Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ODU_4.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
726 Кб
Скачать
☆

то есть

∂y

= R(x, x0 ) – резольвента линейной системы z′ = fy′(x, y(x), μ)z .

∂y0

 

A(x)

 

 

Следствие 3:

μ~(τ )=τ , тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

(τ)= x0 = const

~

(τ )= y0

= const

и

Пусть в предыдущей теореме x0

y0

∂y

удовлетворяет условиям

 

 

 

 

 

 

 

∂μ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

∂y

= fy′(x, y(x), μ)

∂y

+

fμ′(x, y(x), μ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x ∂μ

∂μ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

∂μ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x=x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первые интегралы систем дифференциальных уравнений. Задание общего решения системы с помощью полной системы первых интегралов.

Рассмотрим систему

 

 

 

 

y′ = f (x, y) (1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будем предполагать, что

f (x, y) и

∂f

(x, y)

(i =

 

)непрерывны в области G Rn+1 (

∂f

1, n

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

может не существовать).

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

def: Соотношение F(x, y)= C

(F : G → R)

называется первым интегралом системы (1) в

области G, если выполняется 3 условия:

 

 

 

 

−1

 

 

∂F

 

∂F

 

 

 

 

 

1) F C (G)

 

òî åñòü

 

è

 

непрерывны

 

 

 

∂x

∂yi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)F(x, y)≡/ const ни в какой окрестности произвольной точки из G.

3)Если y(x) – решение системы (1), то F(x, y(x))≡ const (те есть F(x, y)= const на графике решения системы(1))

def: Система первых интегралов системы (1) F(x, y)= Ci i =1, n называется полной в не-

которой области G, если D((F1,…, Fn ))≠ 0 (Якобиан) в каждой точке из G.

D y1,…, yn

Теорема:

Полная система первых интегралов системы (1) задает решение системы (1) (локально). Доказательство:

 

 

 

 

 

 

not

◄ Пусть (x0 , y0 ) – произвольная точка из G, тогда соотношения Fi (x, y)≡ Fi (x0 , y0 )= Ci

i =

 

определяют неявно единственную функцию y(x) C1

в окрестности точки x ,

1, n

удовлетворяющую условию y(x0 )= y0 .

 

 

 

0

По теореме о неявной функции (эту теорему

можно применить, так как F(x, y) C1

и D(F1

,…, Fn ) ≠ 0 ) F (x, y(x))≡ C в окрестности

 

 

 

D(y1

,…, yn )

i

i

 

 

 

 

 

точки x0

i =

1, n

. С другой стороны, по теореме о ! решения задачи Коши, существует

единственное решение

~

y(x) системы (1), удовлетворяющее начальному условию

~

( f (x, y) – локально удовлетворяет условию Липшица по y , так как по пред-

y(x0 )= y0

33

положению ∂∂yfi непрерывна на G). В силу условия 3), для первых интегралов все функ-

 

 

~

(x))≡ const = Fi (x0

, y0 )

 

 

 

ции

i =1, n . В силу единственности неявной функции будет

fi (x, y

~

(x)≡ y(x) в окрестности точки

x0 . ►

y

Существование полной системы первых интегралов

Теорема:

Пусть y(x) – некоторое решение системы y′ = f (x, y) (1) на [a,b]. Тогда в окрестности графика y(x) существует полная система первых интегралов системы (1).

в этой окрестности существует полная система первый

y(x) интегралов

a b

Доказательство:

y

y0

а x0 x b

◄ Пусть (x0 , y0 ) – точка на графике, а (x, y) – другая точка на графике. Тогда решение y(x)=ϕ(x, x0 , y0 ). Далее ϕ(x0 , x, y)= y0 . В силу единственности интегральной линии,

проходящей через точку (x, y). Положим ψi (x, y)=ϕi (x0 , x, y) (фиксируем

x0 ), ( i =

 

).

1, n

Покажем, что соотношение ψi (x, y)= Ci – полная система первых интегралов системы

(1).

 

 

 

 

 

 

Проверим 3 условия.

 

 

 

 

1) функции ψi (x, y) определены в окрестности графика y(x) и C1 по теореме о диффе-

ренцируемости по начальным данным и параметру.

 

 

 

 

2) условие 2) докажем позже.

~

~

 

 

 

 

~

~

 

 

3) Пусть y

(x) – решение системы (1), тогда ψi (x, y(x))= =ϕi (x0 , x, y(x))= y(x0 ), то есть

условие 3) проверено.

 

 

 

 

Заметим, что ψ′y (x, y)=ϕ′y (x0 , x, y) (матрица Якоби) –

резольвента линейной системы

 

∂

 

~

 

 

 

 

 

 

z(x0 )=

f y′(x0 , y(x0 ))z(x0 ) (здесь переменная x0 , а x, y

– начальные данные).

 

∂x0

 

 

 

 

 

 

 

По следствию 2 теоремы о дифференцируемости решения задачи Коши по начальным данным и параметру detψ′y (x, y)≠ 0 , так как резольвента является ФМР, то есть

D((ψ1,…,ψn)) ≠ 0 .

D y1,…, yn

34

Если бы ψi (x, y)≡ const , для некоторого i , в некоторой окрестности из G, то ∂ψi ≡ 0

∂yi

i =1, n в этой окрестности, а тогда i-я строка матрицы ψ′y (x, y) равнялась бы нулю detψ′y (x, y)≡ 0 в этой окрестности, а это не так ψi (x, y)≡/ const ни в какой окрестно-

сти из G, для каждого i =1, n , то есть условие 2) проверено. ψi (x, y)= Ci i =1, n – система первых интегралов, заодно доказано, что она является полной. ►

Линейные однородные УрЧП первого порядка. Связь с первыми интегралами соответствующей системы ОДУ. Замечание о квазилинейных уравнениях.

Рассмотрим систему ОДУ

 

 

 

y′ = f (x, y) (1).

 

 

 

 

 

 

 

 

В прежних предположениях ( f

и

∂f

непрерывны на G ).

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

Пусть F(x, y)= C − первый интеграл системы (1), тогда

 

z(x)= F(x, y(x))

свойство3

 

 

 

≡

const

dz

∂F

(x, y(x))

n

∂F(x, y(x))

fi (x, y)≡ 0

dx

= ∂x

+ ∑

∂y

i

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

(fi (x, y)

= yi′(x)).

 

 

Поскольку через каждую точку из G проходит график решения, то всюду в G будет:

 

 

 

 

n

∂∂yF fi (x, y)= 0

 

 

 

 

∂∂Fx + ∑

(2)

 

 

 

 

i =1

i

 

 

 

 

это линейное однородное УрЧП первого порядка относительно функции F .

Обратное утверждение

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть F(x, y) C1(G), F(x, y)≠ const

ни в какой окрестности произвольной точки из G

и F удовлетворяет УрЧП (2). Тогда соотношение F(x, y)= C является первым интегра-

лом системы (1) Доказательство:

◄ Надо проверить только условие 3). Пусть y(x) − решение системы (1), тогда

 

d

 

∂F

n

∂F(x, y(x))

 

 

 

F(x, y(x))=

∂x

(x, y(x))+ ∑

∂y

fi (x, y)= 0 ,

 

dx

 

 

 

 

i =1

i

 

 

 

 

 

(fi (x, y)= yi′(x)),

 

так как F − решение УрЧП (2) F(x, y(x))≡ const ►

 

Лемма:

Fi (x, y)= Ci (i =1, s)− первые интегралы системы (1) в области G , а Φ(u1,…,us ) − производная функция класса C1 с соответствующей областью определения. Тогда z(x, y)= Φ(F(x, y),…, Fs (x, y)) − решение УрЧП (2).

Доказательство:

◄ Подставим это z(x, y) в (2). Имеем

35

 

 

 

∂z

n

∂z

 

 

 

 

 

 

s

∂Φ ∂F

 

 

n

s

∂Φ ∂F

 

 

 

∂x +∑

 

fi (x, y)=

∑

 

 

 

 

∂xi +∑

∑

 

 

 

∂yi fi (x, y)=

 

 

 

∂y

∂u

j

 

∂u

j

 

 

 

 

 

i=1

i

 

 

 

 

 

 

j=1

 

 

 

 

 

 

 

i=1

j=1

 

i

 

 

 

 

 

 

 

s

∂Φ

 

∂F

j

 

 

 

n

∂F

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

+

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂yi

fi (x, y) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

j =1

∂u j

 

 

 

 

i =1

 

 

 

 

 

 

так как Fj удовлетворяет условию (2) (мы с этого начинали) ►

Теорема:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общее решение УрЧП (2) имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z(x, y)= Φ(F1(x, y),…, Fn (x, y)) (3),

где Fi (x, y)= Ci

 

(i =

 

)− полная система первых интегралов системы (1), а Φ(u1,…,un ) −

 

1, s

произвольная функция класса C1

с соответствующей областью определения (локально).

Доказательство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◄ Если z(x, y)

определяется по формуле (3), то z(x, y) − решение УрЧП (2) (по лемме).

 

 

 

~

 

 

− произвольное решение УрЧП (2). Покажем, что оно предста-

Обратно: Пусть F(x, y)

вимо по формуле (3). Имеем

 

~

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂∂Fx + ∑

∂yF fi (x, y)= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =1

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

n

∂F

fi (x, y)= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

+ ∑ y 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

n

∂F

fi (x, y)= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

+ ∑ y n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x, y) эта

 

 

 

 

 

i =1

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при фиксированном

алгебраическая

система

имеет ненулевое решение

(1, f1(x, y),…, fn (x, y)). Следовательно ее определитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

, F1,…, Fn )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(F

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(x, y1 …, yn )

 

 

 

 

 

В силу полноты системы первых интегралов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(F1,…, Fn )

 

≠ 0 всюду в G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D(y1 …, yn )

 

 

 

 

следовательно Rang = n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По теореме о ранге, существует такая функция

 

 

 

 

 

 

 

 

Φ(u1,…,un ) C

1

:

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(x, y)= Φ(F1(x, y),…, Fn (x, y)) (локально) ►

Итак, для нахождения общего решения УрЧП (2) находят полную систему первых интегралов соответствующей систем ОДУ (1) Fi (x, y)= Ci (i =1, s). И записывают общее решение УрЧП (2) по формуле (3), то есть z(x, y)= Φ(F(x, y),…, Fn (x, y)), где Φ(u1,…,un ) − произвольная функция C1 с соответствующей областью определения.

Симметричная форма линейных однородных УрЧП первого порядка

Рассмотрим УрЧП

∂z

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1

+…+ Xn

 

= 0 , (4)

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Xi = xi (x1,…, xn ) − функции класса C1

(i =

 

), причем

 

X1

 

+…+

 

X n

 

> 0 . Допустим,

1, s

 

 

 

 

что X1 ≠ 0 в некоторой окрестности. Разделим на X1 :

36

 

∂z

+

X2

 

 

∂z

+…+

Xn

 

∂z

= 0 − это УрЧП вида (2)

 

∂x

 

∂x

 

 

 

 

 

X

1

 

 

 

 

 

X

1

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

(Роль x играет x1 , роль y1 играет x2 , …, роль yn−1

играет xn ). Соответствующая система

ОДУ имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx2

=

X 2

 

 

,…, dxn

=

 

X n

 

 

или

dx1

= dx2

=…= dxn (5)

 

 

 

 

 

 

dx

 

X

1

 

 

 

dx

 

 

X

1

 

 

 

 

X

1

X

2

X

n

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( n −1 уравнение) в симметричной форме.

Как показано раньше, для нахождения общего решения УрЧП (4) надо найти полную систему первых интегралов системы (5):

Fi (x1, x2 ,…, xn )= Ci i =1, n −1

и записать общее решение в виде

z(x1,…xn )= Φ(F(x1,…xn ),…, Fn−1(x1,…xn )),

где Φ(u1,…,un−1 ) − произвольная функция класса C1 с соответствующей областью определения.

Замечание о квазилинейных уравнениях

Рассмотрим УрЧП

∂z

 

∂z

 

X1

+…+ Xn

= Z (6),

∂x

∂x

 

 

 

 

1

 

n

 

где X1,…, Xn , Z − функция класса C1 от x1,…, xn , z .

УрЧП (6) − квазилинейное УрЧП первого порядка, оно линейно по ∂z ,…, ∂z , причем

∂x1 ∂xn

X1 +…+ X n > 0 . Будем искать решение УрЧП (6) в неявной форме

V (x1,…xn , z)= const (7),

где V − функция класса C1 , причем ∂∂Vz ≠ 0 всюду в рассматриваемой области.

Получим уравнение для V .

Пусть z(x1,…, xn ) − решение УрЧП (6), подставим это z в (7) и продифференцируем по xi :

 

 

∂V

 

∂V

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

∂V

∂x

 

 

+

= 0 , ( i =1, n )

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

.

 

 

∂xi

∂z

∂xi

∂xi

∂V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

∂V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставим это в (6) и умножим на −

 

, получим

 

 

 

 

 

∂z

∂V

 

 

 

 

 

 

 

 

X1 ∂V

 

 

 

∂V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+…+ Xn

+ Z

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

Это УрЧП вида (4) для V . Поэтому (см. выше) для нахождения общего решения УрЧП

(6)

находят

полную систему

первых

интегралов соответствующей системы ОДУ

dx1

=…= dxn = dz n −уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1

Xn

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

То есть

F1(x1,…, xn , z)= 0

Fn (x1,…, xn , z)= 0

и записывают общее решение УрЧП (6) в виде (7)

V (x1,…, xn , z)= Φ(F1 (x1,…, xn , z),…, Fn (x1,…, xn , z)),

37

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]