- •Введение
- •Глава 1. Ряды фурье
- •§ 1. Векторные пространства
- •§ 2. Скалярное произведение и норма функций
- •§ 3. Ортогональные системы функций. Коэффициенты Фурье. Ряд Фурье
- •§ 4. Сходимость в среднем. Равенства Парсеваля
- •§ 5. Тригонометрический ряд Фурье на промежутке [–l, l]
- •§ 6. Сходимость тригонометрического ряда Фурье. Теорема Дирихле
- •§ 8. Ряд Фурье для функции, заданной на промежутке [0, l]
- •§ 7. Разложение в тригонометрические ряды четных и нечетных функций
- •§ 9. Ряды Фурье для комплексных функций
- •§ 10. Комплексная форма тригонометрического ряда Фурье
- •Глава 2. Интеграл фурье
- •§ 11. Сходимость интеграла Фурье
- •§ 12. Преобразование Фурье
- •§ 13. Основные сведения из теории преобразования Фурье
- •Глава 3. Операционное исчисление
- •§ 14. Преобразование Лапласа
- •§ 15. Изображения простейших функций
- •§ 16. Основные теоремы операционного исчисления
- •§ 17. Формула разложения Хевисайда
- •§ 18. Операторный метод решения дифференциальных уравнений
- •§ 19. Приложения
- •Примеры для самостоятельного решения
- •Оглавление
§ 17. Формула разложения Хевисайда
Пусть изображение функции представляет собой дробно-рациональную функцию.
Теорема.
Пусть
,
где
и
– дифференцируемые функции. Введем
как полюсы функции
,
т.е. корни (нули) ее знаменателя. Тогда,
если![]()
,
получим формулу Хевисайда:
.
(17.1)
Доказательство
проведем для случая, когда
и
– многочлены степенейт
и п
соответственно, при этом т п.
Тогда
– правильная рациональная дробь.
Представим
в виде суммы простейших дробей:
.
(17.2)
Отсюда
Коэффициенты
найдем из тождества (17.2), переписав его
в виде
,
где
.
Умножим
обе части последнего равенства на
и перейдем к пределу при
.
Учитывая, что
и
,
получим
,
откуда и следует (17.1). Теорема доказана.
Замечание 1.
Если коэффициенты многочленов
и
вещественны, то комплексные корни
многочлена
попарносопряжены.
Следовательно, в формуле (17.1) комплексно
сопряженными величинами будут слагаемые,
соответствующие комплексно сопряженным
корням многочлена
,
и формула Хевисайда примет вид
,
(17.3)
где
первая сумма распространена на все
вещественные корни многочлена
,
вторая – на все его комплексные корни
с положительными мнимыми частями.
Замечание 2.
Каждый
член формулы (17.1) представляет собой
записанное в комплексной форме колебание
,
где
.
Таким образом, вещественным корням (
)
соответствуют апериодические колебания,
комплексным корням с отрицательными
вещественными
частями
– затухающие колебания, чисто мнимым
корням
– незатухающие гармонические колебания.
Если
знаменатель
не имеет корней с положительнымивещественными
частями
,
то при достаточно больших значениях
получим установившийся режим:
,
(17.4)
где
;
–чисто
мнимые корни многочлена
с
положительными мнимыми частями.
Колебания,
соответствующие корням с отрицательными
вещественными частями, экспоненциально
затухают при
и
поэтому не входят в установившийся
режим.
Пример 1. Найти оригинал изображения
.
Решение.
Имеем
.
Выпишем корни многочлена
:
.
По формуле (17.1)
.
Здесь
,
,
так как числа
– корни уравнения
.
Следовательно,
.
Пример 2. Найти оригинал изображения
,
где
а 0;
.
Решение.
Здесь функция
,
помимо очевидного корня
,
имеет бесконечно много корней, являющихся
нулями функции
.
Решая уравнение
,
получим
,
откуда![]()
![]()
.
Таким
образом, корни знаменателя
имеют вид
и
,
где![]()
Далее запишем
;
![]()
;
![]()
По формуле (17.3) находим оригинал
![]()
§ 18. Операторный метод решения дифференциальных уравнений
Дифференциальные уравнения. Рассмотрим задачу Коши для линейного дифференциального уравнения
(18.1)
(здесь
)
с начальными условиями
.
(18.2)
Переходя в (18.1) к изображениям, в силу линейности преобразования Лапласа будем иметь
.
(18.3)
Изображения производных, используя теорему 3 § 16 и начальные условия (18.2), запишем в виде
.
(18.4)
Подставив (18.4) в (18.3), после несложных преобразований получим операторное уравнение
,
(18.5)
где
(характеристический многочлен);![]()
.
Из уравнения (18.5) найдем операторное решение
.
(18.6)
Решением задачи Коши (18.1), (18.2) является оригинал операторного решения (18.6):
![]()
Для
задачи Коши
в принятых обозначениях можно записать
;
;
.
Операторное уравнение имеет вид
.
разложим операторное решение на простейшие дроби:
![]()
.
С помощью формул, полученных в § 15, получим оригиналы:
.
Таким образом, решение задачи Коши будет иметь вид
.
Пример 1. Решить
задачу Коши для дифференциального
уравнения
с
начальными условиями
,
где
.
Решение. Запишем операторное уравнение
.
Его решение имеет вид
.
Используя теорему 2 § 16, последовательно найдем:
![]()
![]()
.
Пример 2. Решить
задачу Коши для дифференциального
уравнения
с нулевыми начальными условиями, где
– ступенчатая импульсная функция.
Решение. Запишем операторное уравнение
![]()
и его решение
.
Из теоремы 2 § 16 следует
;
в соответствии с теоремой запаздывания (§ 15)
.
Окончательно,
.
Пример 3. На
точку массой т,
прикрепленную к пружине жесткостью с
и находящуюся на гладкой горизонтальной
плоскости, действует периодически
меняющаяся сила
.
В момент времени
точка подверглась удару, несущему
импульс
.
Пренебрегая сопротивлением, найти закон
движения точки, если в начальный момент
времени она покоилась в начале координат.
Решение. Уравнение движения запишем в виде
,
где
– упругая сила;
– функция Дирака. Решим операторное
уравнение
,
где
.
При![]()
![]()
.
Если
(случай резонанса), то
.
По теореме запаздывания
.
Окончательно,

Интеграл
(формула) Дюамеля. Рассмотрим
задачу Коши для уравнения (18.1) при
начальных условиях
![]()
.
Операторное решение в этом случае имеет
вид
.
Пусть
весовая функция
– оригинал для
.тогда
по теореме 1 § 16 получим
.
(18.7)
Соотношение (18.7) называется интегралом (формулой) Дюамеля.
Замечание.
При ненулевых начальных условиях формула
Дюамеля непосредственно неприменима.
В этом случае необходимо предварительно
преобразовать исходную задачу к задаче
с однородными (нулевыми) начальными
условиями. Для этого введем новую функцию
,
полагая
(18.8)
где
– начальные значения искомого решения
.
Как
легко видеть,
,
и следовательно,
.
Таким
образом, функция
– решение уравнения (18.1) с правой частью
,
полученной в результате подстановки
(18.8) в (18.1), при нулевых начальных данных.
Используя
(18.7), найдем
и![]()
.
Пример 4. С помощью интеграла Дюамеля найти решение задачи Коши
![]()
с
начальными условиями
.
Решение. Начальные
данные ненулевые. Полагаем, в соответствии
с (18.8),
.
Тогда![]()
,
и для определения
получим уравнение
с
однородными начальными условиями.
Для
рассматриваемой задачи характеристический
многочлен
,
весовая функция
.
По формуле Дюамеля
![]()
.
Окончательно,
.
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Задача Коши для системы линейных дифференциальных уравнений в матричной записи имеет вид
,
(18.9)
где
– вектор искомых функций;
– вектор правых частей;
–матрица
коэффициентов;
– вектор начальных данных.
Переходя в (18.9) к изображениям, получим операторную систему
,
(18.10)
где
– Лаплас-образы векторов искомых функций
и правых частей соответственно.
Из (18.10) находим операторное решение
,
(18.11)
где
;Е
– единичная матрица.
Оригинал
операторного решения
(18.11)
является решением исходной задачи Коши
(18.9).
Обозначим
весовую матрицу, т.е. матрицу-оригинал
для
,
где
Тогда из (18.11) в соответствии с теоремой 1
§ 16 будем иметь
.
(18.12)
При нулевых начальных условиях
.
(18.13)
Соотношение (18.13) представляет собой матричный аналог интеграла Дюамеля.
Пример 5. Найти решение задачи Коши
![]()
с
начальными условиями
.
Решение. Запишем систему и начальные условия в матричной форме:
,
где
.
Тогда
![]()
;


.
Окончательно, по формуле (18.12) получим
![]()
или

Замечание. Формулы (18.12) и (18.13) имеют большое теоретическое значение, поскольку позволяют исследовать поведение решения системы дифференциальных уравнений в зависимости от начальных данных и правых частей. Однако для практического применения эти формулы мало пригодны, так как зачастую требуют проведения громоздких выкладок, связанных с вычислением обратных матриц, матричных сверток и т.п. Поэтому на практике обычно применяют операторный метод, не переходя к матричной записи системы уравнений, а при решении операторной системы используют конкретные особенности исследуемой задачи.
Пример 6. Решить задачу Коши:

с
начальными условиями
.
Решение. Перейдем в данной системе к изображениям. С учетом начальных условий будем иметь

Запишем решение операторной системы
.
Тогда
.
