записи в память программ.
33399. Структура РПД и ВПД КР1816ВЕ51 27.5 KB
  Организация памяти в микроконтроллере иллюстрируется рисунке Память данных делится на внешнюю и внутреннюю каждая из них имеет свое пространство адресов. В архитектуре MК51 пространство адресов внутренней памяти данных объединяет все внутренние программно доступные ресурсы. Это пространство размером 256 байт в свою очередь делится на пространство адресов внутреннего ОЗУ резидентная память данных РПД размером 128 байт и пространство адресов регистров специальных функций.
33400. Порты ввода-вывода КР1816ВЕ51 34.5 KB
  Каждый порт содержит управляемые регистрзащелку входной буфер и выходной драйвер. Выходные драйверы портов 0 Р0 и 2 Р2 а также входной буфер Р0 используются при обращении к внешней памяти ВПП и ВПД.5 Вход таймера счетчика 1 или тест вход.4 Вход таймера счетчика 0 или тест вход.
33401. Таймер/Счетчики КР1816ВЕ51 30 KB
  Для управления режимами работы Т С и для организации взаимодействия таймеров с системой прерывания используются два регистра специальных функций РРТС и РУСТ. РРТС определяет включение и выключение T C а также их режимы работы. Используются четыре режима работы Т С. Режим 0.
33402. Образ организации-работодателя 15.43 KB
  Профиль восприятия или имидж предприятия как работодателя в персоналмаркетингеmix называют персоналимиджем personlimge. Персоналимидж организации управляет поведением кандидата на наем ищущего работу. Сначала персоналимидж влияет на решение кандидата: можно ли вообще рассматривать организацию как работодателя. Если организация в итоге потенциальной для найма определяется то персоналимидж свое решающее влияние может оказать на претендента в процессе собеседования в результате которого у кандидата на должность сформируется...
33403. КОНСТРУКТИВНЫМ КОНФЛИКТ 45 KB
  Чтобы конфликт начал разрастаться нужен инцидент т. По значению конфликты делятся на конструктивные созидательные и деструктивные неконструктивные разрушительные. КОНСТРУКТИВНЫМ КОНФЛИКТ бывает тогда когда оппоненты имея собственную позицию не выходят за рамки этических норм деловых отношений и разумных аргументов.
33404. Етикет подарка 35.5 KB
  Ваш подарок может и должен зависеть от характера Ваших отношений с тем кому Вы собираетесь его преподнести. Такой подарок разрушает имидж слабого пола . В портмоне или кошелек надо обязательно положить монетку иначе подарок сулит безденежье. Этот подарок может смутить и вызвать неприятные ощущения если будет подарен в присутствии смешанной компании.