Дифференциальные уравнения — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показано 18 промежуточных версий 9 участников)
Строка 1: Строка 1:
[[Дифференциальные уравнения]]
 
  
==Определения==
+
==Список лекций==
{{Определение
+
#[[Основные понятия и теорема Пикара | Основные понятия и теорема Пикара]] - 04.09.2015
|definition=Соотношение вида <tex>F(x, y(x), {y}'(x), ... , y^{(n)}(x)) = 0\:(1)</tex> называется обыкновенным дифференциальным уравнением (ОДУ).}}
+
#[[типы дифференциальных уравнений | Типы дифференциальных уравнений]] - 11.09.2015
{{Определение
+
#[[Дифференциальные уравнения высших порядков | Дифференциальные уравнения высших порядков ]] - 18.09.2015
|definition=Порядок наивысшей производной входящей в уравнение называется порядком уравнения.}}
+
#[[Линейные уравнения высших порядков|Линейные уравнения высших порядков]]
{{Определение
+
#[[Линейные системы|Линейные системы]]
|definition=<tex>F(x, y(x), {y}'(x)) = 0\:(2)\: - </tex> дифференциальное уравнение 1-го порядка}}
 
{{Определение
 
|definition=Решением дифференциального уравнения <tex>(2)</tex> называется функция <tex>y(x) \in C(a,b):</tex><br><tex>F(x, y(x), {y}'(x)) \equiv 0</tex>}}
 
{{Определение
 
|definition=<tex>\frac{dy}{dx}=f(x,y)\:(3) - </tex> уравнение в нормальной форме.
 
}}
 
  
{{Определение
+
==Литература==
|definition=Изоклиной ДУ<tex>(3)</tex> называется кривая определяемая равенством <tex>f(x,y)=k</tex>, где <tex>k - const ,  tg\alpha = k</tex>.}}
+
* В.И. Арнольд "Обыкновенные дифференциальные уравнения" [http://vm.tstu.tver.ru/topics/pdf_tests/arnold_ODE.pdf]
 
+
* Е.А.Барбашин "Введение в теорию устойчивости" [http://mathscinet.ru/files/BarbashinEA.pdf]
==Задача Коши==
+
* А.Ф.Филиппов "Сборник задач по дифференциальным уравнениям"
{{Определение|definition=Задача нахождения решения дифференциального уравнения <tex>\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = f(x, y)</tex>, которое удовлетворяет следующим условиям:<br><tex>\left\{\begin{matrix}
 
\frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = f(x, y) \\ y = y_{0}, \:\: \mathrm{if} \:\: x = x_{0}
 
 
 
\end{matrix}\right.</tex><br> называется задачей Коши (начальной задачей)}}
 
в некоторых случаях удается упростить решение задачи Коши наложив ограничения на <tex>f(x,y):</tex><br>
 
<tex>f(x,y) \in C(D), \:\: D = \left\{\begin{matrix}
 
\left | x-x_{0} \right | \leqslant a  \\ \left | y-y_{0} \right | \leqslant b
 
 
 
\end{matrix}\right.</tex><br><tex>\Rightarrow \:\: \left | f(x, y) \right | \leqslant M, \:\: M > 0</tex>
 
{{Определение
 
|definition=условие Липшица: <br><tex>\left | f(x,\bar{y}) - f(x, \bar{\bar{y}}) \right | \leq l \left | \bar{\bar{y}} - \bar{y} \right |, \:\: \forall (x,\bar{y}), (x,\bar{\bar{y}}) \in D</tex>  для некоторой константы <tex>l > 0</tex>}}
 
Очевидно, условие Липшица выполняется при условии <tex>\left | \frac{\partial f}{\partial y} \right | \in C(D)</tex>.
 
 
 
{{Теорема|author=Пикар
 
|statement=Пусть <tex>f(x,y)</tex> удовлетворяет условию Липшица и <tex>f(x,y) \in C(D)</tex>, тогда существует единственное решение задачи Коши
 
<tex>y=y(x), \:\: y \in C(\left | x-x_{0} \right | \leqslant h)</tex>, где <tex>h = min(a, \frac{b}{M})</tex>.
 
|proof=Мамой клянусь. А теперь попытаемся доказать. <br>
 
Переформулируем задачу Коши следующим образом: <tex>y(x) = y_{0} + \int_{x_{0}}^{x}f(\bar{x},y)d\bar{x}</tex><br>
 
Будем строить решение задачи Коши итеративным методом: <tex>y_{n}(x) = y_{0} + \int_{x_{0}}^{x}f(\bar{x},y_{n-1}(\bar{x}))d\bar{x}</tex>.   Далее возможны два случая:<br> 1) <tex>y_{n}(x) \equiv y_{0} \:\: \Rightarrow \:\: f(x, y_{0}) = 0  \:\: \Rightarrow \:\: y_{0} -</tex>  решение.<br>
 
2) <tex>f(x, y_{0}) \neq 0:</tex> предварительно докажем, что:<br>
 
<tex>a) \:\:\: y_{n}(x) \in C(\left | x - x_{0} \right | \leqslant h)</tex><br>
 
<tex>b) \:\:\: \left | y_{n}(x) - y_{0} \right | \leqslant b,  \:\: \mathrm{if} \:\: \left | x - x_{0} \right | \leqslant h</tex><br>
 
<tex>c) \:\:\: y_{n}(x) \Rightarrow y(x) \:\:</tex> (это типо равномерно сходится)<br>
 
<tex>d) \:\:\: y(x) \in C(\left | x - x_{0} \right | \leqslant h)</tex><br>
 
<tex>e) \:\:\: \left | y(x) - y_{0} \right | \leqslant b, \:\: \mathrm{if} \:\: \left | x - x_{0} \right | \leqslant h</tex><br>
 
<br>а), б) База: <tex> \:\: y_{1}(x) = y_{0} + \int_{x_{0}}^{x}f(\bar{x},y_{0}(\bar{x}))d\bar{x} \: .</tex> По теореме Барроу <tex>y_{1}(x) \: - </tex> непрерывна при <tex>\left | x - x_{0} \right | \leqslant a.</tex><br>  <tex>\left | y_{1}(x) - y_{0} \right | \leqslant \left | \int_{x_{0}}^{x} f(\bar{x}, y_{0})d\bar{x} \right |  \leqslant \int_{x_{0}}^{x} \left | f(\bar{x}, y_{0})\right |d\bar{x} \leqslant M \left | x - x_{0} \right | \leqslant Mh \leqslant b.</tex><br>переход доказывается аналогично.<br>
 
в) Для доказательства равномерной сходимости воспользуемся признаком Вейерштрасса. Составим функциональный ряд <tex>y_{0} + (y_{1} - y_{0}) + (y_{2} - y_{1}) + ...</tex> и замажорируем его слагаемое слагаемым сходящейся числовой последовательности.<br>
 
<tex>\left | y_{1} - y_{0} \right | \leqslant M \left | x - x_{0} \right |</tex><br>
 
<tex>\left | y_{2} - y_{1} \right | \leqslant \int_{x_{0}}^{x} \left | f(\bar{x}, y_{1}) - f(\bar{x}, y_{0}) \right | d\bar{x} \leqslant l \int_{x_{0}}^{x}\left |      y_{1} - y_{0}\right |d\bar{x} \leqslant </tex> <tex>lM \int_{x_{0}}^{x}\left | \bar{x} - x_{0} \right | d\bar{x} = lM \frac{\left | x - x_{0} \right |^{2}}{2}</tex><br>
 
<tex>\left | y_{3} - y_{2}\right | \leqslant \int_{x_{0}}^{x} \left | f(\bar{x}, y_{2}) - f(\bar{x}, y_{1})\right | d\bar{x} \leqslant l \int_{x_{0}}^{x}\left | y_{2} - y_{1}\right |d\bar{x} \leqslant l \int_{x_{0}}^{x}lM \frac{\left | \bar{x} - x_{0} \right |^{2}}{2}d\bar{x} =</tex> <tex> \frac{M}{l} \frac{(l\left | x - x_{0} \right |)^{3}}{6} \leqslant \frac{M}{l} \frac{(lh)^{3}}{3!}</tex><br>
 
<tex>...</tex><br>
 
<tex>\left | y_{n} - y_{n - 1} \right | \leqslant \int_{x_{0}}^{x} \left | f(\bar{x}, y_{n - 1}) - f(\bar{x}, y_{n - 2})\right | d\bar{x} \leqslant l \int_{x_{0}}^{x}\left | y_{n - 1} - y_{n - 2}\right |d\bar{x} \leqslant </tex> <tex> l \int_{x_{0}}^{x}\frac{M}{l} \frac{(l \left | \bar{x} - x_{0} \right |)^{n - 1}}{(n - 1)!}d\bar{x} = \frac{M}{l} \frac{(l\left | x - x_{0} \right |)^{n}}{n!} \leqslant \frac{M}{l} \frac{(lh)^{n}}{n!}</tex>}}
 

Текущая версия на 19:35, 4 сентября 2022

Список лекций

  1. Основные понятия и теорема Пикара - 04.09.2015
  2. Типы дифференциальных уравнений - 11.09.2015
  3. Дифференциальные уравнения высших порядков - 18.09.2015
  4. Линейные уравнения высших порядков
  5. Линейные системы

Литература

  • В.И. Арнольд "Обыкновенные дифференциальные уравнения" [1]
  • Е.А.Барбашин "Введение в теорию устойчивости" [2]
  • А.Ф.Филиппов "Сборник задач по дифференциальным уравнениям"