Loading...
 

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów - podstawowe pojęcia


Równaniem różniczkowym liniowym rzędu \( n \) nazywamy równanie postaci

\( a_{n}(t)y^{(n)}(t)+a_{n-1}(t)y^{(n-1)}(t)+\cdots + a_{1}(t)y^{\prime}(t)+a_{0}(t)y(t)=f(t) \)


gdzie \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) jest szukaną funkcją \( \hskip 0.3pcy: I\rightarrow \mathbb{R},\hskip 0.3pc \) a dane funkcje \( \hskip 0.3pc f(t)\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc a_{i}(t),\hskip 0.3pc i=0,\ldots, n\hskip 0.3pc \) są ciągłe i określone w przedziale \( \hskip 0.3pc I\subset \mathbb{R}\hskip 0.3pc \) o wartościach rzeczywistych. Przez przedział \( \hskip 0.3pc I\hskip 0.3pc \) rozumiemy jeden z następujących zbiorów: \( \hskip 0.3pc(a,b),\hskip 0.3pc(-\infty,a), \) \( \hskip 0.3pc (a,+\infty ) \hskip 0.3pc \) lub \( \hskip 0.3pc \mathbb{R} \).

Uwaga 1:


Jeżeli \( \hskip 0.3pc f(t)=0\hskip 0.3pc \) dla każdego \( \hskip 0.3pc t\in I,\hskip 0.3pc \) to równanie ( 1 ) będziemy nazywać równaniem jednorodnym, w przeciwnym razie równaniem niejednorodnym.

Definicja 2: Rozwiązania


Rozwiązaniem równania ( 1 ) nazywamy funkcję \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) określoną w przedziale \( \hskip 0.3pc I\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc n\hskip 0.3pc \)-krotnie różniczkowalną, spełniającą dla każdego \( \hskip 0.3pc t\in I\hskip 0.3pc \) równanie ( 1 ).

Definicja 3: Problemu początkowego


Zagadnienie polegające na znalezieniu rozwiązania równania ( 1 ), które dla ustalonego \( \hskip 0.3pc t_{0}\in I\hskip 0.3pc \) spełnia \( \hskip 0.3pc n\hskip 0.3pc \)-równości:

\( y(t_0)=b_0,\hskip 0.5pc y^{\prime}(t_0)=b_1,\ldots ,\hskip 0.4 pc y^{n-1}(t_0)=b_{n-1}, \)

gdzie \( \hskip 0.3pc b_0,\ldots ,b_{n-1}\hskip 0.3pc \) są danymi stałymi, będziemy nazywać problemem początkowym.

Przykład 1:


Pokażemy, że funkcja \( \hskip 0.3pc y(t)=\sin(2t)\hskip 0.3pc \) jest rozwiązaniem problemu początkowego postaci

\( y^{\prime\prime}(t)+4y(t)=0,\hskip 0.4pc y(0)=0,\hskip 0.4pc y^{\prime}(0)=2,\hskip 0.3pc {\rm gdzie}\hskip 0.3pc t\in \mathbb{R}. \)


Rozwiązanie: \( \hskip 0.3pc y^{\prime}(t)=2\cos(2t)\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc y^{\prime\prime}(t)=-4\sin(2t),\hskip 0.3pc \) więc \( \hskip 0.3pc y^{\prime\prime}(t)+4y(t)=-4\sin(2t)+4\sin(2t)=0,\hskip 0.3pc \) czyli funkcja \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) jest rozwiązaniem równania.
Ponadto \( \hskip 0.3pc y(0)=\sin(0)=0\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc y^{\prime}(0)=2\cos(0)=2\hskip 0.3pc \), zatem funkcja \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) spełnia waruneki początkowe.

Przykład 2:


Pokażemy, że funkcja \( \hskip 0.3pc y(t)=ct^2+t+1\hskip 0.3pc \) jest rozwiązaniem następującego problemu początkowego

\( t^2y^{\prime\prime}(t)-2ty^{\prime}(t)+2y(t)=2, \hskip 0.5pc y(0)=1, \hskip 0.5pc y^{\prime}(0)=1 \)


w przedziale \( \hskip 0.3pc (-\infty, \infty),\hskip 0.3pc \) dla dowolnego parametru \( \hskip 0.3pc c \).
Rozwiązanie: \( \hskip 0.3pc y^{\prime}(t)=2ct+1\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc y^{\prime\prime}(t)=2c\hskip 0.3pc \) zatem

\( t^2y^{\prime\prime}(t)-2ty^{\prime}(t)+2y(t)=t^22c-2t(2ct+1)+2(ct^2+t+1)=2. \)

Ponadto \( \hskip 0.3pc y(0)=1\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc y^{\prime}(0)=1\hskip 0.3pc \), co kończy dowód, że \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) jest rozwiązaniem problemu początkowego.

ZAŁOŻENIA:
Niech funkcje \( \hskip 0.3pc y_1(t),\ldots ,y_k(t)\hskip 0.3pc \) będą rozwiązanimi równania jednorodnego

\( a_{n}(t)y^{(n)}(t)+a_{n-1}(t)y^{(n-1)}(t)+\cdots + a_{1}(t)y^{\prime}(t)+a_{0}(t)y(t)=0. \)
TEZA:
Wtedy dowolna liniowa kombinacja tych funkcji

\( y(t)=c_1y_1(t)+\cdots +c_ky_k(t), \)
gdzie \( \hskip 0.3pc c_1,\ldots c_k\hskip 0.3pc \)

są dowolnymi stałymi, jest również rozwiązaniem równania ( 3 )

DOWÓD:
Dowód przeprowadzimy w przypadku, gdy \( \hskip 0.3pc k=n=2\hskip 0.3pc \), (dla dowolnego \( k,n\in \mathbb{N} \) dowód jest analogiczny).

Niech \( \hskip 0.3pc y_1(t), y_2(t)\hskip 0.3pc \) będą rozwiązaniami równania

\( a_2(t)y^{\prime\prime}(t)+a_1(t)y^{\prime}(t)+a_0(t)y(t)=0. \)


Definiujemy \( \hskip 0.3pc y(t)=c_1y_1(t)+c_2y_2(t)\hskip 0.3pc \) gdzie \( \hskip 0.3pc c_1,\;c_2\hskip 0.3pc \) są to dowolne stałe, wtedy

\( y^{\prime}(t)=c_1y^{\prime}_1(t)+c_2y^{\prime}_2(t) \hskip 1pc {\rm i} \hskip 1pc y^{\prime\prime}(t)=c_1y^{\prime\prime}_1(t)+c_2y^{\prime\prime}_2(t). \)


Podstawiając teraz \( \hskip 0.3pc y(t),\hskip 0.3pc y^{\prime}(t),\hskip 0.3pc y^{\prime\prime}(t)\hskip 0.3pc \) do równania ( 4 ) otrzymujemy

\( \begin{aligned} & a_2(t)\left(c_1y^{\prime\prime}_1(t)+c_2y^{\prime\prime}_2(t)\right)+ a_1(t)\left(c_1y^{\prime}_1(t)+c_2y^{\prime}_2(t)\right)+a_0(t)\left(c_1y_1(t)+c_2y_2(t)\right])= \\ & c_1\left(a_2(t)y^{\prime\prime}_1(t)+a_1(t)y^{\prime}_1(t)+ a_0(t)y_1(t)\right)+ c_2\left(a_2(t)y^{\prime\prime}_2(t) +a_1(t)y^{\prime}_2(t)+a_0(t)y_2(t)\right])=0.\end{aligned} \)

Zatem \( \hskip 0.3pc y(t)\hskip 0.3pc \) jest rozwiązaniem równania ( 4 ).

Przykład 3:


Funkcje \( \hskip 0.3pc y_1(t)=e^{-t}\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc y_2(t)=e^{-3t}\hskip 0.3pc \) są rozwiązaniami równania \( \hskip 0.3pc y^{\prime\prime}+3y^{\prime}+2y=0. \)
Zatem na mocy twierdzenia 1, funkcja \( \hskip 0.3pc y(t)=c_1e^{-t}+c_2e^{-3t},\hskip 0.3pc \) gdzie \( c_1,\hskip 0.3pc c_2 \)- są to dowolne stałe, jest też rozwiązaniem tego równania.

Twierdzenie 2: O istnieniu i jednoznaczności rozwiązania problemu Cauchy'ego

ZAŁOŻENIA:
Niech funkcje \( \hskip 0.3pc f(t)\hskip 0.3pc \) i \( \hskip 0.3pc a_{k}(t),\hskip 0.5pc {\rm gdzie} \hskip 0.3pc k=0,\ldots ,n,\hskip 0.3pc \) będą ciągłe i określone w przedziale \( \hskip 0.3pc I\subset \mathbb{R}\hskip 0.3pc , \) ponadto \( a_n(t) \neq 0, \) dla każdego \( \hskip 0.3pc t\in I. \)
TEZA:
Wtedy problem początkowy
\( \begin{cases}a_{n}(t)y^{(n)}(t)+a_{n-1}(t)y^{(n-1)}(t)+\cdots + a_{1}(t)y^{\prime}(t)+a_{0}(t)y(t)=f(t), & t\in I , \\ y(t_0)=b_0,\;y^{\prime}(t_0)=b_1,\ldots ,y^{(n-1)}(t_0)=b_{n-1} & \end{cases} \)
gdzie \( \hskip 0.3pc t_0\in I \), zaś \( \hskip 0.3pc b_0,...,b_{n-1}\hskip 0.3pc \) - są to dowolne stałe, posiada dokładnie jedno rozwiązanie określone w przedziale \( I \).


Dowód tego twierdzenia jest przedstawiony w module Twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności dla równań różniczkowych zwyczajnych.


Ostatnio zmieniona Czwartek 28 z Wrzesień, 2017 06:21:12 UTC Autor: Julian Janus
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.