21456

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Лекция

Математика и математический анализ

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Итак общее решение однородной системы 1 имеет вид 6 причем векторы 7 частные решения системы 1 которые могут быть получены следующим образом. Итак решения линейно...

Русский

2013-08-02

282 KB

5 чел.

Лекция 11.

Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Система дифференциальных уравнений вида

               

или

       

в которой матрица  постоянна, называется линейной системой с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим сначала соответствующую однородную систему

                                                               (1)

или

                        .                                                                  (1a)

В линейной алгебре доказывается следующая

 Теорема. Пусть  - линейный оператор, действующий в n – мерном векторном пространстве V. Существует базис (состоящий из собственных и присоединенных1 векторов оператора ),  в котором матрица A оператора   имеет так называемую каноническую жорданову форму

                    ,                                                (2)

где клетка  представляет собой следующею матрицу (жорданов блок)

                                                                 (3)

размера , причем

                                       ,                                                     (3a)

а  – корень характеристического уравнения

                                                                          (4)

Если все корни  уравнения (4) различны, то матрица A приводится к диагональному виду (все ).

 Пример приведения матрицы к жордановой форме.

Пусть в некотором базисе

 

Характеристическое уравнение

,

следовательно, существуют два линейно независимых собственных вектора , соответствующих собственному значению . Далее,

            ,

следовательно, существует одномерное подпространство, соответствующее собственному значению , т.е. нужен ещё один присоединенный вектор для образования базиса в рассматриваемом пространстве (напомним, что если   корень характеристического уравнения  кратности  а  ранг матрицы , то собственных векторов , а присоединенных ). Поэтому жорданова форма матрицы А будет

.

Пусть В – невырожденная матрица замены базиса, в результате которой матрица A принимает жорданову или диагональную форму. Если через  мы обозначим вектор X в новом базисе, то, как известно

                                                                                               (5)

Подставляя (5) в (1), получим

                                                                                 (1а)

В уравнении (1а) матрица   теперь либо диагональная (в случае различных ), либо жорданова. Рассмотрим сначала случай, когда все корни  уравнения (4) различны. В этом случае система (1а) имеет следующий вид

                                                                              (1б)

Решая уравнение (1б), имеем    где

В соответствии с (5) для вектора X в исходном базисе имеем

                                                        (6)

Векторы

являются, как известно, собственными векторами оператора, соответствующи-ми собственным значениям .

Итак, общее решение однородной системы (1) имеет вид (6), причем векторы

                                  -                                                      (7)                                                

частные решения системы (1), которые могут быть получены следующим образом. Подставим в уравнение (1) выражение (7), в котором  заменим на пока неопределенный параметр . В результате получим

                              

или

                                                                                        (8)

где  – неопределенный пока вектор столбец, I – единичная матрица. Для того чтобы уравнение (8) имело нетривиальные решения (собственный вектор ), необходимо и достаточно, чтобы имело место равенство (4). Найдя корни  характеристического уравнения (4), из (8) найдем соответствующие собственные векторы . В результате получим набор частных решений вида (7). Векторы  в случае различных  линейно независимы. Покажем, что и  также линейно независимы.

Пусть

                              

т.е.

                                                                                              (9)

Тогда в силу линейной независимости функций  на отрезке [a, b] (см. выше), из (9) следовало бы, что

                                                   (10)

Но т.к. при каждом j хотя бы одно из чисел  отлично от нуля, то из (10) следует, что  для .

         Итак, решения  линейно независимы, и общее решение системы (1) имеет вид (6), где  - произвольные постоянные.

Составляющие  вектора  определяются из (8) неоднозначно, т.к. определитель (8) равен нулю, а, следовательно, по крайней мере, одно из уравнений системы (8) является следствием остальных. Эта неоднозначность связана с тем, что решение системы линейных однородных дифференциальных уравнений остается таковым при умножении на произвольный постоянный множитель.

 Комплексному корню характеристического уравнения (4)  соответствует комплексное решение вида (7), которое, если все коэффициенты  действительные, может быть заменено двумя действительными решениями:  и . Комплексно сопряженный корень  не дает новых линейно независимых решений.

Прейдем теперь к случаю, когда уравнение (4) имеет кратные корни. В этом случае, как отмечено выше, матрица A приводится к жордановой форме  (2). При этом в системе (1а) «связанными» оказываются лишь составляющие вектора  в пределах одной жордановой ячейки. Рассмотрим поэтому систему вида

                                      

т.е.

                                                                                 (11)

в которой, как это следует из (3а) , где – кратность корня .

Система (11) легко решается:   

откуда, полагая ,   получаем , т.е.

.

Поступая аналогично, будем иметь   …

                    .           (12)

Таким образом, решение имеет следующий вид

                                                               (12а)

Систему частных решений, получим из (12а), полагая один из коэффициентов , а остальные – нулю. Объединяя эти частные решения в матрицу (Вронского), получим

Определитель Вронского этой системы решений  будет равен

        

Соответствующие частные решения системы (1) в исходном базисе также будут линейно независимы в силу невырожденности матрицы В. Из (12) и (5) следует, что общее решение системы (1) имеет, вообще говоря, следующий вид

                                                                    (13)

причем

                        .              (14)

Из выражений (13) и (14) следует, что на практике для нахождения общего решения системы (1) следует для каждого корня  характеристического уравнения (4) составить выражения вида (14), т.е.

                                                            (14a)

с неопределенными коэффициентами  и подставить их в систему (1). В результате мы получим алгебраическую систему для нахождения . Число неизвестных, остающихся произвольными при решении этой системы, не более кратности корня.

Пример.

                                                 (15)

Характеристическое уравнение

имеет корни:

Поэтому . Подставляя в (15), получим

                                 

откуда: , т.е. .

Для двукратного корня в соответствии с (14а)  

                                   

Подставив в (15) и сокращая на , имеем

          

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях t, получим

                        

Вторая из выписанных систем позволяет определить составляющие собственного вектора матрицы исходной системы дифференциальных уравнений, а первая – присоединенного.

   Из правого столбца, полагая , имеем: . Тогда из левого столбца, полагая , имеем  

                       

Итак, общее решение имеет вид:

     

1) Вектор  называется присоединенным вектором порядка m оператора, соответствующим собственному значению , если , т.е.  – собственный вектор оператора ).

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

77515. Внутривидовые взаимоотношения, опосредованные сигнальными веществами 380.5 KB
  Первая группа вещества участвующие во внутривидовых взаимодействиях: аутотоксины отбросы токсичные для организмапродуцента и не приносящие пользы другим видам; аутоингибиторы адаптации сдерживают численность популяции в таких пределах чтобы она находилась в равновесии с окружающей средой; феромоны выполняют различные функции например половые феромоны общественные феромоны феромоны тревоги и обороны феромоныметчики. К ним можно отнести экохемомедиаторы различного типа: половые феромоны и аттрактанты обнаруженные у грибов...
77516. Межвидовые взаимоотношения, опосредованные сигнальными веществами. Алломоны и кайромоны 547 KB
  Межвидовые взаимоотношения опосредованные сигнальными веществами. К первой группе относятся: метаболиты выделяемые потенциальным грибомхозяином индуцирующие и направляющие рост гиф паразита; вещества выделяемые паразитическим грибом и вызывающие рост гиф хозяина по направлению к колонии микопаразита. Ко второй группе относятся вещества с помощью которых оказывается противодействие паразитам: антифунгальные вещества и антибиотики обладающие антифунгальным действием синтезируются как грибами которые являются непосредственными...
77517. Химические основы коммуникации у человека 461 KB
  Химические основы коммуникации у человека. Вомероназальный орган его происхождение и функции у позвоночных и человека. Феромонная коммуникация у человека. У млекопитающих животных и человека вкусовые органы помещаются главным образом на сосочках языка и отчасти на мягком нёбе и задней стенке глотки.
77518. Предмет изучения курса ХОК. Коммуникация в живой природе 120 KB
  Понятие об общеорганизменной регуляторной химической коммуникации Предмет изучения курса ХОК. Что составляет предмет нашего изучения Сравните: Химические основы коммуникации Основы химической коммуникации Интуитивно понятно что химические основы коммуникации ≠ основы химической коммуникации. Действительно в обоих случаях речь идет о коммуникации. Но в первом мы говорим о химических основах =принципах коммуникации в то время как во втором о химической коммуникации и только на базовом уровне.
77519. Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов: общие представления о структуре микробных колоний и факторах межклеточной коммуникации 285.5 KB
  Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов: общие представления о структуре микробных колоний и факторах межклеточной коммуникации. Общее представление о колониальной организации у микроорганизмов. Общее представление о колониальной организации у микроорганизмов. Эволюцию взглядов на колониальную организацию микроорганизмов можно схематично представить следующей чередой тезисов: прямолинейное уподобление микробной колонии многоклеточному организму; представление о микробной колонии как надорганизменной...
77520. Коммуникативные сигналы бактерий 238 KB
  Коммуникативные сигналы бактерий. Коммуникация у бактерий и в бактериальных образованиях. К числу описанных процессов протекающих лишь при достаточно высокой плотности популяции относятся следующие явления: биолюминесценция у морских бактерий Vibrio fisheri и V.hrveyi; агрегация клеток миксобактерий и последующее формирование плодовых тел со спорами; споруляция у бацилл и актиномицетов; стимуляция роста у стрептококков и ряда других микроорганизмов; конъюгация с переносом плазмид у Enterococcus feclis и родственных видов а также у...
77521. Коммуникация на органно-тканевом и организменном уровне 318.5 KB
  Регуляция процессов пролиферации и апоптоза клеток ткани. Гормоны как и другие сигнальные молекулы обладают некоторыми общими свойствами: выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство; не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии; способны специфически взаимодействовать с клетками имеющими рецепторы для данного гормона; обладают очень высокой биологической активностью эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях около 1061011 моль л. Признаки по которым...
77522. РЕБРИСТЫЕ МОНОЛИТНЫЕ ПЛОСКИЕ ПЕРЕКРЫТИЯ С ПЛИТАМИ БАЛОЧНОГО ТИПА 1.43 MB
  Ребристое перекрытие с плитами балочного типа состоит из плиты, работающей по короткому направлению как неразрезная балка, второстепенных и главных балок (ригелей). Нагрузка через плиту передается на второстепенные балки. Последние передают ее на главные балки, которые опираются на колонны.
77523. Классификация бетонов 1.04 MB
  К прочностным свойствам относятся нормативные и расчетные характеристики бетона при сжатии и растяжении сцеплении бетона с арматурой; к физическим водонепроницаемость морозо-жаростойкость коррозионная стойкость огнестойкость; к деформативным сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой ползучесть и усадка набухание и температурные деформации. Физико-механические свойства зависят от способа изготовления бетона и материалов и определяются структурой бетона и условиями твердения. Классификация бетона: Бетоны классифицируются по...