21455

Системы линейных дифференциальных уравнений

Лекция

Математика и математический анализ

Системы линейных дифференциальных уравнений. Напомним что достаточными условиями существования и единственности решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений 1 удовлетворяющего начальным условиям 2 являются: непрерывность всех функций в окрестности начальных значений; выполнение условия Липшица для всех...

Русский

2013-08-02

293 KB

7 чел.

Лекция 10.

Системы линейных дифференциальных уравнений.

Напомним, что достаточными условиями существования и единственности решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений

                                                           (1)

удовлетворяющего начальным условиям

                                                  (2)

являются:

  1.  непрерывность всех функций  в окрестности начальных значений;
  2.  выполнение условия Липшица для всех функций  по всем аргументам, начиная со второго, в той же окрестности.

Условие 2)  можно заменить более сильным, но легче проверяемым

Решение системы:  является n - мерной вектор-функцией X(t), а правая часть F – вектор-функция с координатами , т.е. система (1) имеет вид

а начальное условие:

                                         

где  – n - мерный вектор с координатами .

В пространстве () решение X(t) определяет так называемую интегральную кривую, причем при выполнении условий 1) и 2) через каждую точку пространства проходит единственная интегральная кривая.

Если систему свести к уравнению n-го порядка, то это уже не так: в одной точке могут пересекаться интегральные кривые и иметь совпадающие производные до (n-2) – ого порядка. Например:

        

Избавляясь от t, сведем к уравнению II порядка

          ,

т.е. спроецируем пространство 3-х переменных на плоскость (). При этом не пересекающиеся интегральные кривые могут иметь пересекающиеся проекции.

Совокупность интегральных кривых образует n-параметрическое семейство. В качестве параметров этого семейства могут быть взяты, например, начальные значения .

В евклидовом пространстве с прямоугольными координатами  решение  определяет закон движения по некоторой траектории в зависимости от изменения параметра t, который можно считать временем. Тогда  – скорость движения точки, а  – координаты скорости этой точки. Пространство  называют фазовым, а кривую X=X(t) – фазовой траекторией.

Система (1) в заданный момент времени t определяет в пространстве поле скоростей.

Система (1) называется линейной, если все функции  – линейные, т.е. она имеет вид

                                           (3)       

или

                                                                     (4)

подробнее:

            .                         (4а)

Если все функции  и  в (3) непрерывны на отрезке , то в достаточно малой окрестности каждой точки (), где , выполняются условия теоремы существования и единственности, т.к. правые части в (3) непрерывны, а их частные производные по любому  ограничены, т.к. эти частные производные равны непрерывным на  коэффициентам .

Определим линейный оператор L равенством

                

тогда уравнение (4) может быть записано в виде

                                                                             (5)

Если все , т.е. вектор F=0, то система (5) называется линейной однородной. Линейная однородная система имеет вид

                                                                             (6)

Оператор L обладает следующими свойствами:

1)         

где с – произвольная постоянная,

2)       

Действительно,

    

Следствие:

                           

где  – произвольные постоянные.

 Теорема 1. Если X является решением линейной однородной системы   то и cX, с – произвольная постоянная, является решением той же системы.

Доказательство: в силу свойства (1)

                      

 ч.т.д

 Теорема 2. Сумма  двух решений  и  однородной линейной системы дифференциальных уравнений является решением той же системы.

Доказательство: в силу свойства (2)

 

Следствие. Линейная комбинация  с произвольными постоянными коэффициентами решений  линейной однородной системы L[X]=0 является решением той же системы.

 Теорема 3. Если линейная однородная система (6) с действительными коэффициентами  имеет комплексное решение X=U+iV, то действительная и мнимая части

      и        

в отдельности являются решениями этой же системы.

Доказательство: из свойств 1) и 2) оператора L имеем

 L[U+iV]L[U]+iL[V]0

поэтому L[U]0 и L[V]0.

Определение. Векторы , где

                                 

называются линейно зависимыми на отрезке , если существуют постоянные , такие, что

                                                     (7)

при , причем хотя бы одно . Если же (7) справедливо лишь при , то векторы  называются линейно независимыми.

Тождество (7) эквивалентно n тождествам

                   (7а)

Отсюда вытекает

Теорема 4. Если векторы  линейно зависимы, т.е. существует нетривиальная совокупность , удовлетворяющая системе n линейных однородных уравнений (7а), то её определитель   

                        ,

называемый определителем Вронского  для системы векторов , должен быть равен нулю для всех .

 Теорема 5. Если линейно независимые векторы  являются решениями линейной однородной системы (6) с непрерывными на отрезке [a, b] коэффициентами, то определитель Вронского W этой совокупности векторов не может обратиться в нуль ни в одной точке отрезка .

Доказательство. Пусть в некоторой точке  , тогда можно подобрать коэффициенты , такие, чтобы

                                  .

Тогда линейная комбинация  является решением системы (6), удовлетворяющим нулевым начальным условиям . Таким условиям удовлетворяет тривиальное решение , а в силу теоремы единственности этим условиям удовлетворяет только это решение, т.е.  – линейно зависимы, вопреки условию, ч. т. д.

 Замечание. Эта теорема не верна для произвольных векторов , не являющихся решением системы (6) с непрерывными коэффициентами.

 Теорема 6. Линейная комбинация  n линейно независимых решений  линейной однородной системы (6) с непрерывными на отрезке [a, b] коэффициентами  является общим решением системы (6) на этом отрезке.

Доказательство. Так как система удовлетворяет условиям теоремы существования и единственности, то для доказательства теоремы достаточно убедиться, что подбором постоянных  в решении  можно удовлетворить произвольно выбранным начальным условиям где

                                                     .

Векторное уравнение

                                                   

эквивалентно системе

                                                  

                                                  

                                                  ………………..

                                                  

которая разрешима при любых  т.к. ее определитель является определителем Вронского для линейно независимой  системы решений  а потому не обращается в нуль ни в одной точке отрезка  Что и требовалось доказать.

          Теорема 7. Если   является решением линейной неоднородной системы

                                                                                               (5)

а   - решением соответствующей однородной системы  

то сумма    также будет решением неоднородной системы   

Доказательство: 

имеем

                                     

ч. т. д.

          Теорема 8. Общее решение на отрезке  неоднородной системы (5) с непрерывными на том же отрезке коэффициентами  и правыми частями  равно сумме общего решения соответствующей однородной системы и частного решения  рассматриваемой неоднородной системы.

          Доказательство. Условия теоремы существования и единственности выполнены, поэтому для доказательства теоремы достаточно показать, что подбором произвольных постоянных  в решении   можно удовлетворить произвольно заданным начальным условиям

                                                    .

Но уравнение

                                                             

эквивалентное системе

                                                            

                                                                            (8)

                                             ………………..

                                            

всегда имеет единственное решение  при любой правой части, т.к. определитель системы (8) – это Вронскиан для линейно независимых решений  соответствующей однородной системы в точке , а он по теореме 5 отличен от нуля, ч. т. д.

          Теорема 9 (принцип суперпозиции). Решением системы линейных уравнений

                                           

является сумма  решений систем уравнений

                                              

          Доказательство. Имеем

                                    

ч. т. д.

 Замечание. Теорема (9) верна и при , если ряд  сходится и допускает почленное дифференцирование.

Метод вариации постоянных.

Пусть  является при произвольных постоянных  общим решением соответствующей однородной системы с непрерывными коэффициентами

                                                                     (6)

и, следовательно,  - линейно независимые частные решения той же однородной системы. Решение неоднородной системы

                                                                     (9)

будем искать в виде

                 

где  - новые неизвестные функции. Подстановка в уравнение (9) дает

            

или т.к. , получим

                

Последнее уравнение эквивалентно системе

                                                                 (10)

Из этой системы n уравнений с n неизвестными  с определителем W, являющимся определителем Вронского для линейно независимых решений  и, следовательно, отличным от нуля, определяются все :

 

откуда, интегрируя, получим

 

Логарифмирование.

Натуральным логарифмом комплексного числа  называется показатель степени, в которую нужно возвести e, чтобы получилось это число, т.е.

 

если

 

и наоборот. Из последнего равенства следует

 

откуда   k=0,1,…

Т.е.  а

Окончательно

                                             (23)

Натуральный логарифм любого числа имеет бесчисленное множество значений (здесь z=0 – точка ветвления бесконечного порядка). Если мы потребуем, чтобы

         

то получим главное значение логарифма:

 

 Если U и V - два комплексных числа, то положим

        

т.е. комплексная степень комплексного числа имеет бесчисленное множество значений.


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

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

54756. Природа в опасности! Охрана природы 1.36 MB
  Развитие у детей умения осуществлять самоконтроль. Развитие восприятия: Развитие целостности предметности осмысленности восприятия. Развитие речи: Развитие диалогической и монологической речи развитие содержательности понятности и выразительности речи. Развитие памяти: Развитие образной эмоциональной словесно-логической памяти.
54757. Проценты 58 KB
  Цели урока: Формирование у учащихся понятия Процент; умений перевода процентов в дробь и обратно; умений нахождения процента от числа разными способами; Развитие кругозора и математической культуры у учащихся; Воспитание активности аккуратности точности. Тип урока: комбинированный Время проведения: 40 минут Оснащение: опорный конспект заранее приготовленные записи на доске прилагается презентация по теме Ход урока: Этап урока Деятельность учителя Деятельность ученика Организационный момент...
54758. Попит, пропозиція, ціна 94 KB
  Яка залежність між величиною попиту й ціною: пряма чи обернена 3.Чи завжди зі зменшенням ціни збільшується величина попиту 5. Дайте характеристику еластичності попиту за доходом для нижчих і нормальних товарів. Що означають поняття зміна обсягу попиту і зміни що відбулися у попиті 6.
54759. Мягкий знак после шипящих на конце существительных женского рода 46 KB
  Цели урока: Познакомить учащихся с правописанием мягкого знака на конце существительных женского рода 3 склонения. Закреплять и развивать умения и навыки в определении падежей и склонения имен существительных, правописания слов с безударными гласными непроверяемых ударением. Развивать умения работать самостоятельно, делать выводы, рассуждать, получать новые знания. Воспитывать усидчивость, любовь к родному языку, старательность.
54760. Сочинение по картине А. К. Саврасова «Грачи прилетели» 112.5 KB
  Сегодня на уроке мы познакомимся с картиной Алексея Кондратьевича Саврасова Грачи прилетели и будем учиться писать сочинение по этой картине. Какие чувства вызывает у вас эта картина Выслушиваются ответы учащихся Почему картина называется Грачи прилетели История создания картины Первоначальные этюды к картине Грачи прилетели А.
54761. Правила поведения хозяина при приёме гостей и культура гостя 67.5 KB
  Правила поведения хозяина при приёме гостей и культура гостя. Таблички: Хозяин дома должен быть щедрым добрым вежливым. Хозяин дома должен быть приветливым. Хозяин дома должен уметь занять своих гостей.
54762. РОЛЬ ТЕЛЕВИДЕНИЯ В ЖИЗНИ ПОДРОСТКА 108.5 KB
  Good morning, my dear pupils! Good morning, our guests! Today we are having quite an unusual lesson. You see a lot of new faces. But I hope that you’ll feel comfortable at this lesson and together we’ll try to make our lesson useful and interesting. Are you ready for work? Let’s start our English lesson. How are you today? Mary, you look so sad, what’s the matter?
54763. Архитектура ПК 138 KB
  Цель: Овладение принципами действия информационными связями и взаимным соединением основных логических узлов компьютера ознакомление с особенностями построения структуры схемы компьютера. Оборудование: проектор раздаточный материал Образовательные задачи Развивающие задачи Воспитательные задачи...
54764. Энергетические установки подвижного состава 16.46 MB
  Насос работает следующим образом. Масло поступает в подводящий канал А в корпусе насоса и заполняет впадины между зубьями шестерён. При вращении валика ведущая шестерня вращает ведомую.