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

5675. Теорія алгоритмів і основи представлення знань 339 KB
  Вступ. Інтуїтивне поняття алгоритму. Поняття алгоритму інтуїтивно зрозуміло і часто використовується в математиці. Додавання і множення чисел стовпчиком, що відомо ще зі школи, формула обчислення коренів квадратного рівняння,...
5676. Економіка підприємств. Курс лекцій 1.59 MB
  Підприємство як суб'єкт господарювання Введення, предмет та завдання дисципліни. Галузева структура народного господарства України. Загальна характеристика підприємств. Структура управління підприємством. Зовнішнє середовищ...
5677. Економічна теорія (Економіка). Конспект лекцій 1.06 MB
  Загальні основи економічної теорії Тема 1.1 Економічна теорія: предмет і методи пізнання 1. Поняття економіки як системи економічних знань. Обмеженість ресурсів та безмежність потреб. Предмет курсу економічної теорії. Мета і функції економі...
5678. Історія економіки та економічної думки. Предмет і метод історії економіки та економічної думки 1.3 MB
  Предмет і метод історії економіки та економічної думки Поява історії економіки та економічної думки як самостійної учбової дисципліни в учбових планах і програмах провідних вузів України та країн Західної Європи було обумовлено необхідністю...
5679. Психологія. Конспект лекцій. Предмет і методи психології 273.5 KB
  Передмова Курс Психологія являє собою складову частину загальногуманітарної підготовки студентів. Психологія - одна з найцікавіших у світі наук. Саме психологія дає змогу відшукати відповіді на життєво важливі питання: як і чому люди думають,...
5680. Релігієзнавство. Курс лекцій. Релігія та суспільство 85.25 KB
  Лекція 1. Релігія та суспільство Поняття та сутність релігії: а) богословсько-теологічне дослідження релігії б) філософський аналіз релігії в) наукові теорії дослідження релігії. Виникнення релігії: а) формування релігійних уявле...
5681. Охорона праці в галузі. Конспект лекцій 636.5 KB
  Основні поняття організації охорони праці в галузі Виробниче середовище - частина техносферы, що володіє підвищеною концентрацією негативних чинників. Основними носіями травмуючих і шкідливих чинників у виробничому середовищі є машини і т...
5682. Основи замлевпорядкування та кадастру. Курс лекцій 2.09 MB
  Нормативно-правові основи землевпорядкування та кадастру Нормативно-правове підгрунтя в системі землевпорядкування та кадастру за нормами міжнародного права Національна система законодавства в галузі землевпорядкування та ...
5683. Інформаційно-аналітична діяльність. Наукова обробка документів 677.5 KB
  Обсяг і зміст матеріалу, що увійшов до конспекту лекцій відповідають вимогам робочої програми з дисципліни Інформаційнно - аналітична діяльність. Конспект лекцій містить мету і завдання дисципліни, програму курсу. У кінці конспекту лекцій пода...