Реферат: Дифференциальные уравнения и описание непрерывных систем

--PAGE_BREAK--<imagedata src=«36706.files/image082.png» o:><img width=«251» height=«93» src=«dopb170765.zip» v:shapes="_x0000_i1067">
Если система векторных функций x1(t), ..., хn(t) линейно-зависима, то определитель Вронского W(t)=0.
Пусть вектор-функции x1(t), ..., xn(t) представляют собой n решений системы (3). Тогда, если определитель Вронского W(t) для этих решений обращается в ноль в какой-нибудь точке t0Î[а, b], то W(t) тождественно равен нулю на всем отрезке [а, b].
Пример: рассмотрим вектор-функции
<imagedata src=«36706.files/image084.png» o:><img width=«133» height=«34» src=«dopb170766.zip» v:shapes="_x0000_i1068">
Определитель Вронского для этих функций
<imagedata src=«36706.files/image086.png» o:><img width=«175» height=«45» src=«dopb170767.zip» v:shapes="_x0000_i1069">
При t = 0 W(0) = 0, но W(t) не равен тождественно 0. Отсюда следует, что данные вектор-функции х1(t) и x2(t) не могут быть решениями системы уравнений вида (3) с непрерывными коэффициентами, определенными на интервале, содержащем точку t=0.
Значение определителя Вронского в произвольной точке t можно вычислить с помощью рассмотренной ниже зависимости, называемой формулой Лиувилля.
Пусть x1(t), x2(t), ..., xn(t) — n решений системы (3). Тогда между значениями определителя Вронского W(t) в точках t0 и t существует следующая зависимость:
<imagedata src=«36706.files/image088.png» o:><img width=«191» height=«48» src=«dopb170768.zip» v:shapes="_x0000_i1070">
<imagedata src=«36706.files/image090.png» o:><img width=«387» height=«47» src=«dopb170769.zip» v:shapes="_x0000_i1071">
– след матрицы A(t).
2.7.4. Линейная неоднородная система. Метод вариации произвольных постоянных
Рассмотрим линейную неоднородную систему (2)
<imagedata src=«36706.files/image092.png» o:><img width=«131» height=«32» src=«dopb170770.zip» v:shapes="_x0000_i1072">
Соответствующая ей однородная система (3)
<imagedata src=«36706.files/image076.png» o:><img width=«95» height=«35» src=«dopb170771.zip» v:shapes="_x0000_i1073">
Пусть x=y(t) и j(t) – два решения системы (2). Тогда разность
x(t)= y(t)–j(t)
Представляет собой решение однородной системы (3).
Общее решение системы (2) имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image095.png» o:><img width=«166» height=«44» src=«dopb170772.zip» v:shapes="_x0000_i1074">
где ci – произвольные постоянные; xi(t) (i=1, 2, …, n) – фундаментальная система решений системы (3).
Частное решение системы (2) может быть найдено методом вариации произвольных постоянных. Рассмотрим этот метод. Пусть x1(t), x2(t), …, xn(t)— фундаментальная система решений системы (3). Частное решение неоднородной системы (2) будем искать в виде
<imagedata src=«36706.files/image097.png» o:><img width=«196» height=«51» src=«dopb170773.zip» v:shapes="_x0000_i1075">
полагая, что ci являются не постоянными, а некоторыми функциями t. Подставим это решение в систему (2):
<imagedata src=«36706.files/image099.png» o:><img width=«354» height=«42» src=«dopb170774.zip» v:shapes="_x0000_i1076">
Так как вектор-функции xi(t) – являются решениями однородной системы (3), то
<imagedata src=«36706.files/image101.png» o:><img width=«395» height=«49» src=«dopb170775.zip» v:shapes="_x0000_i1077">
поэтому
<imagedata src=«36706.files/image103.png» o:><img width=«135» height=«45» src=«dopb170776.zip» v:shapes="_x0000_i1078">
Это выражение представляет собой систему линейных алгебраических уравнений относительно сi(t) (i=l, 2, ,..., n). Определитель этой системы уравнений есть определитель Вронского для фундаментальной системы решений. Он отличен от нуля, поэтому эта система имеет единственное решение сi’(t)=Фi(t) (i=l, 2,..., n).
Интегрируем полученные равенства:
<imagedata src=«36706.files/image105.png» o:><img width=«131» height=«29» src=«dopb170777.zip» v:shapes="_x0000_i1079">
Следовательно, искомое частное решение имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image107.png» o:><img width=«167» height=«45» src=«dopb170778.zip» v:shapes="_x0000_i1080">
Значит, общее решение неоднородной системы будет
<imagedata src=«36706.files/image109.png» o:><img width=«246» height=«41» src=«dopb170779.zip» v:shapes="_x0000_i1081">
2.7.5. Формула Коши
При помощи формулы Коши можно выразить решение линейной неоднородной системы дифференциальных уравнений через некоторую фундаментальную систему решений соответствующей однородной линейной системы.
Рассмотрим неоднородную линейную систему дифференциаль­ных уравнений (2), записанную в векторном виде
<imagedata src=«36706.files/image111.png» o:><img width=«134» height=«32» src=«dopb170780.zip» v:shapes="_x0000_i1082">
Соответствующая ей однородная система (3)
<imagedata src=«36706.files/image076.png» o:><img width=«95» height=«35» src=«dopb170771.zip» v:shapes="_x0000_i1083">
Пусть x1, x2, …, xn – фундаментальная система решения системы уравнений (3). Образуем матрицу X1(t), столбцы которой являются этими решениями:
<imagedata src=«36706.files/image113.png» o:><img width=«246» height=«88» src=«dopb170781.zip» v:shapes="_x0000_i1084">
Определитель матрицы Х1(t) представляет собой определитель Вронского. Он отличен от нуля для всех tÎ[a, b]. Следовательно, существует обратная матрица X-11(t) при каждом tÎ[а, b]. Составим матрицу
X(t, t0) = X1(t)X1-1(t0)
Столбцы этой матрицы также образуют фундаментальную систему решений системы уравнений (3). Отметим, что X(t,  t0)=<imagedata src=«36706.files/image115.png» o:><img width=«113» height=«20» src=«dopb170782.zip» v:shapes="_x0000_i1085"> Назовем матрицу X(t, t0) фундаментальной матрицей системы (3). Эта матрица удовлетворяет матричному уравнению
<imagedata src=«36706.files/image117.png» o:><img width=«180» height=«32» src=«dopb170783.zip» v:shapes="_x0000_i1086">
Решение x(t) системы уравнений (3), удовлетворяющее начальным условиям x(t0)=x0, можно записать в виде
<imagedata src=«36706.files/image119.png» o:><img width=«135» height=«24» src=«dopb170784.zip» v:shapes="_x0000_i1087">
Тогда можно показать, что следующая формула, называемая формулой Коши, позволяет найти решение x(t) неоднородной системы (2), удовлетворяющее начальным условиям x(t0)=x0, если известна фундаментальная матрица X(t, t0) однородной системы (3):
<imagedata src=«36706.files/image121.png» o:><img width=«262» height=«44» src=«dopb170785.zip» v:shapes="_x0000_i1088">
Следует отметить, что если матрица А постоянная, т. е. рас­сматриваемая система дифференциальных уравнений является системой линейных уравнений с постоянными коэффициентами
<imagedata src=«36706.files/image123.png» o:><img width=«145» height=«39» src=«dopb170786.zip» v:shapes="_x0000_i1089">
то решение этой системы x(t), удовлетворяющее начальным условиям x(t0)=x0, запишется в виде
<imagedata src=«36706.files/image125.png» o:><img width=«237» height=«41» src=«dopb170787.zip» v:shapes="_x0000_i1090">
где X (f) — матрица, столбцы которой состоят из фундаменталь­ной системы решений однородной системы уравнений xt'=Ах, причем X (t0) = E.
2.7.6. Линейное уравнение n-го порядка
Линейное уравнение n-го порядка имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image127.png» o:><img width=«290» height=«25» src=«dopb170788.zip» v:shapes="_x0000_i1091">
где a0(t), …, an(t) — непрерывные функции для tÎ(a, b), при­чем а0(t)¹0. Соответствующее этому уравнению однородное урав­нение имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image129.png» o:><img width=«300» height=«25» src=«dopb170789.zip» v:shapes="_x0000_i1092">
Эти уравнения путем введения вспомогательных функций
<imagedata src=«36706.files/image131.png» o:><img width=«257» height=«21» src=«dopb170790.zip» v:shapes="_x0000_i1093">
можно свести соответственно к системам уравнений
<imagedata src=«36706.files/image133.png» o:><img width=«293» height=«355» src=«dopb170791.zip» v:shapes="_x0000_i1094">
или в векторной форме,
<imagedata src=«36706.files/image135.png» o:><img width=«508» height=«181» src=«dopb170792.zip» v:shapes="_x0000_i1095">
Пусть начальные условия этой системы имеют вид
<imagedata src=«36706.files/image137.png» o:><img width=«339» height=«26» src=«dopb170793.zip» v:shapes="_x0000_i1096">
Эта система имеет единственное решение
<imagedata src=«36706.files/image139.png» o:><img width=«129» height=«88» src=«dopb170794.zip» v:shapes="_x0000_i1097">
Для нахождения частного решения ф(t) данного уравнения можно использовать метод вариации произвольных постоянных. При этом система алгебраических уравнений для нахождения сi'(t) имеет следующий вид:
<imagedata src=«36706.files/image141.png» o:><img width=«434» height=«102» src=«dopb170795.zip» v:shapes="_x0000_i1098">
Определитель этой системы есть определитель Вронского для линейно независимой системы решений x1 ,…, xn, поэтому W(t)¹0, и данная система имеет единственное решение. Интегри­руя полученные значения для c'i(t), найдем ci(t) и тогда искомое решение
<imagedata src=«36706.files/image143.png» o:><img width=«171» height=«50» src=«dopb170796.zip» v:shapes="_x0000_i1099">
Решение x(t) исходного уравнения, удовлетворяющее заданным условиям, найдется по формуле Коши
<imagedata src=«36706.files/image145.png» o:><img width=«227» height=«49» src=«dopb170797.zip» v:shapes="_x0000_i1100">
где
<imagedata src=«36706.files/image147.png» o:><img width=«200» height=«47» src=«dopb170798.zip» v:shapes="_x0000_i1101">
где ci(t) определяются из системы уравнений
<imagedata src=«36706.files/image149.png» o:><img width=«282» height=«109» src=«dopb170799.zip» v:shapes="_x0000_i1102">
Определитель этой системы представляет собой определитель Вронского фундаментальной системы решений x1, …, xn и поэтому не равен нулю. Эта система имеет единственное реше­ние c1(t), …, cn(t). Следовательно, решение x1(t, t) определяется единственным образом.
2.7.7. Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
Линейное однородное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
<shape id="_x0000_i1103" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«36706.files/image151.wmz» o:><img width=«227» height=«25» src=«dopb170800.zip» v:shapes="_x0000_i1103">   (5)
Его решение будем искать в виде y=ekx. Тогда y’=kekx, y’’=k2ekx, …, y(n)=knekx. Подставим это в исходное дифференциальное уравнение и получим так называемое характеристическое уравнение для дифференциального уравнения (5):
knekx+…+a2k2ekx+a1kekx+a0ekx=0
или, разделив это уравнение на ekx, так как он ни при каких x не равен нулю, получаем:
kn+…+a2k2+a1k+a0=0
Решив это уравнение относительно k, мы получим n корней, которые могут быть как действительными, так и мнимыми. В зависимости от вида корней характеристического уравнения мы будем иметь различные виды решения дифференциального уравнения:
1.                 Некоторые ki, …, kj из всего множества корней характеристического уравнения – действительные и различные числа. Тогда каждому km из этого множества будет соответствовать решение в виде: ym=cmekmx.
2.                 Некоторые ki,…, k2j – комплексные и различные. Тогда каждой паре km;m+1=am±bmi будет соответствовать решение ym=cmeamxcos(bmx); ym+1=eamxsin(bmx).
3.                 Среди решений характеристического уравнения есть корень ki кратности m. Ему будут соответствовать решения: yi=ciekix, yi+1=xci+1ekix, …, yi+m=xm-1ci+mekix.
4.                 Среди решений характеристического уравнения есть 2 комплексных корня ki;i+1=ai±bii кратности m. Им будут соответствовать решения yi=cieaixcos(bix); yi+1=ci+1eaixsin(bix); yi+2=xci+2eaixcos(bix); yi+3=xci+3eaixsin(bix); …; yi+m=x2m-1cieaixcos(bix); yi+m=x2m-1 ´
´ci+1eaixsin(bix).
Однако, как было сказано выше, совокупность всех решений {y(x)} образует линейное пространство размерности n, так как решения этой системы являются линейно-независимыми и образуют базис. Это значит, что линейная комбинация решений линейного дифференциального уравнения также будет являться решением. Следовательно, общее решение данного линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка (5) с постоянными коэффициентами можно представить как линейную комбинацию решений, соответствующих каждому корню (или паре корней) характеристического уравнения.
2.7.8. Линейное неоднородное дифференциальное уравнение
Линейное неоднородное дифференциальное уравнение имеет вид
y(n)+Pn-1(x)y(n-1)+…+P2y’+P1y+P0=f(x),       (6)
где P0(x), P1(x),…, Pn-1(x), f(x) – некоторые непрерывные функции, непрерывные по x и удовлетворяющие условию Липшица по x. Соответствующее ему однородное дифференциальное уравнение имеет вид
y(n)+Pn-1(x)y(n-1)+…+P2y’+P1y+P0=0, (7).
Если дифференциальное уравнение (6) имеет частное решение yв(x) и общее решение yс=c1y1+c2y2+…+cnyn, то общее решение дифференциального уравнения (6) равно сумме частного решения yв и общего решения линейного однородного дифференциального уравнения (7) yc: y=yc+yв.
Методика нахождения общего решения линейного однородного уравнения была изложена выше. Здесь мы рассмотрим нахождение частного решения линейного неоднородного уравнения.
Частное решение будет зависеть от вида правой части f(x). В общем случае трудно найти частное решение для любой функции f(x). Однако на практике применяются следующие виды функции f(x):
1. f(x)=P(x)eax, где P(x) – некоторый многочлен. Тогда частное решение ищется в виде:
1)                            yч=xmQ(x)eax, если a – m-кратный корень характеристического уравнения;
2)                            yч=Q(x)eax, если a – не корень характеристического уравнения,
где Q(x) – многочлен той же степени, что и P(x), но с неопределенными коэффициентами.
2. f(x)=(Pn(x)cos(bx)+Lm(x)sin(bx))eax, где Pn(x) и Lm(x) – некоторые многочлены. Тогда частное решение ищется в виде:
1) yч=(Mn(x)cos(bx)+Nn(x)sin(bx))eax, если (a±bi) – не корень характеристического уравнения;
2) yч=xm(Mn(x)cos(bx)+Nn(x)sin(bx))eax, если (a±bi) – m-кратный корень характеристического уравнения,
где Mn(x) и Nn(x) – многочлены, степень которых равна наивысшей степени многочленов Pn(x) и Lm(x).
После выбора вида частного решения подставляем его в исходное дифференциальное уравнение. При этом неизвестные коэффициенты полиномов находим по методу неопределенных коэффициентов, который заключается в том, что неизвестные коэффициенты ищутся из условия равенства коэффициентов при одинаковых слагаемых, например, при x, при x2, при x3cos(bx) и т. д.

3. Дифференциальные уравнения при описании непрерывных систем
3.1. Составление и линеаризация дифференциальных уравнений элементов системы
В установившемся состоянии зависимость выходной величины элемента системы от входной задается статической характеристикой элемента. Как правило, статические характеристики элементов нелинейны. Статические характеристики могут быть получены из дифференциальных уравнений элементов системы.
Пусть дифференциальное уравнение, описывающее поведение элемента, имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image153.png» o:><img width=«138» height=«23» src=«dopb170801.zip» v:shapes="_x0000_i1104"> (1)
Тогда статическая характеристика этого элемента задается уравнением в неявной форме
<imagedata src=«36706.files/image155.png» o:><img width=«126» height=«19» src=«dopb170802.zip» v:shapes="_x0000_i1105">    (2)
то есть для ее получения в уравнении (1) следует положить x=const и g=const.
<imagedata src=«36706.files/image157.png» o:><img width=«255» height=«267» src=«dopb170803.zip» v:shapes="_x0000_i1106">
Если динамика элемента описывается линейным дифференциальным уравнением, то этот элемент называется линейным, если дифференциальное уравнение нелинейно, то элемент называется нелинейным. Из-за нелинейности статических характеристик уравнения элементов системы в большинстве случаев являются нелинейными.
Для упрощения анализа, когда это возможно, приближенно заменяют нелинейные дифференциальные уравнения такими линейными уравнениями, решения которых с достаточной степенью точности совпадают с решениями нелинейных уравнений. Этот процесс замены нелинейного дифференциального уравнения линейным называется линеаризацией. Обычно линеаризация нелинейного уравнения производится относительно некоторого установившегося состояния элемента системы.
Если дифференциальное уравнение элемента нелинейно из-за нелинейности его статической характеристики, то линеаризация уравнения сводится к замене нелинейной характеристики элемента x=ф(g) некоторой линейной функцией x=ag+b. Аналитически эта замена производится с помощью разложения в ряд Тейлора функции x=y(g) в окрестности точки, соответствующей установившемуся состоянию и отбрасывания всех членов, содержащих отклонение Dg входной величины элемента в степени выше первой. Геометрически это означает замену кривой x=ф(g) касательной, проведенной к кривой в точке (х0, g0), соответствующей установившемуся состоянию работы элемента (рис. 3).
В других случаях линеаризация производится путем проведения секущей, мало отклоняющейся от функции x=ф(g) в требуемом диапазоне измене­ния входной величины элемента.
Назовем нелинейные статические характеристики, линеаризуемые в требуе­мом диапазоне изменения входной величины указанным выше способом, не­существенно нелинейными характеристиками. Наряду с линеаризуемыми характеристиками имеются такие характеристики, которые не поддаются такой линеаризации. К ним относятся, например, характеристики, не разлагаемые в ряд Тейлора в окрестности точки установившегося состояния. Такие характеристики будем называть существенно нелинейными.
Рассмотрим подробнее процесс линеаризации нелинейного уравнения элемента с помощью ряда Тейлора. Пусть поведение элемента описывается нелинейным дифференциальным уравнением (1). Тогда установившееся состояние элемента характеризуется уравнением (2). Пусть g0 и х0 — значения установившегося состояния. Тогда координаты g и х можно записать в виде х=х0+Dx, g=g0+Dg, где Dg и Dx — отклонения координат g и x от установившегося состояния. Уравнение (1) в отклонениях имеет вид
<imagedata src=«36706.files/image159.png» o:><img width=«248» height=«21» src=«dopb170804.zip» v:shapes="_x0000_i1107">
Разложим левую часть этого уравнения в ряд Тейлора относительно точки (0, 0, х0, g0):
<imagedata src=«36706.files/image161.png» o:><img width=«460» height=«87» src=«dopb170805.zip» v:shapes="_x0000_i1108">
В левой части этого равенства не выписаны члены, содержащие отклонения Dg и Dx и их производные в степени выше первой. Частные производные в левой части этого уравнения представляют собой некоторые числа, величины которых зависят от вида функ­ции F(x", x', x, g) и значений координат g0 и х0.
Считая отклонения Dg, Dх от установившегося состояния, а также их производные по времени малыми и полагая, что функция F(x", x', x, g) достаточно гладкая по всем аргументам в окрестности точки, соответствующей установившемуся состоянию, отбросим в этом уравнении все члены, которые содержат отклонения Dg и Dх, а также их производные в степени выше первой. Полученное уравнение
<imagedata src=«36706.files/image163.png» o:><img width=«363» height=«43» src=«dopb170806.zip» v:shapes="_x0000_i1109">
является линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами
<imagedata src=«36706.files/image165.png» o:><img width=«214» height=«36» src=«dopb170807.zip» v:shapes="_x0000_i1110">
Очевидно, что необходимым условием линеаризации является возможность разложения в ряд Тейлора функции F(x", x', x, g) в окрестности точки, соответствующей установившемуся состоянию. Линеаризованное уравнение приближенно заменяет нелинейное уравнение (1) лишь в некоторой малой окрестности точки (0, 0, х0, g0). Величина этой окрестности зависит от гладкости функции F(x", x', x, g) в этой точке, т. е. от величин производных порядка выше первого этой функции в точке (0, 0, х0, g0). Как правило, с помощью линеаризованного уравнения можно исследовать поведение элемента системы лишь при малых отклонениях входной и выходной координаты от установившегося состояния. Очевидно, что необходимым условием линеаризации является возможность разложения в ряд Тейлора функции F(x", x', x, g) в окрестности точки, соответствующей установившемуся состоянию. Линеаризованное уравнение приближенно заменяет нелинейное уравнение (1) лишь в некоторой малой окрестности точки (0, 0, х0, g0). Величина этой окрестности зависит от гладкости функции F(x", x', x, g) в этой точке, т. е. от величин производных порядка выше первого этой функции в точке (0, 0, х0, g0). Как правило, с помощью линеаризованного уравнения можно исследовать поведение элемента системы лишь при малых отклонениях входной и выходной координаты от установившегося состояния.
3.2. Понятие пространства состояний
С точки зрения анализа и синтеза систем представляется целесообразным разделить все переменные, характеризующие систему, на три группы:
1) входные переменные или входные воздействия mi, представляющие сигналы, генерируемые системами, внешними по отношению к исследуемой, и влияющие на поведение системы;
2) выходные переменные или переменные, характеризующие реакцию системы yj, позволяющие описать некоторые аспекты поведения системы, представляющие интерес для исследователя;
    продолжение
--PAGE_BREAK--