Дифференциальные уравнения зависящие от параметра

Дифференциальные уравнения с малым параметром при производной

Возьмем дифференциальное уравнение (где — параметр)

Если функция в некоторой замкнутой области изменения непрерывна по совокупности аргументов и удовлетворяет условию Липшица по

где не зависит от , то решение (1) непрерывно зависит от .

Во многих задачах физики приходится рассматривать уравнения вида (где — малый параметр)

Разделив обе части уравнения (2) на , приведем его к виду

откуда видно, что правая часть (3) терпит разрыв при , так что теоремой о непрерывной зависимости решений от параметра воспользоваться в этом случае нельзя.

Вопрос ставится так: при каких условиях для малых значений в уравнении (2) можно отбросить член и в качестве приближения к решению дифференциального уравнения (2) рассматривать решение так называемого «вырожденного уравнения»

Пусть для определенности 0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAC4AAAAQBAMAAACb51DZAAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/QHAQSFZiDGh0BCgsXHgm/CxLgAAALNJREFUGNNjYCAecHtgF8+vWYFNmEWCoX4DnOcOZ/IuYAhMANJMCiAem00AVFzRgEHxAlDAULYBJKsCk3C8wKD4iYFhborzA4i5xg4Q8QIGRSEGjglwK1gnOyGJm5VvQEgkwMVZPy8OgIufT4CaL8TA3IAw5zDYnI0GICe1w4VVDkPs1QK6/wFD1yalPIhzLKE61UQZHgYwsEsZgl3EZgmzhqn+uRiQCsuAhAPcdibVZxsYAOHLKP4AljeRAAAAAElFTkSuQmCC» /> и пусть вырожденное уравнение (4) имеет лишь одно решение . В зависимости от поведения вблизи решения уравнения (4) решение дифференциального уравнения (2) при стремится к решению вырожденного уравнения, либо быстро удаляется от него.

В первом случае решение уравнения (4) называют устойчивым , во втором — неустойчивым .

Именно, если при переходе через график решения вырожденного уравнения (4) функция с возрастанием при фиксированном меняет знак с на , то решение вырожденного уравнения устойчиво и им можно приближенно заменить решение . уравнения (2) (рис. 47).

Если же функция меняет знак с на , то решение вырожденного уравнения (4) неустойчиво и заменять решение дифференциального уравнения (2) решением вырожденного уравнения (4) нельзя (рис. 48).

Достаточные условия устойчивости или неустойчивости выражаются следующими предложениями.

1. Если на решении уравнения (4), то решение вырожденного уравнения устойчиво.

2. Если 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» /> на решении уравнения (4), то решение вырожденного уравнения неустойчиво.

Если вырожденное уравнение (4) имеет несколько решений , то каждое из них должно быть исследовано на устойчивость . При этом поведение интегральных кривых дифференциального уравнения (2) при может быть различным в зависимости от выбора начальных условий — начальной точки .

Возможен также полуустойчивый случай , когда функция при переходе через кривую не меняет знак (например, если есть корень четной кратности вырожденного уравнения (4)). В этом случае при малом интегральные кривые уравнения (2) с одной стороны кривой стремятся к этой кривой, а с другой — удаляются от нее.

В первом случае мы говорили, что начальная точка принадлежит области притяжения полуустойчивого решения , а во втором случае — области отталкивания.

В полуустойчивом случае, как правило, нельзя заменять решение исходного уравнения (2) решением вырожденного уравнения (4).

Можно указать критерии, когда интегральные кривые уравнения (2) при соответствующем выборе начальной точки приближаются к решению вырожденного уравнения и остаются в его окрестности при t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» />, однако это справедливо лишь при отсутствии возмущений уравнения (2).

Приведем эти критерии.

Пусть в окрестности полуустойчивого решения вырожденного уравнения (4) функция . Если 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» />, то интегральные кривые уравнения (2), приближающиеся к кривой , не могут пересечь эту кривую и остаются в ее окрестности при t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» /> (начальная точка должна находиться в области притяжения полуустойчивого решения ; если находится в области отталкивания, то соответствующая интегральная кривая уравнения (2) быстро удаляется от кривой ) (рис. 49). Если , то интегральные кривые, приближающиеся к графику функции , пересекут его и с другой стороны кривой быстро удалятся от нее. Если 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» /> при и при t_1″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAD3RSTlMAAaiFwGEw00IhQBBx8FF4mUoDAAAAxElEQVQY02NgwANOo/HZHkAZPN/QZNgLoAyhjyAydANcRl4BypAFM1iL4VL9ARB6sb3zAhAtWjwBIhDsrwxhzdCPgDDknCB0R3kHVLuuANQUDqcEEMX4CUhkgxiX4FZzqICkOL4yMBj9Arn+D1yGEyzD/JOBIfEXinc4XBpAlAjQO4wgGaaPzBBXSkBdIK8gLgCWYXFIAguwFkFdnW9gA9HDelkb4tMJsDApMYDIMEyD+A8ROtlQe7AC3DLm3x1waAEFCwDPjC4HC7XnhAAAAABJRU5ErkJggg==» style=»vertical-align: middle;» />, то при достаточно малом интегральные кривые, выходящие из точки , принадлежащей области притяжения корня , остаются вблизи кривой при 0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAC4AAAARCAMAAACVS259AAAANlBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAADAR2LVAAAAEnRSTlMA5dARAV6h/4HAIUExsUAQcZHkvQX+AAAAz0lEQVQoz51S0RLDIAgThyJFV/v/Pztx7Wm1W2/zgTshJgEx5o/zeD5+QDu2ZJcbwlZnNDmt39ABQuIDwe5OHorZVFjrydCsu3whA74EIXnfFkodkw1j35FCjduhRZ0ddNaf+3YVjsR6WTkJQV9G4dODcMDVPJdHiYY5SuGY4LYqRU3I2J54jhfsDKiJ6VuXBu+8I+mQNhi5mZueVLgoEiHs4XOruM9dxxdKAwK9l2mQZQdK3atrsya72Xj6pmnb0NvsYQdh7KnD5S7HLMr9Ah4fBg4hVyWJAAAAAElFTkSuQmCC» />; в окрестности точки они пересекают кривую и затем удаляются от нее.

Если в окрестности полуустойчивого решения функция , то для справедливости высказанных утверждений знаки у производной надо заменить противоположными.

Пример 1. Выяснить, стремится ли решение уравнения

удовлетворяющее начальному условию к решению вырожденного уравнения при t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» /> и .

Решение. Имеем , так что решение вырожденного уравнения устойчиво и, следовательно, решение исходного уравнения , выходящее из любой начальной точки , стремится к решению вырожденного уравнения при и t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» /> (рис.50).

В этом можно убедиться непосредственно проверкой. Решая дифференциальное уравнение (5) как линейное неоднородное при заданном начальном условии , найдем

откуда непосредственно видно, что при t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» />, то есть 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» /> и имеем .

Пример 2. Исследовать на устойчивость решение вырожденного уравнения для уравнения

Решение. Вырожденное уравнение имеет два решения . Имеем

так что решение устойчивое

так что решение вырожденного уравнения неустойчивое (рис. 51).

Пример 3. Исследовать на устойчивость решение вырожденного уравнения, отвечающего уравнению

Решение. Вырожденное уравнение имеет корень второй кратности. Функция 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» /> в окрестности этого корня, и 0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» />. Следовательно, решение — полуустойчивое, и если начальная точка лежит в полуплоскости под прямой (область притяжения корня ), то интегральная кривая , выходящая из точки , будет при t_0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADIAAAASBAMAAADrvZC0AAAAMFBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAlTPQ5AAAAEHRSTlMA/EGEAcAwIdVhoRCxcVFiSWq88AAAANlJREFUGNNjYMADbqPx2R5AGbxiaDIcDVAGjwiInLkBLuO4AMY4ACL5m+FSihMgtLJhsAKI9mwugAhMDlwMYRUt/ARh+EVBaKUOJaj2gw5QU5iiEkAUixTQeeoghgzcaqajICkmeQaGWTpAl7PJwmXYl4JkmMUZuAXYBZC9wxQKdoprAwNfA4MYyDvMEFc6QV3guMDDOYBFiIGBNSAHLMDZBXV1ooEtcwADUIZT+DRYAuYdBp5WA2awHoYyiP8QoZPNwCnAIoY99Lml2RpwRMwsVQUcMuzaDAwA1XUm63jYJJgAAAAASUVORK5CYII=» style=»vertical-align: middle;» /> оставаться в окрестности линии (рис.52).

23. Нормальные системы линейных однородных дифференциальных

Уравнений с постоянными коэффициентами.

При рассмотрении систем дифференциальных уравнений ограничимся случаем системы трех уравнений (n = 3). Все нижесказанное справедливо для систем произвольного порядка.

Определение. Нормальная система дифференциальных уравнений c постоянными коэффициентами называется Линейной однородной, если ее можно записать в виде:

(2)

Решения системы (2) обладают следующими свойствами:

Решения системы ищутся в виде:

Подставляя эти значения в систему (2) и перенеся все члены в одну сторону и сократив на Ekx, получаем:

Для того, чтобы полученная система имела ненулевое решение необходимо и достаточно, чтобы определитель системы был равен нулю, т. е.:

В результате вычисления определителя получаем уравнение третьей степени относительно K. Это уравнение называется Характеристическим уравнением И имеет три корня K1, K2, K3. Каждому из этих корней соответствует ненулевое решение системы (2):

Линейная комбинация этих решений с произвольными коэффициентами будет решением системы (2):

Пример. Найти общее решение системы уравнений:

Составим характеристическое уравнение:

Решим систему уравнений:

Для K1:

Полагая (принимается любое значение), получаем:

Для K2:

Полагая (принимается любое значение), получаем:

Общее решение системы:

Этот пример может быть решен другим способом:

Продифференцируем первое уравнение:

Подставим в это выражение производную У¢ =2X + 2Y из второго уравнения.

Подставим сюда У, выраженное из первого уравнения:

Обозначив , получаем решение системы:

Пример. Найти решение системы уравнений

Эта система дифференциальных уравнений не относится к рассмотренному выше типу, т. к. не является однородным (в уравнение входит независимая переменная Х).

Для решения продифференцируем первое уравнение по Х. Получаем:

Заменяя значение Z’ из второго уравнения получаем: .

С учетом первого уравнения, получаем:

Решаем полученное дифференциальное уравнение второго порядка.

Общее решение однородного уравнения:

Теперь находим частное решение неоднородного дифференциального уравнения по формуле

Общее решение неоднородного уравнения:

Подставив полученное значение в первое уравнение системы, получаем:

Пример. Найти решение системы уравнений:

Составим характеристическое уравнение:

Если принять g = 1, то решения в этом случае получаем:

Если принять g = 1, то получаем:

Если принять g = 3, то получаем:

Общее решение имеет вид:

Элементы теории устойчивости.

Теория устойчивости решений дифференциальных уравнений является одним из разделов Качественной теории дифференциальных уравнений, которая посвящена не нахождению какого – либо решения уравнения, а изучению характера поведения этого решения при изменении начальных условий или аргумента.

Этот метод особенно важен, т. к. позволяет делать вывод о характере решения без непосредственного нахождения этого решения. Т. е. даже в тех случаях, когда решение дифференциального уравнения вообще не может быть найдено аналитически.

Пусть имеется некоторое явление, описанное системой дифференциальных уравнений:

(1)

И начальные условия:

Для конкретного явления начальные условия определяются опытным путем и поэтому неточны.

Теорема. (о непрерывной зависимости решения от начальных условий)

Если правая часть дифференциального уравнения Непрерывна и по переменной у имеет ограниченную частную производную на области прямоугольника, ограниченного , то решение

, удовлетворяющее начальным условиям , непрерывно зависит от начальных данных, т. е. для любого , при котором если

то при условии, что

где

Эта теорема справедлива как для одного дифференциального уравнения, так и для системы уравнений.

Определение. Если — решение системы дифференциальных уравнений, то это решение называется Устойчивым по Ляпунову, если для любого , такое, что для любого решения той же системы, начальные условия которого удовлетворяют неравенствам

(Ляпунов Александр Михайлович (1857 – 1918) академик Петерб. АН)

Т. е. можно сказать, что решение j(t) устойчиво по Ляпунову, если близкие к нему по начальным условиям решения остаются близкими и при T ³ T0.

Если , то решение j(t) называется Асимптотически устойчивым.

Исследование на устойчивость по Ляпунову произвольного решения системы Можно свести к исследованию на устойчивость равного нулю решения некоторой другой системы, которая получена из данной заменой неизвестных функций:

(2)

Система (2) имеет тривиальное (равное нулю) решение

Теорема. Решение системы (1) устойчиво по Ляпунову тогда и только тогда, когда устойчиво по Ляпунову тривиальное решение системы (2).

Это тривиальное решение называется Положением равновесия Или Точкой покоя.

Определение. Точка покоя Системы (2) устойчива по Ляпунову, если для любого такое, что из неравенства

.

Теорема. (Теорема Ляпунова). Пусть задана система

Имеющая тривиальное решение .

Пусть существует дифференцируемая функция , удовлетворяющая условиям:

1) ³0 и V = 0 только при у1 = у2 = … = уN =0, т. е. функция V Имеет минимум в начале координат.

2) Полная производная функции V Вдоль фазовой траектории (т. е. вдоль решения Yi(T) системы (1)) удовлетворяет условию:

при

Тогда точка покоя устойчива по Ляпунову.

Если ввести дополнительное требование, чтобы вне сколь угодно малой окрестности начала координат выполнялось условие

Где B — постоянная величина, то точка покоя асимптотически устойчива.

Функция V называется Функцией Ляпунова.

Классификация точек покоя.

Рассмотрим систему двух линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Характеристическое уравнение этой системы имеет вид:

Рассмотрим следующие возможные случаи:

1) Корни характеристического уравнения действительные, отрицательные и различные.

Точка покоя будет устойчива. Такая точка покоя называется Устойчивым узлом.

2) Корни характеристического уравнения действительны и

или .

В этом случае точка покоя также будет устойчива.

3) Хотя бы один из корней положителен.

В этом случае точка покоя Неустойчива, и такую точку называют Неустойчивым седлом.

4) Оба корня характеристического уравнения положительны .

В этом случае точка покоя Неустойчива, и такую точку называют Неустойчивым узлом.

Если полученного решения Системы исключить параметр T, то полученная функция дает траекторию движения в системе координат XOY.

Возможны следующие случаи:

b b

Устойчивый узел. Неустойчивый узел. Седло.

5) Корни характеристического уравнения комплексные .

Если Р = 0, т. е. корни чисто мнимые, то точка покоя (0, 0) устойчива по Ляпунову.

Такая точка покоя называется Центром.

Если P 0, то точка покоя неустойчива и называется Неустойчивым фокусом.

Уравнения математической физики.

Уравнения в частных производных.

Определение. Дифференциальным уравнением в частных производных Называется уравнение относительно неизвестной функции нескольких переменных, ее аргументов и ее частных производных различных порядков.

Порядком Дифференциального уравнения в частных производных называется порядок старшей производной, входящей в это уравнение. Решением Уравнения будет некоторая функция , которая обращает уравнение в тождество.