Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Differencialliq tenlemeler

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
09.08.2024
Размер:
3 Mб
Скачать

A) ornıqlı túyin; B) ornıqsız túyin.

2) Meyli bolsın. Bul jaǵday n ǵa almastırǵanda aldıńǵı jaǵdayǵa ótedi.

Demek, traektoriyalar aldıńǵı jaǵdaydaǵıday túrge iye boladı, biraq ta, tek traektoriyalar boyınsha noqatlar qarama-qarsı baǵıtta qozǵaladı.

Kórinip turǵanınday, koordinatalar basına qálegeninshe jaqın noqatlar

nıń ósiwi menen

koordinatalar basınıń -dógereginen uzaqlasadı. Qarastırılǵan tiptegi teń

salmaqlıq awhalı

ornıqsız túyin dep ataladı.

 

3) Eger

bolsa, onda teń salmaqlıq awhal jáne ornıqsız boladı, sebebi

traektoriyalar boyınsha qozǵalıwshı noqat parametriniń qálegeninshe kishi mánislerinde nıń ósiwi menen koordinatalar basınıń -dógereginen shıǵıp ketedi.

Qarastırıp atırǵan jaǵdayda koordinatalar basına jaqınlasıwshı qozǵalıs ta bar, atap aytqanda:

bolǵanlıqtan, koordinatalar basina jaqınlasadı.

Sonıń menen birge, parametriniń hár qıylı mánislerinde birdey tuwrısı boyınsha

hár qıylı qozǵalıslar alamız. óskende bul tuwrıdaǵı noqatlar koordinatalar basına qaraǵan baǵıt boyınsha qozǵaladı.

Al,

 

tuwrısı boyınsha traektoriya noqatlar nıń ósiwi menen koordinatalar basınan

 

uzaqlasıp qozǵaladı. Eger de

hám

bolsa, onda

da hám sonday-aq,

da traektoriya teń salmaqlıq awhalı dógereginen shıǵıp ketedi. Qarastırıp atırǵan tipte, atap

aytqanda,

hám

korenler haqıyqıy hám hár qıylı bolıp, hár qıylı belgili bolǵanda, yaǵnıy

 

bolǵanda

teń salmaqlıq awhalı er dep ataladı.

Er

b) Meyli (3) xarakteristikalıq teńlemeniń korenleri kompleks, yaǵnıy bolsın. Bul jaǵdayda qarastırip atırǵan (2) sistemanıń ulıwma sheshimin

 

 

 

 

(6)

túrinde kórsetiwge boladı, bunda

hám

– erikli turaqlılar, al

hám

– us turaqlılardıń

bazıbir sızıqlı kombinaciyaları. Bunda tómendegi jaǵdaylar bolıw múmkin:

 

1)

Bul jaǵdayda waqıt ósiwi menen

kóbeytiwshisi nolge

umtıladı, al (6) te liklerdegi ekinshi periodlı kóbeytiwshi shegaralanǵan bolıp qaladı. Egerde

bolsa,

onda (6) te

likleriniń oń jaǵındaǵı ekinshi

kóbeytiwshiniń periodlı bolıwına

baylanslı traektoriyalar

teń salmaqlıq awhalın qorshaytuǵın tuyıq iymek sızıqlar

boladı. Al,

ózgeriwshiniń ósiwi menen nolge umtılatuǵın

 

kóbeytiwshiniń bar

bolıw tuyıq iymek sızıqlardı spirallarǵa aylandıradı, bul spirallar

da koordinatalar basına

asimptotikalıq túrde jaqınlasadı, sonıń menen birge,

bolǵanda koordinatalar basınıń

qálegen

-dógereginde turǵan noqatlar jetkilikli úlken bolǵanda da teń salmaqlıq awhalınıń

berilgen

-dógeregine tiyisli boladı. Demek, teń salmaqlıq awhalı asimptotikalıq ornıqlı hám

ornıqlı fokus dep ataladı. Fokus túyinnen sonıń menen ayrıladı, traektoriyalarǵa júrgizilgen urınbalar urınıw noqatı teń salmaqlıq awhalına jaqınlasqanda belgili bir shekke umtılmaydı.

A) ornıqlı fokus; B) oray.

 

 

2)

Bul jaǵday n

ǵa almastırǵanda aldıńǵı jaǵdayǵa ótedi.

Demek, traektoriyalar aldıńǵı jaǵdaydan ózgeshelenbeydi, biraq olar boyınsha qozǵalıs

óskende keri baǵıtta boladı.

baslanǵısh momentte koordinatalar basına qálegeninshe jaqın

jaylasqan noqatlar ósiwshi

kóbeytiwshi bar bolǵanlıqtan,

nıń ósiwi menen

koordinatalar basınıń -dógereginen uzaqlasadi. Bul jaǵdayda teń salmaqlıq awhalı ornıqsız hám

ol ornıqsız fokus

dep ataladı.

3)

Sheshimniń periodlıǵına baylanıslı bul jaǵdayda traektoriyalar

teń salmaqlıq awhalın óz ishine alatuǵın tuyıq iymek sızıqlar boladı. Bul jaǵdayda teń salmaqlıq awhalın oray dep ataydı. Oray ornıqlı tınıshlıq noqat (teń salmaqlıq awhalı) boladı, sebebi

qálegen berilgen

ushın sonday

sanın tańlap alıw múmkin, noqatlar koordinatalar

basınıń -dógereginde jatqan tuyıq traektoriyalar yamasa

hám shamaların sonday kishi etip

tańlap alıw múmkin, mına

 

 

 

 

 

{

 

 

sheshimler

 

teńsizligin qanaatlandıradı. Biraq, bul jaǵdayda asimptotikalıq

ornıqlılıq bolmaydı, sebebi

hám

funkciyalar

da 0 ge umtılmaydı.

c) Meyli (3) xarakteristikalıq teńleme korenleri eseli korenler bolsın:

1) Dáslep

bolǵan jaǵdaydı qarayıq.

 

 

Ulıwma sheshim eseli korenler bolǵan jaǵdayda

 

 

 

{

 

 

 

túrine iye boladı. Sonıń menen birge,

bolıwı da múmkin, bul jaǵdayda

hám

erikli turaqlılar boladı. Al,

 

da tez nolge umtılatuǵın

kóbeytiwshi bolǵanlıqtan,

kóbeymesi

 

da nolge umtıladı, sonıń menen birge, jetkilikli úlken

bolǵanda da koordinatalar basınıń qálegen -dógereginiń noqatlar koordinataları basınıń berilgen -dógeregine tiyisli boladı hám demek, tınıshlıq noqat asimptotikalıq ornıqlı. Bul ornıqlı túyin

boladı.

 

Eger

bolsa, onda jáne ornıqlı túyinge iye bolamız. Bul jaǵdayda teń salmaqlıq

awhalı dikritikalıq túyin dep ataladı.

A) dikritikalıq túyin; B) ornıqsız túyin.

2) Eger bolsa, onda n ǵa almastırıp, aldıńǵı jaǵdayǵa kelinedi, demek, traektoriyalar aldıńǵı jaǵdaydıń traektoriyalarınan parıqlanbaydi. Bul jaǵdayda tınıshlıq noqat ornıqsız túyin delinedi.

Solay etip, |

 

|

bolǵandaǵı barlıq múmkin bolǵan jaǵdaylar qarastırıldı.

Endi |

|

bolǵan jaǵdaydı qaraymız. Sonda xarakteristikalıq teńleme

 

 

 

 

|

|

 

túrine iye bolıp,

 

korenge iye boladı. Meyli bunda

bolsın. Sonda ulıwma sheshim

 

 

 

 

{

 

 

túrine iye boladı. Bul teńliklerden

nı shıǵarıp taslap,

 

parallel

tuwrlar toparna

iye

bolamz. Bunda

bolsa,

tuwrısında

jaylasqan tınıshlıq

noqatlarnıń (teń salmaqlıq awhallarınıń) bir parametrli toparın alamız. Eger

bolsa, onda

da hár bir traektoriyada noqatlar usı traektoriyada jatatuǵın

tınıshlıq

noqatına jaqınlasadı.

 

tınıshlıq noqatı ornıqlı, biraq asimptotikalıq ornıqlı bolmaydı.

A) ornıqlı tınıshlıq noqatlarınıń tuwrısı (

); B) ornıqsız tınıshlıq noqatlarnıń

tuwrısı (

).

 

Egerde bolsa, onda traektoriyalar aldıńǵı jaǵdaydaǵıday bolıp jaylasadı da, biraq traektoriyalardaǵı noqatlar qozǵalıs qarama-qarsı baǵıtta boladı. Bul jaǵdayda

tınıshlıq noqatı ornıqsız boladı.

Egerde bolsa, onda tómendegi eki jaǵday bolıwı múmkin:

1) (2) sistemasnıń ulıwma sheshimi

{

túrine iye. Bul jaǵdayda barlıq noqatlar tınıshlıq noqatlar boladı, barlıq sheshimler ornıqlı.

2) Ulıwma sheshim tómendegi túrge iye:

 

 

 

 

{

bunda

hám

turaqlılar

hám

erikli turaqlılarnıń sızıqlı kombinaciyası. Bul jaǵdayda

 

tınıshlıq noqatı ornıqsız.

 

17-lekciya. Ekinshi tártipli sızıqlı differenciyallıq teńlemeni āpiwayı koriniske keltiriw.

Shegaralıq máseleler. Ekinshi tártipli DT-lerdi dárejeli qatarlar járdeminde integrallaw

Reje:

1.Ekinshi tártipli sızıqlı differenciyallıq teńlemeni āpiwayı koriniske keltiriw.

2.Shegaralıq máseleler. Grin funkciyası

3.Grin funkciyasınıń bar bolıwı hām birden-birligi haqqında

4.Menshikli mānisler hām menshikli funksiyalar túsinigi

5.Ekinshi tártipli DT-lerdi dárejeli qatarlar járdeminde sheshiw

6.Uliwmalasqan dārejeli qatarlar

Tayanısh sōzler: Ekinshi tártipli sızıqlı differenciyallıq teńleme. Shegaralıq shārtler. Shegaralıq másele. Grin funkciyası.Menshikli mānisler hām menshikli funksiyalar túsinigi. Dárejeli qatarlar. Uliwmalasqan dārejeli qatarlar

Biz differencialliq teńlemeler ushin Koshi máselesin úyrendik. Ápiwayi qilip aytqanda, Koshi máselesi berilgen tochkadan ótetuǵin integralliq iymek siziqti izlewden ibarat edi. Eger integralliq iymek siziqtiń berilgen eki tochkadan otiwi talap etilse, bul másele Koshi máselesinen pariq qilip, berilgen eki tochkaniń hár biri ushin ayirim alinǵan Koshi máselesi sheshimge iye bolsa da, bul qoyilǵan másele sheshimge iye bolmawi múmkin,

Birinshi tártipli differenciyalliq teńleme ushin másele

 

dy

f (x, y), y(x

 

) y

 

,

y(x ) y

 

 

 

o

o

 

 

dx

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

túrinde jaziliwi múmkin.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ekinshi tártipli siziqli teńleme bolǵan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a(t)x b(t)x b(t)x f (t)

(1)

teńlemeni qarayiq.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Meyli a(t),b(t),c(t)

hám

f (t)

funkciyalari bazibir to t t1

kesindide aniqlanǵan hám

úzliksiz bolsin. Usi (1) teńlemeniń

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(t0 ) 1 x(t0 ) A,

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

o x(t1 ) 1 x(t1 ) B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

shártlerin qanaatlantiratuǵin

x(t)

sheshimin izleymiz, bunda o , 1 , A, o , B1 - turaqlilar.

Bul (2) shártler shegaraliq yamasa shetki shártler dep, al, (1), (2) máselesiniń ózi shegaraliq másele dep ataladi.

(1), (2) shegaraliq másele ushin tómendegi úsh múmkinshiliktiń birewi orinli boliwi múmkin: shegaraliq másele birden-bir sheshimge iye, sheshimlerdiń sheksiz kópligine iye, uliwma sheshimge iye emes.

(1), (2) shegaraliq máseleni sheshiw ushin dáslep (1) differencialliq teńlemeniń uliwma sheshimin tabamiz. Keyin tabilǵan uliwma sheshimdi berilgen (2) shegaraliq shártlerge qoyip, uliwma sheshimdegi C1, C2 erikli turaqlilarina qarata algebraliq teńlemeler sistemasina iye bolamiz. Eger bul sistema bir mánisli sheshiletuǵin bolsa, oni sheship, C1, C2 erikli turaqlilardiń tabilǵan mánislerin uliwma sheshimge qoyip, berilgen shegaraliq máseleniń sheshimine iye bolamiz.

Misal. Mina

x x 0

(3)

differencialliq teńleme ushin shegaraliq shártleri

1 C1 sin 0

x(0) 0 ,

x(1) 1,

(4)

x(0) 0 ,

x( ) 1,

(5)

x(0) 0 ,

x( ) 0 ,

(6)

bolǵan úsh shegaraliq máseleni qaraymiz.

 

 

Berilgen (3) tenlemeniń uliwma sheshimi

 

x(t) c1 cos t c2 sin t

(7)

boladi. (3), (4) shegaraliq másele birden-bir sheshimge iye, sebebi (7) formuladan (4) shártlerge muwapiq,

C

1

 

,

C

 

0

 

2

1

sin1

 

 

 

 

 

 

 

 

mánislerin alamiz. Bul mánislerdi (7) formulagáa qoysaq, onda x(t) sin1 1 cos t sheshimge iye bolamiz.

(3), (5) shegaraliqmásele sheshimge iye emes, sebebi (7) formuladan (5) shártlerge muwapiq,

kelip shiǵadi, al bul múmkin emes.

(3), (6) shegaraniń másele sheksiz kóp sheshimlerge iye: x C1 cos t , bunda C1 - qálegen

turaqli.

Shegaraliq máseleni Grin funkciyasi járdeminde sheshiw. Mina

a(t)x b(t)x b(t)x f (t)

(8)

teńleme ushin

x(t

) x(t

) A,

 

2

 

2

0

0

1

0

 

 

0

 

1

(9)

o x(t1) 1x(t1) B

 

 

 

 

02

12 0

shegaraliq shártlerdi qanaatlantiratuǵin shegaraliq máseleni qarayiq.

Bul (8), (9) shegaraliq másele birden-bir sheshimge iye dep uyǵarayiq.

Meyli x x1 (t)

funkciyasi

 

 

 

 

 

 

 

a(t)x b(t)x c(t)x 0

 

(10)

teńlemeniń

(9)

shegaraliq

shártlerdiń

birinshisin

qanaatlandiratuǵin,

yaǵniy

0 x1 (t0 ) 1 x1 (t0 ) 0

bolatuǵin

trivialliq emes

sheshimi, al

x x2 (t) funkciyasi

usi (10)

x2 (t)
(11)
x Cx1 (t)
x1 (t)

teńlemeniń ekinshi shegaraliq shártti qanaatlandiratuǵin, yaǵniy 0 x2 (t1 ) 1 x2 (t1 ) 0 bolatuǵin trivialliq emes sheshimi bolsin.

Sonda ekinshi shegaraliq shártti qanaatlandirmaydi, sebebi keri jaǵdayda qálegen C turaqlida funkciyasi (9), (10) shegaraliq máseleniń sheshimleri bolar edi hám biziń

(8), (9) shegaraliq máselemiz sheksiz kóp sheshimlerge iye bolar edi. Dál usinday etip, sheshimniń birinshi shegaraliq shártti qanaatlandirmaytuǵini dálillendi. Solay etip,

0 x1 (t1 ) 1 x1 (t1 ) 0

0 x2 (t0 ) 1 x2 (t0 ) 0

 

Bul dúzilgen x x1 (t) ,

x x2 (t) sheshimler siziqli ǵárezsiz, sebebi keri jaǵdayda olar

proporcional bolar edi hám birdey shegaraliq shártlerdi qanaatlandirar edi, al bul múmkin emes.

(8), (9) shegaraliq máseleniń Grin funkciyasi dep, t a,b , s a,b bolǵanda aniqlanǵan hám hár bir fiksirlengen s a,b ushin tómendegi shártlerdi qanaatlandiratuǵin G(t, s) funkciyasina aytiladi:

1)t s bolǵanda G(t, s) funkciyasi (10) teńlemeni qanaatlandiradi;

2)t t1 hám t t2 bolǵanda G(t, s) funkciyasi (9) shegaraliq shártlerdi qanaatlandiradi;

3) t s bolǵanda G(t, s) funkciyasi t boyinsha úzliksiz, al oniń tuwindisi t

boyinsha sekiriwi

1

ǵa teń bolǵan birinshi tekli úziliske iye:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G(s 0, s) G(s 0, s),

 

 

 

 

 

Gt (s 0, s) Gt (s 0, s)

1

 

(12)

 

 

 

 

 

 

 

a(s)

 

 

 

 

 

Bul (8), (9) shegaraliq máseleniń Grin funkciyasin dúziw ushin (10) teńlemeniń nólden ózgeshe bolǵan eki x1 (t) hám x2 (t) sheshimlerin tabamiz, olardiń birinshisin, al ekinshisin usi shártlerdiń ekinshisin qanaatlandiratuǵin bolsin.

Eger

x1 (t) bir waqitta (9) shegaraliq shártlerdiń ekewin qanaatlandirmasa onda G(t, s) grin

funkciyasi bar boladi hám oni tómendegi túrde izlewge boladi:

 

 

 

(s)x1 (t),

t 0 t s,

(13)

 

 

G(t, s)

 

 

 

s t t

 

 

(s)x

2

(t),

 

 

 

 

 

 

1

 

bunda

(s) hám

(s) funkciyalari

(13) funkciyasi (12) shártleri qanaatlantiratuǵinday etip,

yaǵniy

 

 

 

 

 

 

 

(s)x2 (s) (s)x1 (s),

 

 

 

 

 

 

 

'

'

 

1

(s)x2

(s) (s)x1

(s)

 

 

 

 

 

 

a(s)

 

 

 

 

bolatuǵinday etip saylap alinadi. Eger G(t, s) Grin funkciyasi tabilsa, onda (8), (9) shegaraliq máselesiniń sheshimi

t1

x(t) G(t, s) f (s)ds

t0

formulasi menen ańlatiladi.

Birinshi tártipten joqari tártipli ózgermeli koefficientli siziqli differencialliq teńlemeniń sheshimleri bárhá elementar funkciyalarda ańlatila bermeydi hám bunday teńlemeni integrallaw kvadratularǵa da siyrek alip kelinedi.

Bunday teńlemelerdi integrallawdiń eń kóp tarqalǵan usili izlengen sheshimdi dárejeli qatar túrinde kórsetiw bolip tabiladi.

Ekinshi tártipli teńleme bolǵan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y'' p(x) y' q(x) y 0

 

 

 

 

 

 

 

(1)

teńlemesin qarayiq.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Meyli (1) teńlemeniń p(x)

 

hám

q(x) koefficientleri

 

x x0

 

a

intervalda analitikaliq

 

 

 

funkciyalar bolsin, yaǵniy

 

 

x x0

 

a

bolǵanda jiynaqli bolǵan dárejeli qatarlarǵa jayilatuǵin

 

 

 

bolsin:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p(x) pk (x xo )k ,

q(x) qk (x xo )k ,

(2)

 

 

 

 

k 0

 

 

 

 

k 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Teorema. Eger p(x)

hám q(x) funkciyalari

 

x x0

 

a

 

bolǵanda analitikaliq funkciyalar

 

 

 

bolsa, onda (1) teńlemesiniń hár qanday y y(x) sheshimi

 

 

x x0

 

a

bolǵanda analitikaliq

 

 

 

funkciya boladi, yaǵniy

 

x x0

 

a

bolǵanda

jiynaqli bolatuǵin

 

dárejeli qatarǵa jayiladi:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) ck (x xo )k ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 0

Bul teorema (1) teńlemeni integrallawǵa yaǵniy oniń sheshimin dárejeli qatar kórinisinde dúziwge múmkinshilik beredi. Bunday dúziwdiń algoritmi tómendegiden ibarat. A’piwayiliq ushin x0 0 dep esaplaymiz. (1) teńlemeniń sheshimin x tiń dárejeleri boyinsha jayilǵan aniq emes koefficientli qatar túrinde izleymiz:

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) ck xk ,

(3)

 

 

 

 

k 0

 

bunda ck ,

k 0,1,2,... - aniq emes koefficientler. (3) qatardi (1) teńlemege qoyip,

 

 

 

 

 

 

 

k(k 1)ck xk 2 pk xk kck xk 1

qk xk ck xk 0

 

k 2

k 0

k 1

k 0

k 0

 

teńligin alamiz.

Bul teńlikti x0 , x1 , x2 , x3 ,... dárejeleri aldindaǵi koefficientlerdi nolge teńlestirip, belgisiz c0 ,c1 ,c2 ... koefficientlerin aniqlaw ushin rekurrentlik teńlemeler sistemasin alamiz:

q0c0 p0c1 1 2c2 0

q1c0 (q0 p1 )c1 2 p0c2 2 3c3 0

................................................

 

 

 

 

 

k

(4)

 

 

 

 

 

qk i ci (i 1) pk i ci 1 (k 1)(k 2)ck 2 0

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

..................................................................

bundaǵi c0

hám c1

koefficientlerin erkin aliwǵa boladi. c0 hám

c1 di belgilep, (1) teńlemeniń

y(0) c ,

y' (0) c ,

baslanǵish shártlerin qanaatlandiratuǵin

sheshimin izleymiz. Birinshi

0

 

 

1

 

 

 

 

teńlemeden c2 , ekinshi teńlemeden c3 ti tabamiz hám t.b.

 

Eger (1) teńlemede

p(x) hám q(x) funkciyalari racional funkciyalar bolsa, yaǵniy

p(x)

p1 (x)

q(x)

q1 (x)

 

 

,

 

,

 

p0 (x)

q0 (x)

 

bolip, p0 (x), p1 (x),q0 (x),q1 (x) - kopaǵzalilar bolsa, onda p0 (x) =0 yamasa q0 (x) 0 bolatuǵin tochkalar (1) teńlemeniń ayriqsha tochkalari dep ataladi.

Ekinshi tártipli

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 y'' xp(x) y' q(x) y 0

(5)

teńlemesi ushin p(x) hám

q(x)

funkciyalari

 

x

 

a araliqta analitikaliq funkciyalar bolǵanda

 

 

x 0 tochkasi

ayriqsha

tochka

boladi, eger

 

p(x) hám q(x) funkciyalarin

dárejeli qatarǵa

jayǵandaǵi p0

yamasa

q0

koefficientleriniń

 

birewi nolden ózgeshe bolsa.

Bul regulyarliq

ayriqsha tochka (yamasa birinshi tekli ayriqsha tocka) dep atalatuǵin eń ápiwayi ayriqsha tochkaniń misali boladi.

x x0 ayriqsha tochkaniń dógereginde dárejeli qatar kórinisindegi sheshim bar bolmawi múmkin. Bul jaǵdayda sheshimdi uliwmalasqan dárejeli qatar túrinde izlew kerek: