Реферат Теория линейных обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
содержание
введение.................................................................................................... 4
1. Линейное уравнение первого и второго порядка............. 6
1.1 Линейное уравнение первого порядка................................................. 6
1.2 Основные свойства линейного уравнения с постоянными коэффициентами 11
2. ЛИНЕЙНОЕ УРАВНЕНИЕ n-го ПОРЯДКА............................................ 22
2.1. Общие свойства линейного уравнения n-го порядка....................... 22
2.2. Однородное линейное уравнение n-го порядка................................ 27
2.3 Неоднородное линейное уравнение n-го порядка............................. 32
2.4 Линейное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами 36
3. Системы линейных уравнений. Общая теория.................. 46
3.1. Системы линейных уравнений.......................................................... 46
3.2. Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами................................................................................... 55
Заключение............................................................................................ 63
Библиография........................................................................................ 64
Приложение............................................................................................ 65
введение
Актуальность этой темы заключается в том, что многие вопросы физики, химии, экономики, техники и других областей знаний сводятся к следующей задаче: найти функцию ¦, имея некоторые уравнения, в которое кроме этой функции и аргументов, от которых она зависит, входят также ее производные до некоторого порядка включительно. Такие уравнения называются дифференциальными уравнениями. Т.е. многие вопросы этих областей знаний решаются с помощью дифференциальных уравнений.
Уравнения, содержащие производные по многим независимым переменным, называются уравнения в частных производных. Уравнения, cодержащие производные лишь по одной из независимых переменных, называются обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Независимую переменную, производная по которой входит в обыкновенное дифференциальное уравнение, обычно обозначают буквой x (или буквой t, поскольку во многих случаях роль независимой переменной играет время). Неизвестную функцию обозначают через y(x).
Обыкновенное дифференциальное уравнение можно записать в виде соотношения
Порядок старшей производной, входящей в это уравнение называется порядком уравнения. Процесс нахождения решения дифференциального уравнения называется интегрированием дифференциального уравнения.
Целью данной дипломной работы является подготовка материалов для методического пособия по теории линейных обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.
Задачами исследования были: изучение и анализ линейных обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами; рассмотрение свойств уравнений первого, второго и n-го порядков и свойств системы линейных уравнений; рассмотрение методов решения линейных однородны и неоднородных дифференциальных уравнений и применение их при решении физических задач, а также систем линейных дифференциальных уравнений..
Предметом исследования работы: являются линейные обыкновенных дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами и системы линейных уравнений.
Объектом исследования работы являются реальные процессы, описываемые данными дифференциальными уравнениями.
1. Линейное уравнение первого и второго порядка
1.1 Линейное уравнение первого порядка
Уравнение называется линейным, если оно линейно относительно неизвестной функции и её производных. Линейное уравнение первого порядка имеет вид
Если
приводится к уравнению с разделяющимися переменными
общий интеграл которого имеет вид
а общее решение –
где
Из (1.1.4), записывая первообразную
Заметим, что по самому способу построения формула (1.1.5) является доказательством единственности решения начальной задачи для уравнения (1.1.2), в предложении, что это решение существует. Действительно, подставляя любое решение начальной задачи в уравнение (1.1.2) и проводя последовательно преобразования (1.1.3) – (1.1.5), мы всегда придём к одному и тому же результату – формуле (1.1.5). Чтобы доказать существование решения данной задачи, достаточно путём достаточно путём непосредственной проверки убедится, что для непрерывной функции
Решение линейного неоднородного уравнения (1.1.1) найдём методом вариации постоянной, который состоит в том, что мы используем специальную замену неизвестной функции
где
откуда
интегрируя это равенство, найдём
и окончательно
Из полученного выражения следует, общее решение линейного неоднородного уравнения (1.1.1) представляется в виде суммы общего решения (1.1.4) линейного однородного уравнения (1.1.2) и частного решения неоднородного уравнения (1.1.1), в чём легко убедится, подставив второе слагаемое формулы (1.1.7) в неоднородное уравнение (1.1.1).
Решение начальной задачи
Тогда
т.е.
Таким образом, искомое решение определяется как сумма решения однородного уравнения (1.1.2), удовлетворяющего заданному начальному условию
Представление (1.1.8) получено в предложении существования решения. Оно доказывает единственность решения начальной задачи для неоднородного уравнения (1.1.1)
Существование решения начальной задачи для уравнения (1.1.1) при непрерывных функциях
Замечание. Единственность решения этой задачи можно установить, пользуясь также следующими рассуждениями, характерными вообще для линейных задач. Предположим, что существуют два различных решения начальной задачи
Отсюда, в силу единственности решения начальной задачи для линейного однородного уравнения, следует, что
Получим важную оценку роста решения начальной задачи для линейного уравнения. Пусть в уравнении (1.1.1) функции
Тогда для решения начальной задачи из представления (1.8) для
В заключении этого пункта укажем некоторые часто встречающиеся в приложениях уравнения, которые соответствующими подстановками могут быть сведены к линейному уравнению.
Рассмотрим так называемое уравнение Бернулли.
где
общее решение которого даётся формулой (1.1.8).
Более сложное уравнение Риккати
в общем случае в квадратурах не интегрируется. Однако оно обладает следующим важным свойством: если известно какое-либо частное решение
получим для неё уравнение Бернулли
что доказывает высказанное утверждение.
1.2 Основные свойства линейного уравнения с постоянными коэффициентами
Линейным дифференциальным уравнением n-го порядка называется уравнение вида
Это уравнение обладает рядом замечательных свойств, облегчающих его исследование, а в ряде случаев и решение.
Ознакомимся с основными свойствами линейного уравнения на примере уравнения маятника
которое является линейным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами.
Рассмотрим сначала случай
Будем искать решение этого уравнения в виде
Это уравнение называется характеристическим уравнением дифференциального уравнения (1.2.3).
Ему должно удовлетворять
Исследуем разные случаи.
а)
Рассмотрим начальную задачу.
Для любых двух n раз дифференцируемых функций y1(x), у2(x) справедливо тождество (С1 и С2 – константы)
(С1у1(x)+С2у2(x))(n) =С1у1(n)+С2у2(n) (1.2.6)
Основываясь на этом тождестве, нетрудно убедиться, что выражение
где С1 и С2 – произвольные постоянные (линейная комбинация у(1) и у(2) является решением уравнения (1.2.3). Эти постоянные можно однозначно определить из начальных условий (1.2.5). Действительно, подставляя (1.2.7) в (1.2.5), имеем
В силу l1
не осцилируя, приближается с ростом t к положению равновесия у = 0.
Так как любое наперёд заданное решение уравнения (1.2.3) удовлетворяет некоторому начальному условию (1.2.5), а по заданному начальному условию (1.2.5) однозначно определяется решение (1.2.8), то можно сказать, что в формуле (1.2.7) содержится любое решение (1.2.3). С другой стороны, при любых значениях постоянных формула (1.2.7) даёт некоторое решение уравнения (1.2.3). Таким образом, формула (1.2.7) содержит все решения уравнения (1.2.3) и только решения этого уравнения. Формулу, обладающую таким свойством, мы будем называть общим решением. Формула (1.2.7) представляет собой общее решение уравнения (1.2.3).
б) a2 – 4k < 0. Физически это соответствует достаточно слабому трению (сопротивлению) среды. В этом случае l2 и l1 являются комплексно сопряжёнными: l2 = l
где
Пользуясь тождеством (1.2.6), нетрудно видеть, что у1 = Rе у(1), у2 = Im у(1) также являются решениями уравнения (1.2.2). Действительно,
откуда, приравнивая нулю отдельно вещественную и мнимую части, получим требуемое. Возьмём линейную комбинацию у1 и у2:
Нетрудно убедиться, что, как и прежде, С1 и С2 однозначно определяются условиями (1.2.5) и, таким образом, (1.2.9) является общим решением уравнения (1.2.3). Заметим, что в рассматриваемом случае в качестве общего решения можно по-прежнему взять (1.2.7), но при этом постоянные С1 и С2 будут комплексными.
Решение задачи (1.2.5):
описывает колебательный процесс. Колебания затухают по закону
Если a = 0 (сопротивление отсутствует), то получаем периодические колебания с частотой w0=
в) a2–4 k = 0. В этом случае описанный способ даёт только одно решение у(1) = elt , где l= -
Рассмотрим теперь вынужденные колебания под действием периодической вынуждающей силы. Они описываются уравнением (1.2.2), где f = А соs wt
(А, w = соnst). Сопоставим этому уравнению следующее уравнение с комплексной неизвестной функцией z:
Подставляя в это уравнение
Решение уравнения (1.2.12) естественно искать в виде
где
(1.2.14) представляет собой частное решение уравнения (1.2.2), в котором
f = А соs wt, имеющее периодический характер с частотой, равной частоте w вынуждающей силы. Это решение, однако, не удовлетворяет (1.2.5). Добавим к нему линейную комбинацию решения однородного уравнения (1.2.3) (для определённого a2 – 4k < 0):
Пользуясь (1.2.6), убеждаемся, что это выражение является решением того же неоднородного уравнения (1.2.2), пользуясь произволом выбора С1 и С2 можно подобрать их так, чтобы удовлетворить (1.2.5). Действительно, С1 и С2 находятся из алгебраической системы уравнений, отличающейся от той, которая была при получении (1.2.10), только неоднократными членами. Решение, удовлетворяющее (1.2.5), имеет вид
а, (1.2.15), таким образом является общим решением неоднородного уравнения (1.2.2), где f = Асоswt. Из (1.2.15) видно, что общее решение неоднородного уравнения представляет собой сумму частного решения того же неоднородного уравнения и общего решения соответствующего однородного уравнения.
С ростом t в формуле (1.2.16) все члены, кроме первого затухают и остаются только вынужденные колебания
Обратим внимание на важное явление – так называемое явление резонанса. Решение
Чтобы найти частное решение в этом случае, т.е. частное решение уравнения
у"+kу = Асоsw0t, (1.2.17)
перейдём снова к комплексной форме
z"+ kz = Аеiw0t (1.2.18)
Обратим внимание на то, корни характеристического уравнения равны
l1,2 = ± iw0. Попытаемся искать z в виде
Подставляя (1.2.19) в (1.2.18), определим a и получим
Так как практически полное отсутствия трения и точное равенство w и w0 не осуществляются, то решение такого типа практически не реализуется. Реализуется (1.2.14), но если частота w близка к w0, а w мало, то знаменатель в (1.2.14) мал и амплитуда решения велика. Таким образом, физически явление резонанса состоит в том, что при w ~ w0 и малом a наблюдается заметное увеличение амплитуды вынужденных колебаний (1.2.14).
Математически же случаем резонанса будем называть такой случай, когда в (1.2.2)
Итак, на примере уравнения второго порядка выявлен ряд характерных свойств линейного уравнения с постоянными коэффициентами. Оказывается, эти закономерности имеют общий характер. Сформулируем их для уравнения порядка и как естественное обобщение того, что наблюдалось для уравнения второго порядка.
Рассмотрим сначала однородное уравнение
Сопоставим (1.2.21)его характеристическое уравнение (сравним с (1.2..4)).
Это алгебраическое уравнения порядка и имеет корни
1. Если все lk действительны и различны, то беря линейную комбинацию
можно получит любое решение уравнения (1.2.21), определяя С1,…,Cn из начальных условий
у(t0) = y10, у΄(t0) = у20,…, у(n-1)(t0) = уn0 (1.2.24)
(сравнивая с (1.2.7) и (1.2.5)), т.е. формула (1.2.23) является общим решением уравнения (1.2.21).
2. Если некоторые lk комплексные, то утверждение 1 остаётся в силе, но определяемые из (1.2.24) константы Ck будут комплексными и решение будет представлено в комплексной форме. Чтобы получить решение в действительной форме, в наборе решений вместо пары решений
3. Если l – кратный корень характеристического уравнения (1.2.22) кратности m, то ему отвечает m решений еlt, telt,…, tm-1e lt (обобщение случая в),
где m = 2).
Объединяя все случаи, можно сформулировать следующее правило:
Пусть характеристическое уравнение (1.2.22) имеет r действительных корней lк кратности mк, а прочие являются комплексно сопряжёнными вида ll=pl+iql и кратности ml. Тогда общее решение уравнения (1.2.21) может быть записано в виде
где R
Точно так же можно, обобщая факты, полученные для уравнения второго порядка, сформулировать правило построения частного и общего решений неоднородного уравнения
где S(t) – многочлен степени s,À- постоянная, вообще говоря, комплексная.
Пусть в уравнении (1.2.26) À не совпадает ни с одним корнем lk характеристического уравнения (1.2.22) (так называемый нерезонансный случай).
Тогда частное решение уравнения (1.2.26) можно записать в виде
у = Т(t)еÀt , (1.2.27)
где Т(t) – многочлен той же степени, что и S(t). Коэффициенты многочлена Т(t) определяются из алгебраических уравнений, полученных подставкой (1.2.27) в (2.26) и приравниванием членов с одинаковыми степенями t (сравнивая с (1.2.12), (1.2.13); в этом простейшем случае S(t) является константой А, т.е. многочленом нулевой степени, а многочлен Т(t) также является константой:
Т =
Если À совпадает с корнем характеристического уравнения l, имеющим кратность m (так называемый резонансный случай), то частное решение (1.2.26) следует искать в виде
у = Т(t) tmeÀt , (1.2.28)
где Т(t) – многочлен той же степени, что и S(t). Коэффициенты Т(t) по-прежнему определяются подстановкой (1.2.28) в уравнение (1.2.26) (сравнивая с (1.2.19), где появляется множитель t в соответствии с кратностью m=1 корня w0)
Если À= a + ib комплексно, то действительная (соответственно мнимая) часть решения (2.28) является решением уравнения с правой частью S(t)eat соsat (соответственно S(t)eatsin at).
Общее решение неоднократного уравнения (1.2.26) представляется в виде суммы общего решения (1.2.25) однородного уравнения (1.2.21) и частного решения (1.2.27) или (1.2.28) неоднородного уравнения (1.2.26) (сравнивая с (1.2.15)).
2. ЛИНЕЙНОЕ УРАВНЕНИЕ n-го ПОРЯДКА
2.1. Общие свойства линейного уравнения n-го порядка
Обратимся к уравнению (2.1.1). Если в рассматриваемой области изменения независимого переменного
Определение. Уравнение (2.1.1) называется однородным, если
Пусть
Для уравнения (2.1.1) можно доказать более сильное утверждение.
Теорема
1.1. Если
Так как начальная задача для уравнения n-го порядка является частным случаем начальной задачи для системы n уравнений первого порядка, то теорему 1.1 можно получить как частный случай аналогичного утверждения для системы линейных уравнений, которая имеет вид
а соответствующие начальные условия –
Теорема
1.2. Если
Доказательство:
Достаточно доказать, что решение существует и единственно на любом отрезке
где
Тогда на любом отрезке
Введя
и, следовательно для любого
а тогда справедливо также неравенство
Пользуясь этим и учитывая, что
Отсюда по критерию Коши делаем вывод о сходимости последовательности
Итак,
Теорема
1.3. (принцип суперпозиции).
Пусть в уравнении (2.1.1) правая часть является линейной комбинацией функций
Тогда линейная комбинация
Значение этого принципа в том, что правую часть уравнения (2.1.1) можно представить как линейную комбинацию более простых элементов и свести решение уравнения к решению нескольких более простых уравнений (2.1.5). С точки зрения физики это означает, что результат сложного внешнего воздействия на некоторый объект, выражаемого функцией
Доказательство:
Доказательство этой теоремы основано на тождестве, справедливом для k произвольных n раз дифференцируемых функций u1,…, uk и следующем непосредственно из свойств дифференцирования
Полагая ui = уi(x), где уi(x) – решения уравнений (2.1.5), получим для
что и требовалось.
Замечание. Левую часть уравнения (2.1.1) можно рассматривать как оператор Lу, определённый на множестве n раз дифференцируемых функций у. Тогда (2.1.6) означает, что этот оператор – линейный.
Отметим важные частные случаи теоремы 3.3, формулируя их как отдельные утверждения.
Теорема
1.4. Линейная комбинация решений однородного уравнения есть решение однородного уравнения.
(Это частный случай принципа суперпозиции, когда fi = f
Замечание. На языке линейной алгебры это можно выразить следующим образом: множество решений однородного уравнения является линейным пространством.
Пусть теперь k = 2, f1 = f2, a1 = 1, a2 = - 1 и, следовательно f = 0. Таким образом, имеет место
Теорема
1.5. Разность двух решений неоднородного линейного уравнения удовлетворяет однородному уравнению.
В теореме 1.3 ai могут быть и комплексными.
Теорема
1.6. Пусть у1(x), у2(x) удовлетворяют уравнениям (2.1.5)
(i = 1,2). Тогда z(x) = у1(x) + iу2(x) удовлетворяет уравнению
Обратно: пусть z(x) = у1(x) + iу2(x) удовлетворяет уравнению (2.1.7). Тогда у1(x), у2(x) удовлетворяют уравнениям (2.1.5).
Прямая теорема является частным случаем теоремы 1.3 (a1=1, a2= i). Для получения обратного утверждения надо к левой части (2.1.7) применить тождество (2.1.6), полагая u1 = у1, u2 = y2, a1 = 1, a2 = i, после чего приравнять действительную часть полученного выражения величине f1, а мнимую часть – величине f2 согласно правилу сравнения комплексных чисел.
Все перечисленные свойства характерны именно для линейных уравнений и существенно облегчают их исследование и решение.
2.2. Однородное линейное уравнение n-го порядка
Обратимся к изучению уравнения
коэффициенты которого
Определение. Будем говорить, что функции u1(x), …, up(x) линейно зависимы на интервале X, если существуют постоянные С1, …, Сp не все равные нулю, такие, что имеет место тождество
В противном случае (т.е. если (2.2.2) выполняется только при С1 = … = Сp = 0) будем говорить, что u1(x), …, up(x) линейно независимы.
Определение. Назовём детерминант
D(x)=
определителем Вронского
Теорема
2.1. Если решения у1(x), …, уn(x) уравнения (2.2.1) линейно зависимы на X, то
В самом деле, согласно (2.2.2) имеем
Продифференцировав это тождество (n-1) раз, получим
При любом
Замечание. Из доказательства теоремы видно, что она справедлива не только для решений уравнения (2.2.1), но для любых (n-1) раз дифференцируемых функций.
Теорема
2.2. Если
Доказательство.
Возьмём точку x = x0 в которой
Так как
Согласно теореме 1.4 у(x) является решением уравнения (2.2.1), а (2.2.6) означает, что это решение удовлетворяет в точке x0 нулевым начальным условиям у(х0) = 0,…, у(n-1)(x0) = 0. Так как тривиальное решение уравнения (2.2.1)
Из доказанных теорем непосредственно вытекает следующая альтернатива.
Теорема
2.3. Определитель Вронского D(x) либо тождественно равен нулю, и это означает, что решения у1(x), …, yn(x) линейно зависимы, либо не обращается в нуль ни в одной точке Х, и это означает, что у1(x), …, yn(x) линейно независимы.
Ситуацию можно выразить следующей схемой:
D(x)=
при любом x
Определение. Фундаментальной системой решений уравнения (2.2.1) будем называть любые n линейно независимых решений уравнения (2.2.1)
Теорема
2.4. Линейное однородное уравнение имеет фундаментальную систему решений.
Доказательство.
Действительно, возьмём произвольный отличный от нуля определитель D0 с элементами
Составим определитель Вронского D(x). В силу (2.2.7) D(x0) = D0
Замечание. Так как существует бесконечно много определителей, отличных от нуля, для каждого уравнения существует бесконечно много фундаментальных систем решений. Кроме того, линейное невырожденное преобразование
переводит одну фундаментальную систему решений в другую.
Докажем теперь основную теорему данного параграфа.
Теорема
2.5. Если у1(x), …, уn(x) – фундаментальная система решений, то любое решение у(x) уравнения (2.2.1) представимо в виде
где С1, …, Сn – некоторые постоянные.
Доказательство.
Пусть у(х0) = у10, …, уn-1(х0) = уn0. Определим постоянные С1, …, Сn линейной системой уравнений с детерминантом, равным D(х0)
и построим
Замечание. Формула (2.2.8), где С1, …, Сn – произвольные постоянные, является общим решением уравнения (2.2.1), т.е. (2.2.8) является формулой, содержащей все решения уравнения (2.2.1) и не содержащей ничего, кроме решений. В самом деле, по теореме 1.4 при любых С1, …, Сn (2.2.8) является решением уравнения (2.2.1), а согласно только что доказанной теореме в (2.2.8) содержится любое решение уравнения (2.2.1).
Замечание. На языке линейной алгебры теоремы 2.4 и 2.5 означают, что в пространстве решений линейного однородного уравнения (2.2.1) имеется базис из n элементов, т.е. это пространство n-мерное.
2.3 Неоднородное линейное уравнение n-го порядка
Рассмотрим теперь уравнение
где
Теорема 3.1 Если у1(x), …, уn(x) – фундаментальная система решений однородного уравнения (4.1), а
где С1, …, Сn некоторые постоянные.
Замечание
. Теорема справедлива при любом выборе частного решения
Замечание. Теорему 3.1 можно сформулировать и так: общее решение неоднородного уравнения есть сумма частного решения неоднородного уравнения и общего решения однородного уравнения.
Доказательство.
Рассмотрим разность у(x)-
Отсюда и последует (2.3.2).
Таким образом, для построения общего решения неоднородного уравнения нужно помимо фундаментальной системы решений однородного уравнения узнать хотя бы одно частное решение неоднородного уравнения. Покажем сейчас, что зная фундаментальную систему решений, можно найти квадратурой некоторое частное решение
Зададимся целью построить частное решение
у(х0) = 0, …, у(n-1)(х0) = 0. (2.3.3)
С этой целью воспользуемся следующим эвристическим рассуждением. Представим f(x) приближённо как сумму функций (элементарных воздействий), равных f(x) в промежутке (x - Dx, x) и нулю в остальных точках. Решение у, отвечающее каждому такому элементарному воздействию, имеющее при x = x0 равные нулю производные до (n-1)–го порядка включительно, является тождественным нулём вплоть до x-Dx, но
т.е. у(n-1)(x) равно уже не нулю, а f(x)Dx и , таким образом, далее решение также будет не нулём. В силу принципа суперпозиции достаточно построить решение однородного уравнения (ведь вне (x - Dx, x) правая часть равна нулю), принимающее в точке x нулевое значение вместе с производными до(n-2)-го порядка включительно и с производной (n-1)-го порядка, равной единице (обозначим это решение
а решение, отвечающее элементарному воздействию, имеет вид
Формула (2.3.5) получена на основании эвристических соображений, но нетрудно непосредственной проверкой убедиться, что (2.3.5) есть частное решение уравнения (2.3.1). В этой проверке и будет состоять доказательство следующей теоремы:
Теорема
3.2. Выражение (2.3.5), где функция
Доказательство.
Найдём из (2.3.5)
Дифференцируя (2.3.5), имеем
. . . . . . . . . . . . . . . . .
=
Возможность дифференцирования под знаком интеграла следует из теоремы о непрерывной зависимости решения системы дифференциальных уравнений от x и начального значения переменной x, т.е. в данном случае от x. Подставляя
так как
Замечание. В частности, для уравнения первого порядка формула (2.3.5) совпадает с формулой (1.1.8) при у0 = 0. В импульсной функцией (1.1.8) является множитель
2.4 Линейное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами
Знание фундаментальной системы решений обеспечивает возможность найти любое решение однородного уравнения, а с применением квадратуры – также и решение неоднородного уравнения. Существование фундаментальной системы решений было доказано в теореме 2.4, однако вопрос о её эффективном построении остался открытым.
Пусть в (2.2.1) аi = соnst:
у(n) + a1у(n-1) + … + аny = 0. (2.4.1)
Этот класс уравнений замечателен тем, что для него нахождения фундаментальной системы решений сводится к алгебраическим операциям, а именно к решению алгебраического уравнения n-ой степени.
Сопоставим уравнению (2.4.1) многочлен относительно l, называемый характеристическим многочленом уравнения (2.4.1):
M(l)=ln+a1ln-1+...+an..
Лемма
4.1. Справедлтво тождество
Доказательство.
Это тождество доказывается непосредственным вычислением с использованием формулы Лейбница для дифференцирования произведения. Имеем
elxf=elxf
Складывая полученные равенства, умножив их предварительно на соответствующее аi, приходим к (2.4.2). Что и требовалось.
Замечание. Если
Замечание. Тождества (2.4.2) – (2.4.4) можно записать компактнее, если обозначить через D оператор дифференцирования:
(Dn + a1Dn-1 + … + an)y = M(D)y.
Оператор M(D) называется операторным многочленом. Он имеет ту же структуру, что и характеристический многочлен M(l).
Введя M(D), можно тождества (2.4.2) – (2.4.4) записать в виде
M(D)elxf(x)= elx
M(D) elxxp=elx
M(D) elx=elxM(l). (2.4.7)
Отметим также следующее свойство операторных многочленов, которое понадобится в дальнейшем. Рассмотрим на ряду с M(D) некоторый другой операторный многочлен M(D). Пользуясь правилом сложения и умножения операторов, нетрудно убедиться, что операторные многочлены перемножаются по правилу обычных многочленов:
M(D)N(D) = N(D)M(D) = Dn+s +(a1+b1)Dn+s+1 + … +аnbn.
Приравнивая M(l) нулю, получим алгебраическое уравнение n-й степени относительно l – так называемое характеристическое уравнение
ln + а1ln-1 + … + аn = 0. (2.4.8)
Предположим, что это уравнение имеет корни l1, …, ll кратностей m1…, ml (m1 + … + ml = n).
Теорема
4.1.1. Корню lk характеристического уравнения (2.4.8) кратности mk, отвкчают mk частных решений вида
2. Решения (2.4.9) , где k=1, ..., l, образуют фундаментальную систему решений уравнения (2.4.1).
Доказательство.
Воспользуемся (2.4.3) или (2.4.6). Если lk является корнем характеристического уравнения кратности mk, то
M(lk)= M1 (lk)=…=M(mk- 1) (lk)=0
Поэтому правая часть (2.4.3) обращается в нуль для p=0,1,.., mk-1, а это означает, что xpelkx (p=0,1…, mk-1) удовлетворяет уравнению (2.4.1), что и требуется .
2. Предположим противное, т.е., что решение (2.4.9) ( k=1,…,l) линейно зависимы. Это означает, что справедливо тождество
R1 (x) el1x +…+ Rl (х) ellx = 0 (2.4.10)
через Rj(x) обозначены многочленные степени mj-1, не все равные нулю. Допустим, что отличным от нуля является R1 (этого можно добиться соответствующей нумерацией l), а в R1 старший отличный от нуля член имеет степень p1(p1
R1(x) = C10 + C11x + … C1p1 xp1,
причем С1р1
Умножим (6.10) на е-ll Х. Получим
R1(х) е(l1– ll)х + … + Rl-1 (x) e(ll–1– ll) х l + Rl (x) = 0. (2.4.11)
Продифференцируем это тождество на единицу большее число раз, нежели степень pl = ml-1 многочлена Rl(x). Предварительно заметим, что для выражения А(x) еax где a = const, А(x)- многочлен, при произвольном k имеет место тождество
где В(х) – многочлен той же степени, что и А(x), причем его старший коэффициент равен старшему коэффициенту А(х), помноженному на ak. Это тождество легко получить либо из ( 2.4.5), полагая M(D)=Dk, l=a, ƒ(x)=A(x), либо просто из формулы Лейбница. Итак, дифференцируя (2.4.11) получим
Q1(x)e(l1- ll)x+…Ql-1(x)e (ll-1- ll)x =0,
или
где Q1(x),…, Ql-1(x)- многочлены той же степени, что R1,…,Rl-1, причем коэффициент старшего члена Q1(x) есть C1pl(l1- ll)pl+1. Проделывая с (2.4.12) ту же операцию, что и с (2.4.10), и продолжая этот процесс, приходим к тождеству вида
S1(x)el1x=0 или S1(x)=0, (2.4.13)
причем коэффициент старшего члена S1(x) есть C1pl(l1- ll)pl+1…(l1- l2)pl+1 и в силу (2.4.13) он должен равняться нулю, а это противоречит тому, что С 1р1
В силу теоремы 4.1 общее решение уравнения 2.4.1 является линейной комбинацией решений (2.4.9) (k-1,…,l). Однако в случае комплексных lk такое представление не всегда удобно. Можно, однако, вместо фундаментальной системы решений (2.4.9) пользоваться другой фундаментальной системой решений, состоящих из действительных функций.
Пусть lk=pk+iqk. Тогда двум комплексным решениям вида xr elkX,
Таким образом, вместо комплексных решений можно построить столько же действительных решений; они образуют другую фундаментальную систему решений, будучи линейно независимы в силу того, что матрица перехода от пары комплексно сопряженных решений к их действительной и мнимой частям имеет вид
Беря линейную комбинацию полученных действительных решений, приходим к представлению (1.2.25), которое теперь, таким образом доказана.
Рассмотрим теперь неоднородное уравнение
Зная фундаментальную систему решений (2.4.9), можно построить его частное решение по теореме 3.2. Практически это, однако, требует довольно громоздких выкладок, в связи с чем представляет интерес класс
Теорема
4.2. Пусть
где P(x)- многочлен той же степени, что и S(x).
Если l не совпадает с корнем характеристического уравнения lk кратности mk (так называемый резонансный случай), то существует частная решение уравнения (2.4.14), имеющее вид
где Т(x) – многочлен той же степени, что и S(x).
На основании этой теоремы частное решение ищется в указанном виде, где многочлен P(x) или Т(x) записывается с неизвестными коэффициентами. Подставляя в уравнение (2.4.14), сокращая на
Доказательство.
Доказательство приведем для резонансного случая (2.4.16), так как (2.4.15) получается их (2.4.16) при mk =0. Подставим (2.4.16) в (2.4.14) :
и убедимся, что отсюда можно определить последовательно коэффициенты многочлена Т(x), начиная с коэффициента при старшей степени xs. Выделим в многочленах Т(x) и S(x) старшие члены:
Имеем тогда
Распишем первое слагаемое слева, пользуясь формулой (2.4.6) и учитывая, что
Заметим, что в выражении стоящем в фигурных скобках, первая слагаемая имеет степень s, а прочие- более низкую. Приравнивая старшие члены и сокращая на
Отсюда определиться b0 через
где
Соотношение (2.4.19) представляет собой уравнение, аналогичное (2.4.17), но степени многочленов
Метод отыскания частного решения, основанный на доказанной теореме, будем называть методом неопределенных коэффициентов.
Итак, для уравнения с постоянными коэффициентами фундаментальная система решений, а в случае правой части вида
Непосредственной выкладкой нетрудно убедиться, что заменой независимого переменного
Для отыскания частного решения неоднородного уравнения Эйлера в случае, если правая часть имеет вид
3. Системы линейных уравнений. Общая теория
3.1. Системы линейных уравнений
Обратимся к изучений системы линейных дифференциальных уравнений
Система (3.1.1) называется однородной, если ¦i (x) = 0 (i
= 1, …, n) в противном случае – неоднородной. Будем предполагать aik(x) и ¦i(x) непрерывными на интервале X. Как было доказано выше, при этих условиях на Х существует единственное решение системы (3.1.1), удовлетворяющее начальному условию
yi(x0) =
Для системы уравнений справедливы теоремы, аналогичные тем, которые были доказаны для одного уравнения n-го порядка.
Общие свойства системы линейных уравнений. Обратимся системе (3.1.1). Обозначим через у, ¦ и y0 столбцы
а через А (х) обозначим (n ´ n) - матрицу с элементами аij(х):
Тогда систему (3.1.1) можно записать в виде одного уравнения
y' = A (x) y +
f
{x), (3.1.3)
точно так же, как и начальные условия
y (x0) = y0. (3.1.4)
Пользуясь правилом умножения 4°, правилом сложения3° иправилом равенства матриц 2°, нетрудно убедиться в том, что (3.1.3) и (3.1.4) то же самое, что и (3.1.1) и (3.1.2).
В силу свойств умножения и дифференцирования матриц для дифференцируемых столбцов имеет место тождество, в котором ai – постоянные числа,
выражающее свойство линейности оператора y¢ - Ay º L[y] на множестве дифференцируемых столбцов.
Здесь и в дальнейшем для нумерации столбцов будем употреблять индекс, заключенный в круглые скобки, оставляя индекс без скобок для обозначения элементов (компонент).
Непосредственным следствием этого тождества является принцип суперпозиции.
Теорема 3.1.1. Пусть в уравнении (3.1.3) f(x) является линейной комбинацией f(i) (х), т.е.
где ai — постоянные числа, и пусть y(i)(x) является решением уравнения y'(i) = A(x) y(i) + f(i).
Тогда линейная комбинация y(i) (x) с теми же коэффициентами ai, т.е. столбец у (х) =
Имеют также место теоремы, аналогичные теоремам 1.4–1.6.
Однородное уравнение. Рассмотрим более детально однородное уравнение
у ' = А (х) у. (3.1.6)
Пусть имеется п столбцов
Составим из этих столбцов матрицу W(x):
Сопоставим уравнению (3.1.6), правая и левая части которого – столбцы, аналогичное уравнение
W¢ = A (x) W, (3.1.8)
правая и левая части которого – матрицы размерности (n ´ n) и в котором неизвестной является матрица W(x).
Теорема 3.1.2. Пусть y(1), ..., у(n) есть n решений уравнения (3.1.6). Тогда (n ´ n) – матрица W(x), образованная из них по формуле (3.1.7), является решением матричного уравнения (3.1.8).
Обратно: если W(x) является решением уравнения (3.1.8), то каждый столбец матрицы W(x) является решением уравнения (3.1.6).
Доказательство. Достаточно расписать (3.1.8) и (3.1.6) поэлементно. Действительно, (3.1.8) означает
или
a (3.1.6) означает
Поэтому если у(j) являются решениями (3.1.6), то каждое у(j) удовлетворяет (3.1.11), т.е. справедливо (3.1.10) или, что то же, (3.1.9), а значит, и (3.1.8), и наоборот, если справедливо (3.1.8), то и (3.1.10), а это в сопоставлении с (3.1.11) означает, что у(j) (j = 1, ..., n) является решением уравнения (3.1.6).
Отметим еще следующие факты, проверяемые столь же просто.
Теорема 3.1.3. Если W(x) – решение уравнения (3.1.8), то выражение WB является решением уравнения (3.1.6), если В – произвольный постоянный столбец, и решением уравнения (3.1.8), если В – произвольная постоянная
(n ´ n) – матрица.
Определение. Будем говорить, что столбцы u(i), ..., u(р) линейно зависимы на интервале X, если существуют постоянные C1, ..., Ср, не все равные нулю, такие, что имеет место тождество
Если же (3.1.12) выполняется только при C1 = ... = Ср = 0, то будем говорить, что u(1), …, u(p) линейно независимы.
Рассмотрим n дифференцируемых столбцов у(1), ..., у(n). Запишем для них равенство (3.1.12):
Введем в рассмотрение постоянный столбец
WC = 0. (3.1.14)
Так как, согласно правилу матричного исчисления, 2° считается С = 0, если все Сi (i = 1, ..., n) равны нулю, то определение линейной зависимости и независимости у(i), …, y(n) можно сформулировать следующим образом.
Определение. Будем говорить, что столбцы y(1), ..., y(n) линейно зависимы на интервале X, если существует постоянный столбец C ¹ 0 такой, что тождественно на Х имеет место (3.1.14).
В противном случае, т.е. если (3.1.14) справедливо только при С = 0, будем говорить, что y(1), ..., y(n) линейно независимы.
Определение. Назовем ∆(x) = Det W(x) определителем Вронского для y(1), ..., y(n) .
Теперь можно сформулировать и доказать теоремы, аналогичные теоремам 1.7 – 1.9 из теории уравнения n-го порядка. Все эти доказательства записываются весьма компактно, если пользоваться введенной матричной записью, которая очень удобна и требует лишь некоторого навыка.
Теорема
3.1.4. Если решения y(1), ..., y(n) уравнения (3.1.6) линейно зависимы на X, то ∆(x) º 0 на X.
Доказательство.
Имеем WC = 0, С ¹ 0. Эта запись является кратким обозначением того факта, что при каждом х величины C1, ..., Сn удовлетворяют системе линейных алгебраических уравнений с определителем ∆ (x), и так как решение нетривиальное, то ∆ (x) = 0 при любом х Î X, т.е. ∆(x} º 0.
Теорема
3.1.5. Если ∆ (x) = 0 хотя бы для одного х0 Î X, то, решения y(1), ..., y(n) уравнения (3.1.6) линейно зависимы на Г.
Доказательство.
Запишем кратко доказательство этой теоремы, уже не давая дополнительных разъяснений, как в предыдущей. Возьмем x0 Î X, и пусть, ∆ (x0) = 0. Составим уравнение W(x0) C = 0 относительно С. В силу ∆ (x0) = 0 существует решение
С ¹ О. Положим у (x) = W (x) С. Согласно теореме 3.1.3 это решение уравнения (3.1.6), причем y (x0) = W (x0) C = 0, а тогда, в силу теоремы единственности,
y (x) º 0 и, таким образом, W (х) С º 0, что , означает линейную зависимость
y(1), ..., y(n) .
Теорема 3.1.6. (альтернатива). Определитель Вронского либо тождественно равен нулю, и это означает, что решения y(1), ..., y(n) линейно зависимы, либо не обращается в нуль ни в одной точке X, и это означает, что решения
y(1), ..., y(n) линейно независимы.
Определение. Фундаментальной системой решений уравнения (3.1.6) будем называть n линейно независимых решений y(1), ..., y(n) уравнения (3.1.6), а соответствующую им по формуле (3.1.7) матрицу W{x) будем называть фундаментальной матрицей.
На основании теоремы 3.1.5. можно дать другое (эквивалентное) определение фундаментальной матрицы.
Определение. Решение W(x) уравнения (3.1.8), для которого ∆(х} отлично от нуля всюду на X, называется фундаментальной матрицей.
Теорема 3.1.7. Линейная однородная система уравнений имеет фундаментальную матрицу.
В силу теоремы 3.1.6. достаточно взять произвольную матрицу а = const с отличным от пуля определителем и задать для W начальное условие W (x0) = a.
Теорема 3.1.8. Если W (x) – фундаментальная матрица, то любое решение у(х) уравнения (3.1.6) представимо в виде
y (x) = W (x) C, (3.1.15)
где С — некоторый постоянный столбец.
Доказательство.
Пусть y (x0) = y0. Определим С уравнением W (x0) C = у0, которое разрешимо в силу ∆ (x0) ¹ 0. Построим
Замечание. На языке линейной алгебры теоремы 3.1.7. и 3.1.8. означают, что, пространство решений уравнения (3.1.6) n-мерно.
Построим решение уравнения (3.1.6), удовлетворяющее условиям (3.1.4), выразив с помощью W (x) величину С через у0. Имеем
y(x0) = W (x0) C = y0,
откуда С = W– 1 (x0) у0 и, следовательно,
y (x) = W (x) W– 1 (x0) y0.
Матрицу Â (х, х0) = W (х) W– 1 (х0), являющуюся функцией двух переменных х и x0, назовем импульсной матрицей, или матрицантом. В силу теоремы 3.1.3.
 (х, х0) как функция х удовлетворяет уравнению (3.1.8). Кроме того, очевидно, что
 (х, х0) = E.
Таким образом, справедлива
Теорема 3.1.9. Решение задачи (3.1.6), (3.1.4) имеет вид
y (x) = Â (x, x0) y0, (3.1.16)
где матрица Â (х, x0) удовлетворяет по аргументу х матричному уравнению (3.1.8) и условию Â (х, x0) = Е.
Неоднородное уравнение. Рассмотрим теперь неоднородное уравнение (3.1.3).
Теорема 3.1.10. Если W (х) — фундаментальная матрица, а
y (x) = W (x) C +
где С — некоторый постоянный столбец.
Доказательство точно такое же, как в случае уравнения n-го порядка, и мы его опускаем.
Построим частное решение
где С (x)—неизвестный столбец. Это фактически просто замена переменных. Подставляя
W' C + W C' = AWC + f
.
Так как W удовлетворяет (3.1.8), то W¢ – AW = 0 и, следовательно, WC' = f. Отсюда C' = W– 1 f. А так как
Таким образом,
и справедлива
Теорема 3.1.11. Частное решение
где Â (х, x) — импульсная матрица, или матрицант, — решение матричного уравнения (3.1.8), удовлетворяющее условию Â (x, x) = E.
Замечания. 1. Изложенный метод построения частного решения системы линейных уравнений фактически является вариантом метода вариации постоянных, который для одного уравнения использовался в гл. 1. п. 1.1.
2. В силу принципа суперпозиции решение у (х) задачи (3.1.3), (3.1.4) имеет вид
3.2. Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Пусть в (3.1.6) А — постоянная матрица,
y' = A y, А = const. (3.2.1)
В этом случае построение фундаментальной системы решений, или фундаментальной матрицы сводится к алгебраическим операциям.
Будем искать частное решение системы (3.2.1) в виде aеlx, где l — неизвестный параметр, a — неизвестный постоянный столбец. Подставляя это выражение в (3.2.1), получим laelx = Aaelx. Отсюда делаем вывод, что a должно быть решением алгебраической системы уравнений
(А – lЕ) a = 0. (3.2.2)
Для того чтобы a было нетривиальным решением, нужно потребовать, чтобы
Det (А – lЕ) = 0. (3.2.3)
Это уравнение является алгебраическим уравнением степени n и называется характеристическим уравнением уравнения (3.2.1).
Пусть l1, …, ln – простые корпи характеристического уравнения (3.2.3). Каждому li отвечает a(i) ¹ 0 (собственный вектор матрицы А), который находится из (3.2.2), где положено l = li. В качестве компонент a(i) можно взять, например, алгебраические дополнения к одной из строк, определителя Det (А – liЕ).
Теорема 3.2.1. Пусть l1, …, ln – простые корни характеристического уравнения (3.2.3) и пусть a(i) — решение (нетривиальное) уравнения
(А – liЕ) a = 0. Тогда столбцы a(i)
Доказательство:
Проводится но схеме, которая была использована в гл. 2 п. 2.4. Предположим, что решения a(i)
Отсюда имеем
Дифференцируя это равенство, приходим к соотношению типа (3.2.4), содержащему уже n – 1 слагаемых. Повторяя операцию, приходим в конце концов к равенству C1 a(i) = 0. Так как хотя бы одна из компонент a(i), отлична от нуля, то получаем отсюда C1 = 0, что противоречит (3.2.4).
Обратимся к общему случаю. Пусть характеристическое уравнение (3.2.3) имеет корни l1, …, li кратностей m1, ..., mi (m1 + ... + mi = n). Из предыдущего ясно, что a(i)
Для того чтобы выяснить, откуда взять «недостающие» решения, потребуются некоторые построения, к которым и перейдем. Пусть у – решение уравнения (3.2.1). Тогда компоненты уi, этого решения удовлетворяют системе уравнений
ai1 y1 + ... + ainyn - Dyi = 0, i = l, ..., n, (3.2.5)
где d — оператор дифференцирования. Определитель Det (A – ED) º M(D) представляет собой некоторый операторный многочлен n-й степени. Если вместо D подставить l, то получится левая часть характеристического уравнения (3.2.3) или характеристический многочлен системы (3.2.1). Так как умножение операторных многочленов можно производить по правилу умножения обычных многочленов, то, умножая (3.2.5) на алгебраические дополнения Аij(D) определителя Det (A – ED) (умножение понимается как умножение операторов) и суммируя по i, получаем
M (D) yj = 0, j = l, ..., n,
а это — дифференциальное уравнение порядка та относительно уj, характеристический многочлен которого совпадает с характеристическим многочленом системы (3.2.1). Таким образом, справедлива следующая
Теорема 3.2.2. Каждая компонента уj решения у системы (3.2.1) удовлетворяет уравнению n-го порядка, характеристический многочлен которого равен характеристическому многочлену системы (3.2.1).
Рассмотрим корень lk кратности mk. Индекс k будем в нижеследующих рассуждениях опускать, так как будем иметь дело только С одним корнем. Этому корню l отвечает решение у системы (3.2.1), j-я компонента которого yj в силу теоремы 3.2.2, имеет вид
yj = (С1j + С2j х + ... + Сmj xm – 1) еlx,
где Сkj = const, и, таким образом,
В этом выражении, однако, поскольку компоненты уj, не независимы, а связаны системой (3.2.5), постоянные Сkj не являются независимыми.
Оказывается, в выражении (3.2.6) число независимых констант, Сkj равно кратности m корня l. Обоснованием этого факта мы займемся ниже, а пока выясним, что это дает для построения фундаментальной системы решении уравнения (3.2.1).
Обозначим свободные постоянные через C1, ..., Cm. Подставим (3.2.6) в (3.2.1), сократим на еlx и приравняем члены с одинаковыми степенями х. Тогда получится линейная алгебраическая система m однородных уравнений с m ´ n неизвестными Ckj, которые можно выразить линейно через свободные постоянные C1, ..., Cm. После этого (3.2.6) можно записать в виде
у = [С1 р1 (х) + ... + Сm pm (х)] elx, (3.2.7)
где рi (х) – столбцы, компоненты которых являются вполне определенными многочленами относительно х степени не выше m – 1.
Из (3.2.7) следует, что корню характеристического уравнения l кратности m отвечают m решений вида pi (x) elx (i = l, ..., m). Такое построение можно проделать для каждого lk кратности mk. В результате получим m1 + ... + mi, = n решений.
Ниже будет доказано, что полученные описанным способом n решений образуют фундаментальную систему решений уравнения (3.2.1).
Практически для нахождения фундаментальной системы решений рекомендуется для каждого l написать выражение (3.2.6), затем подставить в (3.2.1) и из полученной указанным выше способом алгебраической системы выразить все постоя иные через свободные постоянные. То, что число свободных постоянных заранее известно и равно, кратности m корня l, помогает решению этой алгебраической системы, так как это означает, что заранее известен ее ранг.
Теорема
3.2.3. Существует n линейно независимых постоянных векторов (столбцов) (k = 1, ..., s; jk = 1, ..., qk), удовлетворяющих соотношениям
Ae(k1) = lk e(k1),
Ae(k2) = lk e(k2) + e(k1) k = 1, …, s; q1 + … +qs = n, (3.2.8)
…………………………..
причем сумма qk, отвечающих одинаковым lk, равна m, где m – кратность корня lk характеристического уравнения (3.2.3).
В (3.2.8) через е(k1) обозначен собственный вектор, отвечающий lk. Векторы e(k2), ...,
Рассмотрим lk. Ему заведомо отвечает решение у(k1) = e(k1)
Теорема 3.2.4. Каждому lk отвечает qk решений вида
y(k1) = e(k1) exp lkx,
y(k2) = (e(k2) + xe(k1)) exp (lkx),
…………………………………………… (3.2.9)
Доказательство. Это нетрудно доказать непосредственной проверкой, пользуясь (3.2.8). Действительно,
Итак, каждому lk (k = 1, ..., s) отвечает qk решений вида (3.2.9), и, таким образом, всего имеется q1 + ... + qs = n решений:
Теорема 3.2.5. Решения (3.2.10) образуют фундаментальную систему решений.
Доказательство. Действительно,
а согласно теореме 3.2.3 столбцы
q1 + ... + qs = n являются линейно независимыми и, следовательно, Det W (0) ¹ 0. В силу теоремы 3.1.4 отсюда следует, что решения (3.2.10) линейно независимы, т.е. образуют фундаментальную систему решений.
Вернемся теперь к прежней нумерации корней характеристического уравнения, когда нумеруются различные по величине l. Каждому l может отвечать несколько групп решений вида (3.2.10) по числу отвечающих этому l собственных векторов, по общее число решений в этих группах равно кратности m корня l. Таким образом, действительно, линейная комбинация решении, отвечающих данному l, имеет вид (3.2.6), где независимых констант будет m, так как число решений типа (3.2.10), отвечающих этому l, есть m. Заметим, что, как видно из (3.2.9), (3.2.10), старшая степень многочленов в (3.2.6), вообще говоря, меньше, чем т.е. m – 1.
При практическом вычислении фундаментальной системы решений можно пользоваться (3.2.9), предварительно найдя все собственные и присоединенные векторы, но проще поступать, как указано выше, подставляя (3.2.6) в исходное уравнение (3.2.1) и выделяя m свободных неизвестных Сkj.
Заключение
В ходе дипломной работы была изучена и проанализирована теория теории линейных обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. При изучение данной теории били рассмотрены следующие разделы: линейные обыкновенные уравнения первого, второго и n-го порядков; основные свойства линейного обыкновенного уравнения второго порядка и общие свойства уравнения n-го порядка; однородные и неоднородные уравнения n-го порядка и приложение в котором показаны методы решения линейных уравнений и физических задач, решаемых с использованием линейных уравнений.
По результатом данной работы можно сделать вывод, что в настоящее время разработка методов решения этих задач для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений продвинута на столько, что зачастую исследователь имеющий дело с этой задачей не занимается выбором метода ее решения, а просто обращается к стандартному алгоритму.
Подводя итог, следует заметить, что данная дипломная работа может быть использована для подготовки материалов методического пособия по этой теме.
Библиография
1. Бибиков Ю.Н.. Курс обыкновенных дифференциальных уравнений. - М.: Высш. Шк., 1991.-303 с.
2. Виленкин Н.Я., Доброхотова М.А., Сафонов А.Н. Дифференциальные уравнения. - М.: Просвещение, 1984. - 175 с.
3. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление.-М.:Наука,1970.-576 с.
4. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. - М.: Наука,1983.
5. Самойленко А.М., Кривошея С.А., Перестюк Н.А.. Дифференциальные уравнения: примеры и задачи. - М.: Высш. Шк., 1989.-383 с.
6. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений.-М.:Гостехиздат,1959.
7. Тихонов А.Н., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. - М.: Наука, 1985.-230 с.
8. Хартман Ф. Обыкновенные дифференциальные уравнения. - М.: Мир, 1970.
Приложение
I Найти общее решение уравнений:
а) y¢¢– 7y¢ + 12y = 0.
Решение:
Составим характеристическое уравнение и найдем его корни
l2–7l+12=0
т.к. корни характеристическое уравнение различны, то общее решение данного уравнения имеет вид
Ответ:
б) y¢¢ + 4y¢ + 13y = 0
Решение:
Характеристическое уравнение для данного уравнения имеет вид
l2 – 4l +13 = 0.
т.к. корнями характеристическое уравнение являются комплексно сопряженные числа, то общее решение заданного уравнения имеет вид
y = eax(C1 cos bx +C2 sin bx),
где a = – 2 и b = 3 Откуда
y = e–2x(C1 cos 3x +C2 sin 3x)
Ответ
: y = e–2x(C1 cos 3x +C2 sin 3x)
в) y¢¢– 6y¢ + 9y = 0
Решение :
Составим характеристическое уравнение
l2 – 6l + 9 = 0, (l – 3)2 = 0, l1,2 = 3
т.к. корнями характеристическое уравнение имеет корень второй кратности, то общее решение для данного уравнения имеет вид y = (C1 + C2 x) elx
Þ y = (C1 + C2 x) e3x
Ответ: y = (C1 + C2 x) e3x
II Найти частные решения уравнений, удовлетворяющие указаным начальным условиям:
а) y¢¢ – 5y¢ + 6y = 0, y(0) =
Найдем общее решение исходного уравнения, для этого составим характеристическое уравнение и найдем его корни
l2 – 5l + 6 = 0
y = C1e2x + C2e3x
Найдем y¢ и значение функций y(0) и y¢(0)
y¢ = (C1e2x + C2e3x)¢ = 2C1e2x + 3C2e3x
y(0) = C1e2×0 + C2e3×0 =C1 + C2
y¢(0) = 2C1e2×0 + 3C2e3×0 = 2C1 + 3C2
Исходя их начальных условий составим систему двух уравнений
Подставим в формулу общего решения, вместо С1 и С2 их значения и найдем частное решение
y =
Ответ: y =
б
) y¢¢ + 4y = 0, y
l2 + 4 = 0 l2 = – 4 l1,2 =± 2i
y = C1 cos 2x + C2 sin 2x
y¢ (C1 cos 2x + C2 sin 2x)¢ = – 2C1 cos 2x + 2C2 sin 2x
y
y¢
y4 cos 2x – sin 2x
Ответ
: y = 4 cos 2x – sin 2x
в
) y¢¢ – 6y¢ + 9y = 0, y|0| = 0, y¢|0| = 2
l2– 6l + 9 = 0 (l–3)2 = 0 Þ l1,2 = 3.
y = (C1 + C2x)e3x
y¢ =((C1 + C2x)e3x)¢ = C2e3x + 3(C1 + C2x)e3x
y |0| = (C1 + C2 × 0)e3 ×0= C1
y¢ |0| = C2e3 × 0 + 3 (C1 + C2 ×n)e3 × 0 =C2 + 3C1
y = (0 + 2x)e3x = 2xe3x
Ответ: y = 2xe3x
III. Найти общее решение следующих уравнений
1) y¢¢ + 4y¢ +y = 4
Найдем общее решение однородного уравнения
y¢¢ + 4y¢ +y = 0.
l2 + 4l +1 = 0 l1,2 = –
Общее решение будет имеет вид y = C1elx + C2el2X
y00 = C1
Общее решение неоднократного уравнения определяется формулой
yон = yоо+yчн
Для нахождения общего решения неоднократного уравнения, осталось найти частное решение неоднократного уравнения
Частное решение имеет вид
yчн = b0
y¢чн = 0, y¢¢чн = 0
Подставляя в исходное уравнение значения частного решения и производных получим частное решение неоднократного уравнения, т.е.
0 + 4 × 0 + b0 = 4 Þ b0 = 4
yчн = 4.
yон = С1
Ответ: yон = С1
2) y¢¢ – 6y¢ + 9y = x2.
l2 + 6l + 9 = 0 Þ l1,2 = 3 y00 = (C1 +C2x) e3x
yчн =bo +b1x + b2x2
y¢чн = b1 + 2b2x y¢¢чн = 2b2
2b2 – 6b1 – 12b2x + 9b0 + 9b1x + 9b2x2 = x2
yчн =
yон = (C1 + C2)e3x +
Ответ: yон = (C1 + C2)e3x +
3) y¢¢ +6y¢ +9y = 12e–3x
l2 + 6l +9 = 0 l1,2 = – 3
yоо = (C1 + C2)e3x
yчн = b0x2e–3x
y¢чн = 2 b0x2e–3x– 3b0x2e–3x
y¢¢чн = 2 b0e–3x – 6 b0xe–3x – 6 b0xe–3x + 9 b0x2e–3x = 2 b0xe–3x – 12 b0xe–3x + 9 b0x2e–3x
9 b0x2e–3x – 12 b0xe–3x + 2 b0xe–3x + 12 b0xe–3x – 18 b0x2e–3x + 9 b0x2e–3x =12e–3x
2b0 = 12 Þ b0 = 6
yчн =6 x2e–3x
yон = (C1 + C2x) e–3x +6 x2e–3x
Ответ: yон = (C1 + C2x) e–3x +6 x2e–3x
4) y¢¢ +6y¢ – 3y = 12 cos 3x
l2 + 6l – 3 = 0 l1,2 = – 3 ±
yоо=
yчн=b0 cos 3x + a0 sin 3x
y¢он=–b0 sin 3x + a0 cos 3x, y¢¢чн= – b0 cos 3x – a0 sin 3x
– b0 cos 3x – a0 sin 3x – 6 b0 sin 3x + 6a0 cos 3x – 3b0 cos 3x – 3a0 sin 3x = 12 cos 3x
yчн=
Ответ
: yчн=
5) y¢¢ + 4y¢ = 4xe–4x
l2 + 4l = 0 l = 0, l = – 4
yоо = C1 + C2e– 4x
yчн = x(b0 + b1x)e–4x
y¢чн = b1xe–4x + (b0 + b1x)(e–4x – 4xe–4x) = b1xe–4x + b0e–4x – 4 b0xe–4x + b1xe–4x–
– 4 b1x2e–4x = b0e–4x + 2 b1xe–4x – 4 b0xe–4x – 4 b1x2e–4x
y¢¢чн = – 4b0e–4x + 2b1e–4x – 8 b1 xe–4x – 4 b0e–4x + 16 b0xe–4x– 8 b1xe–4x +
+ 16b1x2e–4x = – 8 b0e–4x + 2 b0e–4 – 16 b1xe–4x +16b0xe–4x + 16 b0x2e–4x
yчн = x(–
yон = C1 + C2e– 4x –
Ответ: yон = C1 + C2e– 4x –
6) y¢¢ + y = 2x – 1 + e5x
l2 – 1 = 0 l = ± 1 Þ yоо = C1ex + C2e– x
yоо = C1 + C2e– 4x
yчн = b0 + b1x + b2e5x
y¢чн = b1 + 5b2e5x
y¢¢чн = 0 + 25 b2e5x
25 b2e5x – b0 – b1x + b2e5x = 2x – 1+ e5x
yон = C1ex + C2e– x –2x + 1 +
Ответ
: yон = C1ex + C2e– x –2x + 1 +
IV. Найти решения, удовлетворяющие заданным начальным условиям:
1) y¢¢ + y = 3x, y(1) – 1, y¢(1) = 0
l2 – 1 = 0 l = ± 1
yоо = C1ex + C2e– x
yчн = b0 + b1x
y¢чн = b1, y¢¢чн = 0
0 – b0 + b1x =3x
yон = C1ex + C2e– x –3x
yчн (1) = C1e + C2e– 1 –3
y¢он = C1ex – C2e– x –3
y¢он (1) = C1e – C2e– 1 –3
Ответ:
Правило отыскания частного решения линейного неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами в зависимости от вида правой части уравнения
| вид правой части | Корни характеристического уравнения | частного решения уравнения |
| Аm(x) – многочлен степени m | Число 0 не является корнем характеристического уравнения | Z = Pm(x) |
| | Число 0 является корнем характеристического уравнения кратности s | Z = xs Pm(x) |
| Am(x) × eax | Число Х не является корнем характеристического уравнения | Z = Pm(x)eax |
| | Число Х является корнем характеристического уравнения кратности s | Z = Pm(x) xseax |
| Am(x) cos b(x) + + Bm(x) sin b(x) | Число ± bi не является корнем характеристического уравнения | Z =Pm(x) cos bx + + Qm(x) sin bx |
| | Число ± bi является корнем характеристического уравнения кратности s | Z = xs(Pm(x) cos bx + + Qm(x) sin bx) |
| eax (Am(x) cos bx + + Bm(x) sin bx) | Число a ± i b не является корнем характеристического уравнения | Z = eax (Pm(x) cos bx + + Qm(x) sin bx) |
| | Число a ± i b является корнем характеристического уравнения кратности s | Z = eax (Pm(x) cos bx + + Qm(x) sin bx) xs |
V Задача. Узкая длинная трубка вращается с постоянной угловой скоростью w вокруг перпендикулярной ей вертикальной оси. В начальный момент на расстоянии an от оси внутри трубки находится шарик массы m. Считая, что в начальный момент скорость шарика относительно трубки была ровна нулю, найти закон движения шарика относительно трубки.
Решение:
Направим ось координат nx по оси трубки, приняв точку n за начало. Обозначим через x = x(1) координату шарика (точку М) в момент времени t. Так как по условию шарик движется по трубке без трения, то на него действует только центробежная сила fc = mw2x. Поэтому по второму закону Ньютона для относительного движения имеем mx¢¢ =mwx2 или x¢¢ – w2x = 0.
К этому уравнению присоединим начальные условия:
x (t0) = a0, x¢(t0) = 0
Нормальная фундаментальная система решений уравнения имеет вид:
Использовав её, получим x(t) = a0 ch w (t – t0)
Ответ
: x(t) = a0 ch w (t – t0)
VI Задача. Один конец пружины закреплен неподвижно, а к другому прикреплен груз массы m, на который действует периодическая возмущающая сила
H sin (nt + j), направленная по вертикали. При отклонении груза на расстояние x от положения равновесия пружина действует на него с силой kx (упругая сила пружины), направленной к положению равновесия; при движении груза со скоростью n сила сопротивления среды ровна bu (H > 0,n > 0, k > 0, 0 < b < m, j – постоянные). Найти движение груза в установившемся режиме и частоту вращающийся силы nрез (резонансную частоту), при которой амплитуда колебаний груза в установившимся режиме является наибольшей. Найти эту амплитуду.
Решение:
Пусть x = x(t) – отклонение груза от положения равновесия в момент времени t. Согласно второму закону Ньютона,
Поскольку p > 0, q > 0, а установившиеся движение груза существует и описывается решением данного уравнения вида:
Частоту nрез, при которой амплитуда А(n) колебаний груза в установленном режиме достигает наибольшего значения, можно найти из условия минимума функций y(n) = (q –n2)2 + p2n2. Имеем
y¢(n) = – 4n (q – n2)2 +2p2n = 0, откуда
nрез =
амплитуда колебаний груза при резонансе такова:
Ответ:
Пример: Найти фундаментальную систему решений
y¢1 = 4y1 – y2, y¢2 = 3y1 + y2 – y3, y¢3 = y1 + y3. (1)
Решение:
Характеристическое уравнение, отвечающее этой системе, имеет корень l1 = 2 кратности m1 = n = 3.
Подставляя его в (1), сокращая на е2x и приравнивая члены с одинаковыми степенями x, получим следующие 9 уравнений для определения 9 коэффициентов:
Заранее известно, что ранг этой системы равен 6 и свободных неизвестных 3.
Записывая определитель этой системы, расположив неизвестные в порядке a0, b0, с0, a1, b1, с1, a2, b2, с2, легко видеть, Что правый верхний определитель 6-го порядка отличен от нуля и равен, очевидно, произведению диагональных элементов, т.е. 8, так как справа от главной диагонали — нули. Следовательно, в качестве свободных неизвестных можно взять a0, b0, с0.
Первая группа уравнении (3) уже дает выражения для a1, b1, с1, через a0, b0, с0, а подставляя это во вторую группу уравнений" (3), получим
Третья группа уравнений (3) обращается автоматически в тождество.
Подставляя полученные выражения в (2) и приводя его к виду (3.2.7), будем, иметь
Здесь a0, b0, с0 — произвольные постоянные (можно ид обозначить C1, С2, С3, как в (3.2.7), векторы р1(х), р2(х), р3(х) усматриваются в правой части (4). Таким образом, получено решение системы (3.2.1) в виде линейной комбинации трех линейно независимых решений pi (x) e2x (i = 1, 2, 3).
