- •Канонические и нормальные системы ОДУ. Порядок системы. Сведение системы к одному уравнению и наоборот.
- •Лемма Арцелы (критерий компактности).
- •Ломаные Эйлера и теорема Пеано.
- •Теорема о единственности решения задачи Коши для систем ОДУ. Следствие для ОДУ n-го порядка. Случай линейного уравнения и линейной системы.
- •Лемма о равномерной непрерывности.
- •Непрерывность решения системы ОДУ по начальным данным и параметру.
- •Линейная зависимость и независимость вектор-функций. Определитель Вронского.
- •Фундаментальная система решений (ФСР) для линейной однородной системы ОДУ. Существование ФСР и их взаимосвязь. Общее решение линейной однородной неоднородной системы.
- •Резольвента линейной системы ОДУ и ее свойства.
- •Построение линейной, однородной системы по известной ФСР. Формула Лиувилля.
- •Нахождение частного решения линейной неоднородной системы ОДУ методом вариации постоянных. Формула Коши.
- •Линейные системы с постоянными коэффициентами и методы их решения Случай нормализуемой системы.
- •Линейные системы с постоянными коэффициентами и методы их решения Случай не нормализуемой системы.
- •Нормальные линейные системы с постоянными коэффициентами и методы их решения
- •Устойчивость решения по Ляпунову и асимптотическая устойчивость. Лемма Ляпунова об устойчивости.
- •Лемма Ляпунова об асимптотической устойчивости и ее усиленный вариант.
- •Теорема Ляпунова об асимптотической устойчивости по линейному приближению.
- •Лемма Адамара.
- •Дифференцируемости решения системы ОДУ по начальным данным и параметру.
- •Первые интегралы систем дифференциальных уравнений. Задание общего решения системы с помощью полной системы первых интегралов.
- •Существование полной системы первых интегралов
- •Линейные однородные УрЧП первого порядка. Связь с первыми интегралами соответствующей системы ОДУ. Замечание о квазилинейных уравнениях.
- •Квазилинейные УрЧП первого порядка. Две леммы о характеристиках.
- •Теорема о существовании единственного решения задачи Коши для квазилинейных УрЧП первого порядка в случае пространственных переменных.
- •Оператор Штурма-Лиувилля. Его собственные функции. Лемма о нулевом собственном значении.
|
|
|
Φ(Wδ ) |
|
|
(x , x |
2 |
)= Φ(t,α) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Φ(t0 ,α) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ω |
здесь единственности может не быть |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(Если |
(x , x |
2 |
) Φ(W ), (t,α)= Φ−1 |
(x , x |
2 |
) и |
α [0,1], то |
f |
(x , x |
) может |
≠ f (x , x |
2 |
) |
так как |
||
|
1 |
δ |
1 |
|
|
|
|
1 |
1 |
2 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
~ |
|
|
|
+ε[, а это продолжение не единственно) ► |
|||||||||
Φ зависит от продолжения Ω(α) на ]−ε,1 |
Оператор Штурма-Лиувилля. Его собственные функции. Лемма о нулевом собственном значении.
Lu ≡ −(pu′)′ + qu = f (x), 0 < x < l , (1)
h1u(0)− h2u′(0)= 0, (2) H1u(l)+ H2u′(l)= 0,
p C1([0,l]), q C([0,l]), |
p(x)> 0, q(x)≥ 0, h ≥ 0, h ≥ 0, |
|
|
1 |
2 |
H1 ≥ 0, H1 ≥ 0, |
h1 + h2 > 0 H1 + H2 > 0 |
|
Область определения оператора Штурма-Лиувилля:
M L = u(x) C2 (0,l)∩C1([0,l])| ∫l (u′′(x))2 dx < ∞, u(x)удовлетвор яетграничным |
|
|
0 |
(L, M L ) это оператор Штурма-Лиувилля.
условиям (2)
def: Функция u(x) называется собственной функцией оператора Штурма-Лиувилля, отвечающей собственному значению λ , если
1)u(x)≡/ 0,
2)u(x) M L ,
3)Lu = λu .
Лемма о нулевом собственном значении оператора Штурма-Лиувилля. Лемма:
Число λ = 0 |
является собственным значением оператора Штурма-Лиувилля |
|
|
||||||||||||
q ≡ 0, h1 = 0, |
H1 = 0 . При этом u(x)≡ const ≠ 0 является собственной функцией операто- |
|
|||||||||||||
ра Штурма-Лиувилля, отвечающей собственному значению λ = 0 . |
|
|
|
|
|
||||||||||
Доказательство: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
◄ ( ) Пусть λ = 0 − собственное значение и u − соответствующая собственная функ- |
|
||||||||||||||
ция. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lu = −(pu′)′ + qu = 0 u = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
l |
l |
|
′ |
|
l |
|
|
почастям |
|
|
l |
l |
|
|
|
|
|
+ ∫qu |
2 |
dx |
|
|
2 |
dx + ∫qu |
2 |
dx |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
0 = ∫Lu udx = ∫ −(pu′)u |
dx |
|
= −u(l)u′(l)p(l)+u(0)u′(0)p(0)+ ∫ p(u′) |
|
|||||||||||
0 |
0 |
|
|
|
0 |
|
|
≥0 |
>0 |
≥0 |
>0 0 >0 |
0 |
≥0 |
|
|
Так как u M (L), то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
h1u(0)− h2u′(0)= 0, hi ≥ 0, h1 + h2 > 0 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
H1u(0)+ H2u′(0)= 0, Hi ≥ 0 H1 + H2 > 0 |
|
|
|
|
|
u(0) u′(0)≥ 0 .
43
(Если |
u(0) u′(0)< 0 , |
например |
u(0)> 0 , то u′(0)< 0 |
h1u(0)+ h2 (−u′(0))> 0 , |
так как |
||||||||||||||||
h1 + h2 |
> 0 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
l |
|
|
′ |
|
′ |
|
|
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
u |
≡ 0 |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫q dx = 0 |
|||||||
−u(l)u (l)≥ 0 |
|
|
∫p(u |
dx = 0 u = const ≠ 0 q ≡ 0 (const) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 ≥0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h1const − h2 0 = 0 |
|
|
|
h1 = 0 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
H const + H |
2 |
0 = 0 |
|
|
|
H |
1 |
= 0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
( ) Пусть q ≡ 0 , h1 = 0 , |
H1 = 0 . Положим u = const(=1) ≠ 0 , тогда |
|
|
|
Lu = −(pu′)′ + qu = 0 = 0 u , u D(L), так как h1u(0)− h2 u′(0)= 0 и H1u(l)+ H2 u′(l)= 0
=0 =0 0 0 0 0
►
Представление решения краевой задачи для уравнения ШтурмаЛиувилля через функцию Грина. Выражение функции Грина и ее свойства.
Пусть |
|
λ = 0 |
не является собственным значением оператора Штурма-Лиувилля. Тогда |
|||||||||||
функцией Грина называется: |
|
|
v1(x)v2 |
(y), 0 ≤ x ≤ y ≤ l, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
G(x, y)= − |
|
v |
(x)v |
(y), 0 ≤ y ≤ x ≤ l, |
, |
|
||
|
|
|
|
p(0)w(0) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
где vi (x) удовлетворяет однородному уравнению Lv = 0 (1одн.) i =1,2 . |
||||||||||||||
H1v1(0)− H2v1′(0)= 0, (то есть v1 |
удовлетворяет левому граничному условию), |
|||||||||||||
H1v2 (l)+ H2v2′(l)= 0, (то есть v2 |
удовлетворяет правому граничному условию), |
|||||||||||||
w(x)= |
|
v1(x) |
v2 |
(x) |
|
– определитель Вронского. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
v1′(x) |
v2′ |
(x) |
|
|
|
|
|
||||||
|
Свойства функции Грина. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
1) |
|
G(x, y) вещественна и непрерывна на [0,l]×[0,l], |
|
|
||||||||||
G(x, y) C2 |
в замкнутых треугольниках |
|
|
l |
|
|
||||||||
[0 ≤ x ≤ y ≤ l] и [0 ≤ y ≤ x ≤ l] |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2) |
|
G(x, y)= G(y, x) (симметричность) |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
l |
3)LxG(x, y)= 0, x ≠ y (удовлетворяет однородному уравнению (1одн.))
4)Gx′(x, y)x= y +0 −Gx′(x, y)x=y −0 = − p1(y), 0 < y < l (условие скачка производно по диа- гонали)
5)h1G(0(, y))− h2Gx′(0(, y))= 0, 0 < y ≤ l, (удовлетворяет краевым условиям (2))
H1G l, y + H2Gx′ l, y = 0, 0 ≤ y < l
При этом решение краевой задачи (1), (2) равно
u(x)= ∫l G(x, y)f (y)dy .
0
44