23031

Побудова матричної функції Гріна та інтегральної моделі динаміки систем з розподіленими параметрами в необмеженій просторово-часовій області

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

Функція Гріна динаміки систем з розподіленими параметрами в необмежених просторовочасових областях.10 а також з того що шукана матрична функція Gss' є розв’язком рівняння 1.1 де визначені вище матричні диференціальні оператори та матрична функція одиничного джерела. А це означає що матрична функція відповідає фізичному змісту задачі а розв’язок її дійсно представляється співвідношенням 1.

Русский

2013-08-04

249.5 KB

2 чел.

17

        Стоян В.А.

Лекція 2. Побудова матричної функції Гріна та інтегральної моделі динаміки  систем з розподіленими параметрами в необмеженій просторово-часовій області

              

2.1. Функція Гріна динаміки систем з розподіленими параметрами в необмежених просторово-часових областях. Розглянемо методику побудови функції Гріна  системи (1.1) в необмеженій просторово-часовій області . При цьому будемо виходити з представлення вектор-функції стану y(s) у вигляді (1.9), (1.10), а також з того, що шукана матрична функція G(s-s') є розв’язком рівняння (1.1), який відповідає зосередженим просторово-часовим збуренням одиничної інтенсивності, тобто випадку, коли

u(s)=col((s-s'),  i=).

Якщо позначити через

U(s)=(u(l)(s), l=);

Y(s)=(, l=),

де

то матимемо, що

,

а

                           (2.1)

де - визначені вище матричні диференціальні оператори та матрична функція одиничного джерела.

А це означає, що матрична функція відповідає фізичному змісту задачі, а розв’язок її дійсно представляється співвідношенням (1.9).

Для розв’язання (2.1) будемо виходити з того, що 

                                                      (2.2)

а

                                (2.3)

Звідки для всякої аналітичної функції отримуємо

                                   (2.4)

                             

де   .

З врахуванням (2.4) для рівняння (1.10) в необмеженій  просторово-часовій області  маємо

    (2.5)

де

Позначивши через  функцію  спряжену  до , з (2.5) знаходимо

               (2.6)

де  

Поширюючи співвідношення (2.4), (2.5) на систему (1.1) знаходимо, що функція Гріна цієї системи в необмеженій  просторово-часовій області  може бути подана у вигляді

   (2.7)

Запис (2.7) для функції Гріна спрощується , якщо модель (1.1) динаміки системи записується співвідношенням

                                     (2.8)

де   .

Покладаючи на заміну (2.2)

та враховуючи, що

              

функцію Гріна системи (2.8) запишемо у вигляді

                                   (2.9)

2.2. Інтегральна модель динаміки систем з розподіленими параметрами в необмеженій просторово-часовій області. Будемо виходити з того, що

                              (2.10)

З врахуванням (2.10) та співвідношень (2.1), (2.3) робимо висновок, що диференціальну модель (1.1) в необмеженій  просторово-часовій області  можна замінити наступною інтегральною:

,

де - функція Гріна, визначена нами  в (2.7).

2.3. Приклади. Проілюструємо використання запропонованої вище методики побудови функції Гріна та розвязків задач динаміки систем з розподіленими параметрами до побудови розвязків деяких класичних рівнянь.

Приклад 1. Гармонічне рівняння

                                    (2.11)

Виходячи з (2.8) та враховуючи обмеження на  розв’язок рівняння (2.11) знаходимо у вигляді

що повністю узгоджується з розв’язком задачі, отриманим класичними методами.

Приклад 2. Розглянемо задачу знаходження прогину нескінченного по довжині пружного стержня на пружній основі, який завантажений розподіленими навантаженнями . Функція прогину такого стержня задовільняє рівнянню:

                                                   (2.12)

де  (-коефіцієнт постелі основи, - модуль пружності, - момент інерції поперечного перерізу стержня).

Згідно (2.8) отримуємо

                                                  (2.13)

Приклад 3. Розглянемо задачу про коливання струни, зміщення точок якої визначається рівнянням

                                      (2.14)

де  - задана константа.

Згідно (1.7), (2.8)

Звідки

                                                   (2.15)

Неважко перевірити, що розв’язок (2.15) задовільняє рівнянню (2.14) та нульовим початковим умовам.

Розглянем ілюстрацію розвязку (2.15) для деяких найпростіших випадків функції .

Випадок 1. Якщо

                                                                (2.16)

де  -дельта-функція Дірака, то

                 (2.17)

Розвязок (2.17) добре ілюструє процес поширення (зі швидкістю ) зосередженого силового імпульсу (2.16) в обидва боки від точки  його прикладання.

Випадок 2. Якщо

                                          (2.18)

де –задана функція, то

                                                     (2.19)

Аналізуючи (2.19) бачимо, що на динаміку точки  в момент часу   впливають тільки збурення  , координата  прикладання яких задовольняє умові  , що теж добре узгоджується з хвильовим принципом поширення збурення (2.18) розглядуваної струни.

Випадок 3. Якщо для

                      (2.20)

де   - задана функція, то

                                                        (2.21)

Аналіз (2.21) засвідчує, що на динаміку точки  в момент часу  зосереджене збурення (2.20) інтенсивності  впливає тільки за умови, коли хвильовий процес, викликаний ним, дійде до точки  , що добре узгоджується з фізикою розглядуваного процесу.

Приклад 4. Якщо замість струни взяти пружний стержень, то

поперечні коливання його будуть описуватися рівнянням                                                          (2.22)

де    відхилення осьової лінії стержня в точці    для  - задана константа, а  - зовнішня збурююча сила.

Для цього випадку згідно з (1.7), (2.8)

де

                                                  (2.23)

Зауважимо, що побудова розвязку (2.2) справа не проста і в літературі такі розвя’зки знаходимо, як правило, тільки для частинних випадків зовнішніх сил .

Наведені приклади ілюструють ефективність викладеного вище підходу до побудови розвязку диференціальних рівнянь в частинних похідних для необмежених часово-просторових областей.

16

Курс лекцій по моделюванню динаміки систем з розподіленими параметрами


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81582. Физиологически активные пептиды мозга 109.08 KB
  Нейропептиды осуществляют контроль за экспрессией вторичных клеточных мессенджеров, цитокинов и других сигнальных молекул, а также за запуском генетических программ апоптоза, антиапоптозной защиты, усиления нейротрофического обеспечения. Такие регуляторные (модуляторные) влияния устраняют общую дезинтеграцию во взаимодействии сложных и часто разнонаправленных молекулярно-биохимических механизмов
81583. Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи 106.91 KB
  Обмен веществ и энергии иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи. Она изучает химическую природу веществ входящих в состав живых организмов их превращения а также связь этих превращений с деятельностью клеток органов и тканей и организма в целом. Из этого определения вытекает что биохимия занимается выяснением химических основ важнейших биологических процессов и общих путей и принципов превращений веществ и энергии лежащих в основе разнообразных проявлений жизни. Важнейшим...
81584. Гетеротрофные и аутотрофные организмы: различия по питанию и источникам энергии. Катаболизм и анаболизм 106.04 KB
  Живые клетки постоянно нуждаются в органических и неорганических веществах а также в химической энергии которую они получают преимущественно из АТФ АТР. Гетеротрофы например животные и грибы зависят от получения органических веществ с пищей. Так как большая часть этих питательных веществ белки углеводы нуклеиновые кислоты и липиды не могут утилизироваться непосредственно они сначала разрушаются до более мелких фрагментов катаболическим путем. Процесс обмена веществ определяется двумя сопряженными процессами: анаболизма и...
81585. Многомолекулярные системы (метаболические цепи, мембранные процессы, системы синтеза биополимеров, молекулярные регуляторные системы) как основные объекты биохимического исследования 103.39 KB
  Метаболическая цепь состоящая из реакций протекающих внутри одной системы называется внутренней. Следствием такого пересечения является возникновение метаболической сети биологической системы. Молекулярные регуляторные системы системы направленные на поддержание гомеостаза.
81586. Уровни структурной организации живого. Биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни. Биохимия и медицина (медицинская биохимия) 105.42 KB
  Биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни. Жизнь имеет следующие уровни организации: Молекулярный уровень отражает особенности химизма живого вещества а также механизмы и процессы передачи генной информации Клеточный и субклеточный уровни отражают особенности специализации клеток а также внутриклеточные структуры. Организменный и органнотканевый уровни отражают признаки отдельных особей их строение физиологию поведение а также строение и функции органов и тканей живых существ Популяционновидовой уровень ...
81587. Основные разделы и направления в биохимии: биоорганическая химия, динамическая и функциональная биохимия, молекулярная биология 103.21 KB
  Биохимия включает в себя: Биоорганическая химия изучает вещества лежащие в основе процессов жизнедеятельности в непосредственной связи с познанием их биологической функции. Основные объекты БОХ биополимеры превращения которых составляют химическую сущность биологических процессов и биорегуляторы которые химически регулируют обмен веществ. БОХ занимается получением этих веществ в химически чистом состоянии установлением строения синтезом выяснением зависимостей между строением и биологическими свойствами изучением химических...
81588. История изучения белков. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека 111.39 KB
  Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана Фуркруа и других учёных в которых было отмечено свойство белков коагулировать денатурировать под воздействием нагревания или кислот. Голландский химик Геррит Мульдер провёл анализ состава белков и выдвинул гипотезу что практически все белки имеют сходную эмпирическую формулу. Мульдер также определил продукты разрушения белков аминокислоты и для одной из них лейцина с малой долей погрешности определил молекулярную...
81589. Аминокислоты, входящие в состав белков, их строение и свойства. Пептидная связь. Первичная структура белков 123.13 KB
  αАминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот у которых один водородный атом у αуглерода замещен на аминогруппу NH2. Аминокислоты будут отличаться друг от друга химической природой радикала R представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты связанную с αуглеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка. Почти все αамино и αкарбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот...
81590. Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры белков (инсулины разных животных) 103.07 KB
  Видовая специфичность первичной структуры белков инсулины разных животных. Стабильность первичной структуры обеспечивается в основном главновалентными пептидными связями; возможно участие небольшого числа дисульфидных связей. В некоторых ферментах обладающих близкими каталитическими свойствами встречаются идентичные пептидные структуры содержащие неизменные инвариантные участки и вариабельные последовательности аминокислот особенно в областях их активных центров.