Jump to content

Изменение параметров

(Перенаправлено из «Вариации констант »)

В математике , изменение параметров , также известное как изменение констант является общим методом решения неоднородных линейных обыкновенных дифференциальных уравнений .

первого порядка Для неоднородных линейных дифференциальных уравнений обычно можно найти решения с помощью интегрирующих коэффициентов или неопределенных коэффициентов со значительно меньшими усилиями, хотя эти методы используют эвристику , предполагающую угадывание, и не работают для всех неоднородных линейных дифференциальных уравнений.

Изменение параметров распространяется на линейные уравнения в частных производных и , в частности на неоднородные задачи для линейных эволюционных уравнений, таких как уравнение теплопроводности , волновое уравнение и вибрирующей пластины уравнение . В этом контексте метод чаще известен как принцип Дюамеля , названный в честь Жана-Мари Дюамеля (1797–1872), который первым применил этот метод для решения неоднородного уравнения теплопроводности. Иногда само изменение параметров называют принципом Дюамеля и наоборот.

Метод изменения параметров был впервые предложен швейцарским математиком Леонардом Эйлером (1707–1783), а позднее завершен итальянско-французским математиком Жозефом-Луи Лагранжем (1736–1813). [1]

Предшественник метода изменения элементов орбиты небесного тела появился в работах Эйлера в 1748 году, когда он изучал взаимные возмущения Юпитера и Сатурна. [2] В своем исследовании движения Земли в 1749 году Эйлер получил дифференциальные уравнения для элементов орбиты. [3] В 1753 году он применил этот метод к изучению движения Луны. [4]

Лагранж впервые применил этот метод в 1766 году. [5] Между 1778 и 1783 годами он развил этот метод в двух сериях мемуаров: одна об изменениях в движении планет. [6] и еще один об определении орбиты кометы по трем наблюдениям. [7] В 1808–1810 гг. Лагранж в третьей серии статей придал методу вариации параметров окончательный вид. [8]

Описание метода

[ редактировать ]

Дано обыкновенное неоднородное линейное дифференциальное уравнение порядка n

( я )

Позволять быть базисом векторного пространства решений соответствующего однородного уравнения

( ii )

Тогда частное решение неоднородного уравнения имеет вид

( iii )

где являются дифференцируемыми функциями, которые, как предполагается, удовлетворяют условиям

( ив )

Начиная с ( iii ), повторное дифференцирование в сочетании с повторным использованием ( iv ) дает

( v )

Последнее дифференцирование дает

( мы )

Подставляя ( iii ) в ( i ) и применяя ( v ) и ( vi ), получаем, что

( вий )

Линейную систему ( iv и vii ) из n уравнений можно затем решить, используя правило Крамера, что дает

где определитель Вронского базиса и – определитель Вронского базиса с i -го столбца на заменой

Тогда частное решение неоднородного уравнения можно записать в виде

Интуитивное объяснение

[ редактировать ]

Рассмотрим уравнение принудительной бездисперсионной пружины в подходящих единицах:

Здесь x — смещение пружины из положения равновесия x = 0 , а F ( t ) — внешняя приложенная сила, зависящая от времени. Когда внешняя сила равна нулю, это однородное уравнение (решениями которого являются линейные комбинации синусов и косинусов, соответствующие пружине, колеблющейся с постоянной полной энергией).

Физически решение можно построить следующим образом. Между временами и , импульс, соответствующий решению, имеет чистое изменение (см.: Импульс (физика) ). Решение неоднородного уравнения в настоящий момент t > 0 получается путем линейного суперпозиции полученных таким образом решений при изменении s между 0 и t .

Однородная начальная задача, представляющая собой малый импульс добавляется в решение во времени , является

Легко увидеть, что единственным решением этой проблемы является . Линейная суперпозиция всех этих решений определяется интегралом:

Чтобы убедиться, что это удовлетворяет требуемому уравнению:

при необходимости (см.: Интегральное правило Лейбница ).

Общий метод изменения параметров позволяет решить неоднородное линейное уравнение

рассматривая линейный дифференциальный оператор второго порядка L как чистую силу, таким образом, общий импульс, передаваемый решению между моментами s и s + ds , равен F ( s ) ds . Обозначим через решение однородной начальной задачи

Тогда частное решение неоднородного уравнения есть

результат линейного суперпозиции бесконечно малых однородных решений. Существуют обобщения линейных дифференциальных операторов более высокого порядка.

На практике изменение параметров обычно предполагает фундаментальное решение однородной задачи, бесконечно малые решения. тогда оно задается в терминах явных линейных комбинаций линейно независимых фундаментальных решений. В случае принудительной бездисперсионной пружины ядро – связанное с ним разложение на фундаментальные решения.

Уравнение первого порядка

[ редактировать ]

Дополнительным решением нашего исходного (неоднородного) уравнения является общее решение соответствующего однородного уравнения (записанного ниже):

Это однородное дифференциальное уравнение можно решить разными методами, например разделением переменных :

Таким образом, дополнительное решение нашего исходного уравнения будет:

Теперь вернемся к решению неоднородного уравнения:

Используя метод вариации параметров, частное решение формируется путем умножения дополнительного решения на неизвестную функцию C ( x ):

Подставив частное решение в неоднородное уравнение, можно найти C ( x ):

Нам нужно только одно частное решение, поэтому мы произвольно выбираем для простоты. Поэтому частное решение:

Окончательное решение дифференциального уравнения:

При этом воссоздается метод интегрирования факторов .

Конкретное уравнение второго порядка

[ редактировать ]

Давайте решим

Мы хотим найти общее решение дифференциального уравнения, то есть хотим найти решения однородного дифференциального уравнения

Характеристическое уравнение :

С является повторяющимся корнем, мы должны ввести коэффициент x для одного решения, чтобы обеспечить линейную независимость: и . Вронскиан равен этих двух функций

Поскольку вронскиан не равен нулю, эти две функции линейно независимы, поэтому на самом деле это общее решение однородного дифференциального уравнения (а не просто его подмножество).

Мы ищем функции A ( x ) и B ( x ) так, чтобы A ( x ) u 1 + B ( x ) u 2 было частным решением неоднородного уравнения. Нам нужно только вычислить интегралы

Напомним, что для этого примера

То есть,

где и являются константами интегрирования.

Общее уравнение второго порядка

[ редактировать ]

Имеем дифференциальное уравнение вида

и определим линейный оператор

где D представляет собой дифференциальный оператор . Поэтому нам необходимо решить уравнение для , где и известны.

Сначала нам необходимо решить соответствующее однородное уравнение:

по выбранной нами технике. Как только мы получили два линейно независимых решения этого однородного дифференциального уравнения (поскольку это ОДУ второго порядка) — назовем их u 1 и u 2 — мы можем приступить к варьированию параметров.

Теперь ищем общее решение дифференциального уравнения который мы предполагаем иметь вид

Здесь, и неизвестны и и являются решениями однородного уравнения. (Заметьте, что если и являются константами, то .) Поскольку приведенное выше уравнение представляет собой только одно уравнение и у нас есть две неизвестные функции, разумно наложить второе условие. Мы выбираем следующее:

Сейчас,

Снова дифференцируем (опуская промежуточные шаги)

Теперь мы можем записать действие L на u G как

Поскольку u 1 и u 2 — решения, то

Имеем систему уравнений

Расширение,

Таким образом, приведенная выше система точно определяет условия

Мы ищем A ( x ) и B ( x ) из этих условий, поэтому, учитывая

мы можем решить для ( A ′( x ), B ′( x )) Т , так

где W обозначает вронскиан u 1 и u 2 . (Мы знаем, что W не равно нулю, из предположения, что u 1 и u 2 линейно независимы.) Итак,

Хотя однородные уравнения относительно легко решить, этот метод позволяет вычислить коэффициенты общего решения однородного уравнения и, таким образом, можно определить полное общее решение неоднородного уравнения.

Обратите внимание, что и определяются только с точностью до произвольной аддитивной константы ( константы интегрирования ). Добавление константы в или не меняет значение потому что дополнительный член представляет собой просто линейную комбинацию u 1 и u 2 , которая является решением уравнения по определению.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ См.:
  2. ^ Эйлер, Л. (1748) «Исследования по вопросу о неравенствах движения Сатурна и Юпитера, предмет, предложенный на премию 1748 года Королевской академией наук Парижа» [Исследования по вопросу о различия в движении Сатурна и Юпитера; этот предмет предложен на премию Королевской академии наук (Париж) в 1748 году] (Париж, Франция: Ж. Мартен, Ж. Б. Куаньяр и Х. Л. Герен, 1749).
  3. ^ Эйлер, Л. (1749) «Исследование прецессии равноденствий и нутации земной оси», История [или Мемуары ] Королевской академии наук и художественной литературы (Берлин), страницы 289 –325 [опубликовано в 1751 г.].
  4. ^ Эйлер, Л. (1753) Теория движения Луны: демонстрация всех ее неравенств ... (Санкт-Петербург, Россия: Academia Imperialis Scientiarum Petropolitanae [Императорская академия наук (Санкт-Петербург)], 1753).
  5. ^ Лагранж, Ж.-Л. (1766) «Решение различных проблем интегрального исчисления», «Смеси философии и математики Королевского общества Турина» , том. 3, стр. 179–380.
  6. ^ См.:
  7. ^ См.:
  8. ^ См.:
    • Лагранж, Ж.-Л. (1808) «К теории изменений элементов планет и, в частности, изменений главных осей их орбит», Mémoires de la première Classe de l'Institut de France . Перепечатано в: Жозеф-Луи Лагранж с Жозефом-Альфредом Серре, изд., Oeuvres de Lagrange (Париж, Франция: Готье-Виллар, 1873), том. 6, стр. 713–768 .
    • Лагранж, Ж.-Л. (1809) «Об общей теории изменения произвольных констант во всех задачах механики», Mémoires de la première Classe de l’Institut de France . Перепечатано в: Жозеф-Луи Лагранж с Жозефом-Альфредом Серре, изд., Oeuvres de Lagrange (Париж, Франция: Готье-Виллар, 1873), том. 6, стр. 771–805 .
    • Лагранж, Ж.-Л. (1810) «Второй мемуар по общей теории изменения произвольных констант во всех задачах механики...», Mémoires de la première Classe de l'Institut de France . Перепечатано в: Жозеф-Луи Лагранж с Жозефом-Альфредом Серре, изд., Oeuvres de Lagrange (Париж, Франция: Готье-Виллар, 1873), том. 6, стр. 809–816 .
  • Коддингтон, граф А.; Левинсон, Норман (1955). Теория обыкновенных дифференциальных уравнений . МакГроу-Хилл .
  • Бойс, Уильям Э.; ДиПрима, Ричард К. (2005). Элементарные дифференциальные уравнения и краевые задачи (8-е изд.). Уайли. стр. 186–192, 237–241.
  • Тешль, Джеральд (2012). Обыкновенные дифференциальные уравнения и динамические системы . Американское математическое общество .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a541e1d89f1cc6b1152de192bbd52184__1701827280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a5/84/a541e1d89f1cc6b1152de192bbd52184.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Variation of parameters - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)