А.С. Городецкий - Лекции по дифференциальным уравнениям (1114447), страница 6
Текст из файла (страница 6)
+ Vn ,. . . ϕn(n−1) dϕnn ...dt......ϕn1.... . . a11 (t)ϕn1 (t) + . . . + a1n (t)ϕnn (t) ...ϕn2=.........ϕnn. . . a11 ϕn1 ...ϕn2 = a11 (t)W..........ϕnnddt W= V1 + . . . + Vn = (a11 (t) + a22 (t) + ann (t))W =«ãç © «¨¥©ëå ®¤®à®¤ëå ãà ¢¥¨© n-£® ¯®à浪 .x(n) + a1 (t)x(n−1) + . . . + an (t)x = 0(1)¯à¥¤¥«¥¨¥. DZãáâì {ϕ1, .
. . , ϕn} — äãªæ¨¨ ª« áá Cn, ¤¥â¥à¬¨ ⮬ à®áª®£® í⮣® ¡®à äãªæ¨© §ë¢ ¥âáï äãªæ¨ïW [ϕ1 , . . . , ϕn ](t) = ϕ1ϕ̇1...(n−1)ϕ1ϕ2ϕ̇2...(n−1)ϕ2(n−1) . . . ϕn.........ϕnϕ̇n... ¬¥ç ¨¥. ᫨ {ϕ1, . . . , ϕn} — «¨¥©® § ¢¨á¨¬ ï á¨á⥬ äãªæ¨©, â® W [ϕ1 , . . . , ϕn](t) ≡ 0.¡à ⮥ ¥¢¥à®!30¥ªæ¨ï 13http://www.mexmat.net/DZਬ¥à. DZãáâì ϕ1 = t5, ϕ2 = |t5|, ¯à¨â®¬ ϕ1 ¨ ϕ2 — «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ë R, ® W [ϕ1 , ϕ2] = 0.¥®à¥¬ 3. DZãáâì {ϕ1, .
. . , ϕn} — á¨á⥬ à¥è¥¨© ãà ¢¥¨ï (1). ®£¤ ¥á«¨ W [ϕ1, . . . , ϕn](t0 ) =â® W ≡ 0, {ϕ1 , . . . , ϕn } — «¨¥©® § ¢¨á¨¬ë. ᫨ W [ϕ1 , . . . , ϕn ](t0 ) 6= 0, â® {ϕ1 , . . . , ϕn } — ä㤠¬¥â «ì ï á¨á⥬ à¥è¥¨©.¥®à¥¬ 4 (¨ã¢¨«ï-áâà®£à ¤áª®£® ¤«ï «¨¥©ëå ãà ¢¥¨©). DZãáâì {ϕ1, . . . , ϕn } —0,á¨á⥬ à¥è¥¨© ãà ¢¥¨ï (1). ®£¤ Ẇ (t) = −a1 (t)W , ¨, á«¥¤®¢ ⥫ì®, W (t) = W (t0 )e®ª § ⥫ìá⢮ ⥮६ 3 ¨ 4. áᬮâਬ á¨á⥬ã−Rt0ẋ1 = x2 ẋ = x23...ẋn = −an (t)x1 − an−1 (t)x2 − . .
. − a1 (t)xn ᫨ {ϕ1 , . . . , ϕn } — à¥è¥¨¥ (1), â®(n−1)ϕ̄ = (ϕ1 , ϕ̇1 , ϕ̈1 , . . . , ϕ1 1..—.(n−1)ϕ̄1 = (ϕn , ϕ̇n , ϕ̈n , . . . , ϕnà¥è¥¨¥ (3). ¬¥â¨¬, çâ®W [ϕ̄1 , . . . , ϕ̄n ](t) ≡ W [ϕ1 , . . . , ϕn ](t).¥¬ á ¬ë¬ â¥®à¥¬ 3 á«¥¤ã¥â ¨§ ⥮६ë 1.®à¬ã« ¨ã¢¨««ï-áâà®£à ¤áª®£®Ẇ (t) = (Tr A(t))W.0 0 ..A(t) = . 0−an10...01...0−an−10−an−2â. ¥.
Ẇ (t) = −a1(t)W ⇒ W (t) = W (t0 )e−Rtt000 .. . ⇒...1 . . . −a1.........Tr A(t) ≡ −a1 ,a1 (t)dτ.DZà®áâà á⢮ à¥è¥¨© ®¯à¥¤¥«ï¥â «¨¥©®¥ ¤¨ää¥à¥æ¨ «ì®¥ ãà ¢¥¨¥.¥®à¥¬ 5. DZãáâì ¤¢ ãà ¢¥¨ï5.x(n) + a1 (t)x(n−1) + . . . + an (t)x = 0¨x(n) + b1 (t)x(n−1) + . . . + bn (t)x = 0¨¬¥îâ ®¤® ¨ â® ¥ ¯à®áâà á⢮ à¥è¥¨©. ®£¤ bi ≡ ai .31a1 (t)dτ.(1)¥ªæ¨ï 13http://www.mexmat.net/®ª § ⥫ìá⢮.
DZãáâì {ϕ1 , . . . , ϕn } — ¤«ï (1), â. ¥. ®¨ «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ë R1 . ᫨J ⊂ R1 — ¨â¥à¢ «, â® ϕ1 |I , ϕ2 |I , . . . , ϕn |I — «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ I (â. ª. ¨ ç¥ ¡ë W = 0 í⮬ I).(a1 (t) − b1 (t))x(x−1) + (a2 (t) · b2 (t))x(n−2) + . .
. + (an (t) − bn (t))x = 0(4) ᫨ a1 (t0 ) − b1 (t0 ) 6= 0, â® a1 (t) − b1 (t) 6= 0 ¢ ¥ª®â®à®¬ ¨â¥à¢ «¥. ®£¤ í⮬ ¨â¥à¢ «¥ ãà ¢¥¨¥ (4) ¥áâì «¨¥©®¥ ®¤®à®¤®¥ ãà ¢¥¨¥ (n − 1)-£® ¯®à浪 , ® ¬ë § ¥¬, çâ® ∃n «¨¥©®¥§ ¢¨á¨¬ëå à¥è¥¨©. DZà®â¨¢®à¥ç¨¥ ¨ â. ¤.
⇒ ai (t) ≡ bi(t). DZ®áâ஥¨¥ «¨¥©ëå ®¯¥à â®à®¢ ãà ¢¥¨ï ¯® ä㤠¬¥â «ì®© á¨á⥬¥ à¥è¥¨©.¥®à¥¬ 6. DZãáâì {ϕ1, . . . , ϕn} — äãªæ¨¨ ª« áá Cn(R2), ¯à¨çñ¬ W [ϕ1, . . . , ϕn](t) 6= 0∀t ∈ R1.6.®£¤ áãé¥áâ¢ã¥â «¨¥©®¥ ãà ¢¥¨¥ á ¥®¯à¥¤¥«ñ묨 ª®íä䍿¨¥â ¬¨ (¢¨¤ (1)), ¤«ï ª®â®àëå.®ª § ⥫ìá⢮. DZãáâì x(t) — à¥è¥¨¥ ¨á室®£® ãà ¢¥¨ï, ⮣¤ W [ϕ1 , . . . , ϕn , X](t) ≡ 0, â. ¥.{ϕ1 , . . . , ϕn } —ϕ1ϕ̇1...(n−1)ϕ1ϕ2ϕ̇2...(n−1)ϕ2.........ϕnϕ̇n...(n−1). .
. ϕn áªà®¥¬ ¯® ¯®á«¥¤¥¬ã á⮫¡æã:=0x(n)XẊ...W [ϕ1 , . . . , ϕn ](t) · x(n) + C1 (t)x(n−1) + . . . + Cn (t)x = 0¯® ãá«®¢¨î W [ϕ1 , . . . , ϕn ](t) 6= 0∀t, à §¤¥«¨¬ W [ϕ1 , . . . , ϕn ]x(n) + a1 (t)r(n−1) + . . . + an (t)x = 0 − −−¨áª®¬®¥ ãà ¢¥¨¥.7.DZ®¨¥¨¥ ¯®à浪 «¨¥©®£® ãà ¢¥¨ï ¢ á«ãç ¥, ª®£¤ ¨§¢¥áâ® ®¤® ¨§ à¥è¥¨©.DZãáâì ϕ(t) — ¥ã«¥¢®¥ à¥è¥¨ï ãà ¢¥¨ï (1). ®£¤ ¬®® ¯®¨§¨âì ¯®à冷ª ãà ¢¥¨ï.
¤¥« ¥¬ § ¬¥ã x = ϕ(t)y.x(n) + a1 (t)x(n−1) + . . . + an (t)x = 0x(k) =kXCkl ϕ(l) y (k−l)l=0ϕ(t)y (n) + C1 (t)y (n−1) + . . . + Cn−1 (t)ẏ + Cn (t)y = 0ãªæ¨ï y ≡ 1 ¥áâì à¥è¥¨¥, â. ¥. Cn (t) ≡ 0, â. ¥. ãà ¢¥¨¥ ¨¬¥¥â ¢¨¤ ϕ(t)y(n) + C1 (t)y(n−1) + . . . +Cn−1 (t)ẏ = 0. ¬¥ z = ẏ ¯®¨ ¥â ¯®à冷ª ãà ¢¥¨ï.32¥ªæ¨ï 14http://www.mexmat.net/ 14.4¤¥ª ¡àï 2002¨¥©ë¥ ãà ¢¥¨ï1. ®¬¯«¥ªáë¥ ç¨á« ( ¯®¬¨ ¨¥).®¬¯«¥ªáë¥ ç¨á« — íâ® í«¥¬¥âë ¯®«ï C — â®çª¨ R. ¯¥à 樨 :á«®¥¨¥: (a, b) + (c, d) = (a + c, b + d);㬮¥¨¥: (a, b)(c, d) = (ac + bd, ad + bc).¥®à¥¬ .¨§®¬®àä® C.DZãáâì ¯®«¥ P ¥áâì à áè¨à¥¨¥ ¯®«ï R c ¯®¬®éìî ª®àï ãà ¢¥¨ï x2 + 1 = 0.
®£¤ P(0, 1) = i;(0, 1)(0, 1) = i2 = −1 = (−1, 0);(a, b) = (a, 0) + (0, b) = a + bi.2 + y2.¯à¥¤¥«¥¨¥. ®¤ã«¥¬ ª®¬¯«¥ªá®£® ç¨á« z = x + yi §ë¢ ¥âáï ç¨á«® |z| = xp¯à¥¤¥«¥¨¥. à£ã¬¥â®¬ ª®¬¯«¥ªá®£® ç¨á« z = x + yi §ë¢ ¥âáï ç¨á«® |z| = x2 + y2.p¯¥à æ¨ï ª®¬¯«¥ªá®£® ᮯà泌ï x + yi = z → xy i = z̄ — ¢â®¬®à䨧¬ ¯®«ï C ®áâ ¢«ïî騩 ¬¥á⥠R. 㬬 ¨ ¯à®¨§¢¥¤¥¨¥ z ¨ z̄ ⊂ R.⢥थ¨¥ 1. DZãáâì P (z) — ¯®«¨®¬ á ¢¥é¥á⢥묨 ª®íä䍿¨¥â ¬¨. ᫨ z0 — ª®à¥ìãà ¢¥¨ï P (z) = 0, â® z̄0 — ⮥ ª®à¥ì.P (z0 ) = 0 ⇒ P (z̄0 ) = 0.⢥थ¨¥ 2. ®¤ã«ì ¯à®¨§¢¥¤¥¨ï ª®¬¯«¥ªáëå ç¨á¥« ¥áâì ¯à®¨§¢¥¤¥¨¥ ¬®¤ã«¥©, à£ã¬¥â ¯à®¨§¢¥¤¥¨ï ¥áâì á㬬 à£ã¬¥â®¢:|z1 z2 | = |z1 | · |z2 |,arg(z1 z2 ) = arg(z1 ) + arg(z2 ).ਣ®®¬¥âà¨ç¥áª ï § ¯¨áì:z = r(cos ϕ + i sin ϕ),®à¬ã« ã ¢à :£¤¥ r = |z|, ϕ = arg ϕ.(r(cos ϕ + i sin ϕ))n = rn (cos(nϕ) + i sin(nϕ)).®à¬ã« ©«¥à :ਣ®®¬¥âà¨ç¥áª ï § ¯¨áì:eiϕ = cos ϕ + i sin ϕ.z = |z|ei arg z .¥®à¥¬ . «ï «î¡®£® ª®¬¯«¥ªá®£® ç¨á« z ª®à¥ì á⥯¥¨ n áãé¥áâ¢ã¥â.
ᥠª®à¨ à ᯮ«®¥ë¢ ¢¥àè¨ å ¯à ¢¨«ì®£® n-㣮«ì¨ª c æ¥â஬ ¢ ç «¥ ª®®à¤¨ â.p√ϕ + 2πkϕ + 2πknz = n |z|(cos+ i sin).nnk = 0, . . . , n − 1, £¤¥ ϕ = arg z.33¥ªæ¨ï 14http://www.mexmat.net/«¥¤á⢨¥.®à¨ n-®© á⥯¥¨ ¨§ 1 § ¤ îâáï äãªæ¨¥©:√n1 = cos2πk2πk+ i sin.nn¯à ¥¨¥. ©â¨ ¢á¥ k = 0, . . . , n − 1 ª®¥çë¥ ¯®¤£àã¯¯ë £à㯯ë C∗.2. ¢ §¨¬®£®ç«¥ë.¯à¥¤¥«¥¨¥. ¢ §¨¬®£®ç«¥®¬ §ë¢ ¥âáï ¯à®¨§¢¥¤¥¨¥ eλt p(t), £¤¥ p(t) — ¬®£®ç«¥ë; áâ¥-¯¥ìî ª¢ §¨¬®£®ç«¥ §ë¢ ¥âáï deg p(t).DZ।«®¥¨¥ 1. ᥠª¢ §¨¬®£®ç«¥ë á § ¤ ë¬ ¯®ª § ⥫¥¬ á⥯¥¨ ¬¥ì襫¨¥©®¥ ¯à®áâà á⢮ à §¬¥à®á⨠m.¥®à¥¬ DZ.m®¡à §ãîâãáâì äãªæ¨ï ϕi (t) = tk eλ t , ¯à¨ç¥¬ (ki , λi ) 6= (kj , λj ) ¯à¨ i 6= j (â.¥.
¢á¥ ϕi à §«¨çë),i 6= 1, . . . , n, λ ⊂ C, t ⊂ R. ®£¤ {ϕi }, i = 1, . . . , n — ¡®à «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ëå ( ¤ C) äãªæ¨©.ii®ª § ⥫ìá⢮. DZ।¯®«®¨¬ ¯à®â¨¢®¥: α1 ϕ1 + α2 ϕ2 + . . . + αn ϕn = 0. DZ®á«¥ £à㯯¨à®¢ª¨mPäãªæ¨© á ®¤¨¬ ¨ ⥬ ¥ ¯®ª § ⥫¥¬: Pi (t)eλ t = 0, Pi (t) — ¬®£®ç«¥ë, λ1 , . . . , λm — à §«¨çë¥i=1¯®ª § ⥫¨.mP¤ãªæ¨¥© ¯® m ¯®ª ¥¬, çâ® ¥á«¨ Pi (t)eλ t ≡ 0, â® Pi ≡ 0.i=1 § . «ãç © m = 1 á«¥¤ã¥â ¨§ DZ।«®¥¨ï 1.m−1m−1PP £.Pi (t)e(λ −λ )t + Pm (t) = 0. DZத¨ää¥à¥æ¨à㥬 (deg Pm + 1) à §Qi (t)e(λ −λ )t = 0,i=1i=1⮣¤ ¯® ¯à¥¤¯®«®¥¨î ¨¤ãªæ¨¨ Qi ≡ 0, § ç¨â Pi = 0 ¢¥à® DZ।«®¥¨¥ 2.
DZ®«ãç ¥¬, çâ®iiiPm = 0.mimDZ।«®¥¨¥ 2. DZãáâì ξ 6= 0. ®£¤ ¥á«¨ dtd (eξt P (t)) = eξtQ(t), â® deg P = deg Q, P ≡ 0 ⇔ Q ≡ 0.®ª § ⥫ìá⢮ ¯à¥¤«®¥¨ï 2.0 ⇔ Q ≡ 0.2.dP (t)) = eξt (ξP (t) +ξeξt P (t) + eξt ( dt= eξt Q(t), â.¥. P ≡ddt P (t)) ¤«ï «¨¥©ëå ®¤®à®¤ëå ãà ¢¥¨© á ¯®áâ®ï묨 ª®íä䍿¨¥â ¬¨.x(n) + a1 x(n−1) + a2 x(n−2) + . . . + an x = 0, ai ⊂ C.(1)DZ®¯à®¡ã¥¬ ¯®¤áâ ¢¨âì x = eλt , x(k) = λk eλt , λn eλt + λn−1 a1 eλt + . . .+ an eλt = 0. à ªâ¥à¨áâ¨ç¥áª®¥ãà ¢¥¨¥: λn + λn−1 a1 + . .
. + an = 0.¥®à¥¬ . DZãáâì λ∗ — ª®à¥ì å à ªâ¥à¨áâ¨ç¥áª®£®eλ∗ t , teλ∗ t , . . . , tk−1 eλ∗ t — à¥è¥¨ï ãà ¢¥¨ï (1).ãà ¢¥¨ï ªà â®á⨠k ≥ 1. ®£¤ äãªæ¨¨®ª § ⥫ìá⢮ (1-© ᯮᮡ). 饬 à¥è¥¨¥ ãà ¢¥¨ï Lx = 0, £¤¥ L = dtd + a1 dt d +...+a .DZਬ¥¨¬ L ª eλt ¨ ¯à®¤¨ää¥à¥æ¨à㥬 k à §. dλd L(eλt ) = L(tk eλt ) = dλd (f (λ)eλt )nn−1nn−1kkkkPl=0kn=clk f (l) (λ)tk−l eλt . ᫨ λ∗ — ª®à¥ì f (x) ªà â®á⨠m, â® f (l) (λ∗ ) = 0 ¯à¨ l = 0, 1, . .
. , m−1, â.¥. dλd λ=λ (f (λ)eλt ) = 0¯à¨ k ≤ m − 1, á«¥¤®¢ ⥫ì®, L(tk eλ t ) = 0 ¯à¨ k = 0, 1, . . . , m − 1, â.¥. tk eλ t — à¥è¥¨¥ (1). ®ª § ⥫ìá⢮ (II ᯮᮡ).kk∗L=dL = L1 ( dt− λ∗ )m ,∗dndn−1+ a1 n−1 + . . . + anndtdt¯à¨â®¬ λ∗ — ¥ ï¥âáï ª®à¥¬ L1.34∗¥ªæ¨ï 14http://www.mexmat.net/ ᫨ λ∗ = 0, â® f (λ) = λn + a1 λn−1 + . . . + an−m λm ,x(n) + a1 x(n−1) + . . . + an−m x(m) = 0⇒ 1, t, .
. . , tm−1 — ª®à¨.DZãáâì ⥯¥àì λ∗ 6= 0. DZ®«®¨¬ x = eλ∗ ty(t).L1 (à ¢¥¨¥ Lx = 0.d− λ∗ )m (eλ∗ t y = 0dtd− λ∗ )(eλ∗ t y) = λ∗ eλ∗ t t+dtdd+eλ∗ t ( y) − λ∗ eλ∗ t y = eλ∗ t ( y)dtdt((ddm y− λ∗ )m (eλ∗ t y) = eλ∗ t ( m )dtdtà ¢¥¨¥ Lx = 0 ¯à¨¨¬ ¥â ¢¨¤ L1(eλ t y(m))¯à¨ x =,...,te . . DZãáâì å à ªâ¥à¨áâ¨ç¥áª¨© ¯®«¨®¬ ãà ¢¥¨ï (1) ¨¬¥¥â (à §«¨çë¥) ª®à¨ λ1 , . . . , λrªà â®á⨠m1 , . . .
, mr ᮮ⢥âá⢥® (m1 + . . . + mr = m). ®£¤ äãªæ¨¨∗eλ∗ t, teλ∗ t«¥¤á⢨¥= 0,m−1 λ∗ t¢ë¯®«¥® ¯à¨ y= 1, t, . . . , tm−1 â.¥.ieλi t , teλ t , . . . , tmi −1 eλi t , i = 1, . . . , r®¡à §ãîâ ãà ¢¥¨ï (1).4.¥é¥áâ¢¥ë¥ à¥è¥¨ï.DZãáâì ai∈ R. ᫨ λ = α + iβ, â® eλt = eαt (cos βt + i sin βt),e (cos βt − i sin βt). ®£¤ tl eλt â ª¥ à¥è¥¨¥.αt¨ λ̄= α − iβ —ª®à¥ì, ¨ eλt=DZãáâìϕ1 = u1 + iv1ϕ̄1 = u1 − iv1ϕ2 = u2 + iv2ϕ̄2 = u2 − iv2...ϕr = ur + ivrϕ̄r = ur − ivr£¤¥ ϕ2r+1 , ϕ2r+2 , . . . , ϕn — ¢¥é¥áâ¢¥ë¥ à¥è¥¨ï — («¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ë ¤ C). ¬¥â¨¬, çâ® ¥á«¨ ϕ = u + iv — à¥è¥¨¥, â® u ¨ v — à¥è¥¨ï.¥©á⢨⥫ì®, Lϕ = 0, L(u + iv) = 0, Lu + iLv = 0, â. ¥.¥¬¬ . ¤ R.ãªæ¨¨Lu = 0Lv = 0{u1 , v1 , u2 , v2 , . .
. , ur , vr , ϕ2r+1 , ϕ2r+2 , . . . , ϕn }35ïîâáï «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ë¬¨¥ªæ¨ï 14http://www.mexmat.net/®ª § ⥫ìá⢮ «¥¬¬ë. DZ।¯®«®¨¬ ¯à®â¨¢®¥:C1 u1 + C2 v1 + C3 u2 + C4 v2 + . . . + Cn ϕn = 0u1 =ϕ1 +ϕ̄1,2v1 =ϕ1 −ϕ̄12i ,¯®á«¥ ¯®¤áâ ®¢ª¨ ¯®«ã稬1111( C1 + C2 )ϕ1 + ( C1 − C2 )ϕ̄1 + . . . + Cn ϕn = 022i22i⇒ C1 = 0, â.¥.á¨á⥬ äãªæ¨© «¨¥©® ¥§ ¢¨á¨¬ .«¥¤á⢨¥.äãªæ¨¨DZãáâì ãà ¢¥¨¥(1), ai ∈ R¨¬¥¥â ª®à¥ìeα∗ t cos β∗ t,λ∗ªà â®á⨠m,eα∗ t sin β∗ tteα∗ t cos β∗ t, eα∗ t sin β∗ t...tm−1 eα∗ t cos β∗ t,ïîâáï à¥è¥¨ï¬¨ (1).36eα∗ t sin β∗ tλ∗ = α∗ + iβ∗ .®£¤ ¥ªæ¨ï 15http://www.mexmat.net/ 15.11¤¥ª ¡àï 2002 £.¨¥©ë¥ ¥®¤®à®¤ë¥ ãà ¢¥¨ï á ¯®áâ®ï묨 ª®íä䍿¨¥â ¬¨1. ¯®¬¨ ¨¥.¨¥©®¥ ¥®¤®à®¤®¥ ãà ¢¥¨¥ á ¯®áâ®ï묨 ª®íä䍿¨¥â ¬¨:x(n) + a1 (t)x(n−1) + .