85583 (Дифференциальные системы, эквивалентные автономным системам с известным первым интегралом)
Описание файла
Документ из архива "Дифференциальные системы, эквивалентные автономным системам с известным первым интегралом", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "математика" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "курсовые/домашние работы", в предмете "математика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "85583"
Текст из документа "85583"
Министерство образования Республики Беларусь
Гомельский Государственный университет имени Франциска Скорины
Курсовая работа
«Дифференциальные системы, эквивалентные автономным системам с известным первым интегралом»
Гомель 2006
Реферат
Курсовая работа состоит из 19 страниц, 3-х источников.
Ключевые слова: эквивалентная система, первый интеграл дифференциальной системы, отражающая функция, эквивалентность систем в смысле совпадения отражающих функций, непрерывно дифференцируемая функция, непрерывная скалярная нечётная функция.
Целью курсовой работы является нахождение связи между первым интегралом системы и эквивалентными системами.
Содержание
Введение
Отражающая функция
Первый интеграл дифференциальной системы и условия его существования
Возмущения дифференциальных систем, не изменяющих временных симметрий
Общее решение
Заключение
Список использованных источников
Введение
В курсовой работе мы находим связь между первым интегралом и эквивалентными системами.
В результате приходим к теореме, которая звучит так:
Пусть первый интеграл системы , (1). Если , удовлетворяет уравнению , то указанная система эквивалентна системе , , (2). И если, кроме того , где - некоторая функция ( -может равняться const), тогда первый интеграл системы (2) выражается следующей формулой , где и .
Отражающая функция
Определение. Рассмотрим систему
(1)
cчитая, что правая часть которой непрерывна и имеет непрерывные частные производные по . Общее решение в форме Коши обозначено через ). Через обозначим интервал существования решения .
Пусть
Отражающей функцией системы (1) назовём дифференцируемую функцию , определяемую формулой
Для отражающей функции справедливы свойства:
-
для любого решения системы (1) верно тождество
-
для отражающей функции F любой системы выполнены тождества
3) дифференцируемая функция будет отражающей функцией системы (1) тогда и только тогда, когда она удовлетворяет системе уравнений в частных производных
и начальному условию
Рассмотрим систему (1*) считая, что её правая часть непрерывно дифференцируемая. Будем говорить, что множество систем вида (1*) образует класс эквивалентности, если существует дифференцируемая функция со свойствами: 1) отражающая функция любой системы из рассматриваемого множества совпадает в области определения с функцией ; 2) Любая система вида (1*), отражающая функция которая совпадает в области с функцией , содержится в рассматриваемом множестве.
Две системы вида (1*), принадлежащие одному классу эквивалентности, будем называть эквивалентными. Допуская определённую 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 .
Первый интеграл дифференциальной системы и условия его существования
Рассмотрим систему = (1) с непрерывной в области D функцией f. Дифференцируемая функция U (t, x), заданная в некоторой подобласти G области D, называется первым интегралом системы (1) в области G, если для любого решения x(t), t , системы (1), график которого расположен в G функция U (t, x(t)), t , постоянна, т.е. U (t, x(t)) зависит только от выбора решения x(t) и не зависит от t.
Пусть V (t, x), V:G R, есть некоторая функция. Производной от функции V в силу системы (1) назовем функцию V V R, определяемую равенством
.
Обозначим V (t, x(t)) t .
Лемма
Дифференцируемая функция U (t, x), U:G R, представляет собой первый интеграл системы (1) тогда и только тогда, когда производная U в силу системы (1) тождественно в G обращается в нуль.
Необходимость. Пусть U (t, x) есть первый интеграл системы (1). Тогда для любого решения x(t) этой системы на основании определения, будем иметь тождества
U
Откуда при t=t получим равенство U (t справедливое при всех значениях t и x(t ). Необходимость доказана.
Достаточность. Пусть теперь U при всех (t, x) Тогда для любого решения x(t) системы (1) из определения будем иметь тождества
а с ним и достаточность.
Из определения первого интеграла следует, что постоянная на G функция также является первым интегралом системы (1). По этому первым интегралом на G будем называть функцию , для которой выполняется неравенство
и
Функцию U(x) будем называть стационарным первым интегралом системы (1), если она не зависит от t и является первым интегралом системы (1).
Возмущения дифференциальных систем, не изменяющие временных симметрий
Наряду с исходной дифференциальной системой
будем рассматривать множество возмущённых систем
где непрерывная скалярная нечётная функция, а произвольная непрерывно дифференцируемая вектор-функция. Выясним вопрос об эквивалентности в смысле совпадения отражающих функций дифференциальных систем (1) и (2). При совпадении отражающих функций двух систем совпадают их операторы сдвига на симметричном промежутке вида и, значит, для периодических систем совпадают их отображения за период .
Как известно, отражающая функция системы (1) обязана удовлетворять соотношению
Если вектор-функция, а
вектор-столбец, то полагаем
,
Лемма 1.
Для любых трёх вектор-функций из которых функция дважды непрерывно дифференцируема, а функции и дифференцируемы, имеет место тождество
Лемма 2.
Пусть отражающая функция системы с непрерывно дифференцируемой правой частью. Тогда для каждой непрерывно дифференцируемой вектор функции функция
удовлетворяет тождеству
Доказательство. Учитывая соотношение , простыми выкладками установим тождества
К первым двум слагаемым последней части этого тождества применим тождество . Тогда после несложных формальных преобразований придём к соотношению
Прибавим к левой и правой частям этого соотношения выражение придём к нужному нам тождеству
Лемма доказана.
Теорема 1
Пусть вектор-функция является решением дифференциального уравнения в частных производных
Тогда возмущённая дифференциальная система
,
где - произвольная непрерывная скалярная нечётная функция, эквивалентна дифференциальной системе .
Доказательство. Пусть отражающая функция системы . Следовательно, эта функция удовлетворяет дифференциальному уравнению . Покажем, что она удовлетворяет и тождеству
Для этого введём функцию по формуле . Согласно лемме 2, эта функция удовлетворяет тождеству . При условиях доказываемой теоремы с учётом соотношения это тождество переписывается в виде
Кроме того, поскольку для всякой отражающей функции верно тождество , имеет место соотношения
.
Таким образом, функция является решением задачи Коши
Решение этой задачи существует и единственно. Следовательно, имеет место тождество влекущее за собой тождество .
Теперь покажем, что отражающая функция системы является также и отражающей функцией системы . Для этого нужно проверить выполнение основного соотношения , которое в данном случае должно быть переписано в виде
Действительно, последовательно преобразовывая левую часть последнего соотношения и учитывая нечётность функции приходим к следующей цепочке тождеств:
Оба слагаемых, стоящих в квадратных скобках, тождественно равны нулю. Первое – в силу того, что для отражающей функции системы верно тождество , второе – потому, что при условиях теоремы верно тождество . Следовательно, тождество выполняется и функция является отражающей функцией системы . Теорема доказана.
А теперь рассмотрим пример.
Пример
Рассмотрим систему
в которой непрерывные и периодические функции , таковы, что и – нечётные функции.
Эта система эквивалентна стационарной системе
Здесь и , ,
.
Так как стационарная система имеет асимптотически устойчивый предельный цикл , которому соответствуют периодические решения, то из сказанного следует, что все решения , рассматриваемой системы, начинающиеся при на окружности , являются периодическими, а каждое из остальных решений, кроме нулевого, при стремится к одному из указанных периодических.
Общее решение системы
Рассмотрим две дифференциальные системы
, (1)
, , , (2)
где - непрерывная скалярная нечётная функция, -произвольная непрерывно дифференцируемая функция.
Лемма 1
Для любой нечётной функции , определённой в окрестности , справедливо .
Доказательство.
Так как - непрерывная нечётная функция, то и