Системы с постоянной четной частью

Дипломная работа

"Системы с постоянной четной частью"

Содержание

• Введение 3
• 1. Четные и нечетные вектор-функции 4
• 2. Основные сведения из теории отражающих функций 6
• 3. Системы чёт-нечет 11
• 4. Построение примеров систем, четная часть общего решения которых постоянная 14
• 5. Простые и простейшие системы 22
• 6. Построение множества систем, четная часть общего решения которых постоянна 26
• 6.1 Системы, имеющие постоянную четную часть 26
• 6.2 Построение систем с заданной четной частью 27
• Заключение 31

Список использованных источников………………………………………… 25

Введение

Основным инструментом нашего исследования является понятие отражающей функции. Исследования с помощью отражающей функции позволяет получить новые результаты даже для уже хорошо изученных линейных систем.

Рассмотрим систему

считая, что её правая часть непрерывна и имеет непрерывные частные производные по . Общее решение этой системы в форме Коши обозначим через . Через обозначим интервал существования решения

Пусть

Определение: Отражающей функцией системы назовем дифференцируемую функцию

определяемую формулой

или формулами

Для отражающей функции справедливы свойства:

1) Для любого решения

системы верно тождество

2) Для отображающей функции любой системы выполнены тождества:

3) Дифференцируемая функция

будет отражающей функцией системы тогда и только тогда, когда она удовлетворяет уравнениям в частных производных

и начальному условию

Уравнение будем называть основным уравнением (основным соотношением) для отражающей функции.

Доказательство. Свойство 1) следует непосредственно из определения . Для доказательства свойства 2) заметим, что согласно свойству 1) для любого решения системы верны тождества

Из этих тождеств в силу того, что через каждую точку проходит некоторое решение системы , и следуют тождества .

Приступим к доказательству свойства 3). Пусть - отражающая функция системы . Тогда для неё верно тождество . Продифференцируем это тождество по и воспользуемся тем, что - решение системы , и самим тождеством . Получим тождество

из которого в силу произвольности решения следует, что - решение системы . Начальное условие согласно свойству 2) так же выполняется.

Пусть некоторая функция удовлетворяет системе и условию . Так как этой системе и этому условию удовлетворяет так же и отражающая функция, то из единственности решения задачи - функция должна совпадать с отражающей функцией. Свойство 3) доказано.

Лемма Основная лемма 3 Пусть правая часть системы -периодична по , непрерывна и имеет непрерывные частные производные по переменным . Тогда отображение за период для системы можно найти по формуле

и поэтому решение

системы будет -периодическим тогда и только тогда, когда есть решение недифференциальной системы

В качестве следствия этой леммы докажем следующее предположение.

Утверждение 4 Пусть непрерывно дифференцируемая функция -периодична и нечетна по , т.е.

и . Тогда всякое продолжение на отрезок решение системы будет -периодическим и четным по .

Доказательство. Для доказательства достаточно заметить, что функция удовлетворяет уравнению и условию . Поэтому она согласно свойству 3) является отражающей функцией рассматриваемой системы. Уравнение в нашем случае вырождается в тождество, и ему удовлетворяет любое , для которого определено значение

Согласно основной лемме любое продолжимое на решение системы будет -периодическим. Четность произвольного решения системы следует из тождеств

справедливых в силу свойства 1) отражающей функции.

Справедливы следующие утверждения .

Теорема 5 Пусть все решения системы -периодичны и однозначно определяются своими начальными данными. Тогда отражающая функция этой системы -периодична по

Теорема 6 Пусть система -периодична по а ее решения однозначно определяются своими начальными данными и существуют при всех Если, кроме того, отражающая функция этой системы -периодична по то все решения системы периодичны с периодом

Аналогичная теорема имеет место в том случае, когда не все решения системы продолжимы на отрезок При этом заключение о -периодичности можно сделать лишь для тех решений, которые существуют при всех

Из -периодичности отражающей функции следует -периодичность всех продолжимых на решений периодической системы . Из -периодичности отражающей функции не следует, вообще говоря, -периодичность решений -периодической системы, хотя следует их -периодичность.

Не следует думать, что если все решения -периодической системы -периодичны, то ее отражающая функция обязана быть -периодической. Этому противоречит пример уравнения

В случае, когда , т.е. когда система вырождается в уравнение, верна

Теорема 7 Пусть уравнение -периодично по а его решения однозначно определяются своими начальными данными и существуют при всех Тогда для того, чтобы все решения уравнения были -периодичны, необходима и достаточна -периодичность по отражающей функции этого уравнения.

3. Системы чёт-нечет

Рассмотрим систему

Будем считать, что всюду в дальнейшем эта система удовлетворяет условиям:

а) Функция непрерывно дифференцируема, и поэтому, задача Коши для системы имеет единственное решение;

б) Правая часть системы -периодична по .

Лемма 8 Пусть система удовлетворяет условиям а) и б). Тогда продолжимое на отрезок решение этой системы будет -периодическим тогда и только тогда, когда

где

- есть нечетная часть решения .

Доказательство. Пусть - -периодическое решение системы . Тогда

Необходимость доказана.

Пусть - решение системы , для которого . Тогда

и поэтому

Таким образом, точка есть неподвижная точка отображения за период, а решение - -периодическое.

Доказанная лемма, вопрос о периодичности решения

сводит к вычислению одного из значений нечетной части . Иногда относительно можно сказать больше, чем о самом решении . Это позволяет в таких случаях делать различные заключения относительно существования периодических решений у систем вида . Дифференцируемые функции

удовлетворяют некоторой системе дифференциальных уравнений. Прежде, чем выписать эту систему, заметим:

так как

решение системы . Заменяя в тождестве на и учитывая, что производная четной функции - функция нечетная, а производная нечетной функции - функция четная, получаем тождество -

Из тождеств и найдем производные:

Таким образом вектор-функция

удовлетворяет следующей системе дифференциальных уравнений порядка :

При этом

Систему будем называть системой чет-нечет, соответствующей системе . решение системы чет-нечет, как следует из условия а), однозначно определяется своими начальными условиями.

4. Построение примеров систем, четная часть общего решения которых постоянная

Пример

Найдем решение: будем использовать метод исключения, возьмем первое уравнение системы и выразим из него :

теперь продифференцируем его

Мы можем приравнять левую часть полученного уравнения с левой частью второго уравнения исходной системы

Сделаем преобразования и приведем подобные

Таким образом:

Сделаем проверку, для этого в исходную систему подставим полученное решение:

Получили верные равенства. Значит было найдено правильное решение исходной системы.

Четная часть общего решения:

Пример

Найдем решение: будем использовать метод исключения, возьмем первое уравнение системы и выразим из него :

теперь продифференцируем его

Мы можем приравнять левую часть полученного уравнения с левой частью второго уравнения исходной системы

Сделаем преобразования и приведем подобные

Таким образом:

Сделаем проверку:

Четная часть общего решения

Пример

Найдем решение: будем использовать метод исключения, возьмем первое уравнение системы и выразим из него :

теперь продифференцируем его

Мы можем приравнять левую часть полученного уравнения с левой частью второго уравнения исходной системы

Получили два решения и .

1) ;

2) ;

Сделаем проверку для :

Получили верные равенства. Значит было найдено правильное решение исходной системы.

Сделаем проверку для :

Отсюда видно, что не являются решением для исходной системы.

Таким образом:

Четная часть общего решения

Из данных примеров можем заметить, что решения систем записывается в виде:

где и - нечетные функции, а четная часть представлена константой.

; ;

Системы вида будут иметь семейства решений с постоянной четной частью. В этом легко убедится, проделав вычисления, аналогичные предыдущим примерам.

5. Простые и простейшие системы

Лемма 9 Для всякой непрерывно дифференцируемой функции

для которой выполнены тождества , имеют место соотношения

Теорема 10 Для всякой дважды непрерывно дифференцируемой функции определенной в симметричной области , содержащей гиперплоскость для которой выполнены тождества , существует дифференциальная система

c непрерывно дифференцируемой правой частью, отражающая функция которой совпадает с .

Теорема 11 Для всякой дважды непрерывно дифференцируемой функции

определенной в области содержащей гиперплоскость , для которой выполнены тождества , при всех и достаточно малых существует дифференциальная система

отражающая функция которой совпадает с а общий интеграл задается формулой

Следствие 12 Дважды непрерывно дифференцируемая функция

является отражающей функцией хотя бы одной дифференциальной системы тогда и только тогда, когда для нее выполнены тождества .

Системы, существование которых гарантируется теоремами и , называются соответственно простой и простейшей.

Теорема 13 Пусть

простейшая система, тогда

где - отражающая функция системы .

Доказательство. Если система простейшая,

Теорема 14 Пусть

есть отражающая функция некоторой дифференциальной системы, решения которой однозначно определяются своими начальными данными, а для непрерывно дифференцируемой функции

выполнены тождества . Тогда для того, чтобы в области функция совпадала с необходимо и достаточно, чтобы рассматриваемая система имела вид

или вид

где

есть некоторая непрерывная вектор-функция.

Будем говорить, что множество систем вида образует класс эквивалентности, если существует дифференцируемая функция

со свойствами:

1) Oтражающая функция

любой системы из рассматриваемого множества совпадает в своей области определения с функцией

2) Любая система вида , отражающая функция

которой совпадает в области с функцией содержится в рассматриваемом множестве.

Две системы вида , принадлежащие одному классу эквивалентности, будем называть эквивалентными. Допуская определенную вольность речи, будем говорить также, что они имеют одну и ту же отражающую функцию. Функцию при этом будем называть отражающей функцией класса, а класс - соответствующим отражающей функции .

Из третьего свойства отражающей функции следует, что система и система

принадлежат одному классу эквивалентности тогда и только тогда, когда система уравнений

совместна.

Необходимым условием совместности этой системы является тождество .

6. Построение множества систем, четная часть общего решения которых постоянна

6.1 Системы, имеющие постоянную четную часть

Пусть нам дана система

Перед нами стоит следующий вопрос о том, когда семейство решений этой системы будут иметь постоянную четную часть.

То есть, когда не будет зависеть от времени .

Возьмем отражающую функцию системы и используя

получим четную часть следующим образом:

Теорема 15 Если выполнено тождество

где - отражающая функция, для линейной системы вида , то любое решение этой системы имеет постоянную четную часть.

Доказательство. Возьмем любое решение системы . Его производная

Поэтому можем записать

Из условия теоремы имеем

Таким образом получили, что - четная вектор-функция. Тогда

6.2 Построение систем с заданной четной частью

Рассмотрим систему . Будем строить систему с заданной четной частью.

Пусть нам известна четная часть . Воспользуемся формулой и преобразуем ее

Следовательно, можем записать

Отсюда зная , получим

где - отражающая функция системы. Исключая из предыдущего соотношения, с произвольной отражающей функцией , удовлетворяющей условию

получим требуемую систему.

Пример 16 Пусть

где - заданная четная часть, . Продифференцируем обе части равенства

Преобразуем правую часть

Перепишем полученное в виде:

Выразим :

Для всех систем вида должно быть выполнено условие

Возьмем

Найдем , . ;

Подставим значения , в систему :

Получаем требуемую систему:

Пример 17 Пусть

где - заданная четная часть, . Продифференцируем обе части равенства

и преобразуем правую часть

Перепишем полученное в виде:

Выразим :

Для всех таких систем должно быть выполнено условие .

Возьмем . Найдем , . ,

Подставим найденные значения в систему и сделав преобразования аналогичные примеру , получаем:

Рассмотрим теперь общий случай, когда нам задана четная часть общего решения системы с отражающей функцией . В этом случае

Поэтому, если нам задана, то из соотношения

при заданной мы найдем общее решение искомой системы. Саму систему мы построим исключая из соотношений

Таким образом, мы пришли к

Теорема 18 Всякая система

где находятся из системы

при любой заданной дифференцируемой функции , удовлетворяющей соотношениям

имеет общее решение с четной частью .

Если

то система имеет вид:

Таким образом, мы пришли к выводу:

Следствие 19 Общее решение дифференциальной системы имеет постоянную четную часть тогда и только тогда, когда эта система простейшая.

Заключение

Основным результатом данной работы является построение дифференциальных систем, семейство решений которых имеет заданную четную часть. А так же теорема о связи простейшей системы и системы, семейство решений которой имеет постоянную четную часть.

Список использованных источников

Арнольд В.И., Обыкновенные дифференциальные уравнения, М.: Наука, 1971 - 240 с.

Бибиков Ю.Н., Общий курс дифференциальных уравнений, изд. Ленинградского университета, 1981 - 232 с.

Еругин Н.П., Книга для чтения по общему курсу дифференциальных уравнений. 3-е издание, М. изд. Наука и Техника, 1979 - 744 с.

Мироненко В.И., Отражающая функция и периодические решения дифференциальных уравнений, г. Минск: изд. Университетское, 1986 - 76 с.

Понтрягин Л.С., Обыкновенные дифференциальные уравнения, М.: Наука, 1970 - 331 с.