Построение периодических решений дифференциальных уравнений

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 04 Июня 2015 в 16:47, курсовая работа

Описание работы

Цель данной курсовой работы — построение периодических решений дифференциальных уравнений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
рассмотреть некоторые исторические и теоретические сведения о дифференциальных уравнениях;
рассмотреть построение периодических решений дифференциальных уравнений;
научиться определять периодические решения дифференциальных уравнений.

Файлы: 1 файл

Содержание курсовой.doc

— 1.06 Мб (Скачать файл)

Подклассом линейных уравнений являются  однородные дифференциальные уравнения — уравнения, которые не содержат свободного члена: r(x) = 0. Для однородных дифференциальных уравнений выполняется принцип суперпозиции: линейная комбинация частных решений такого уравнения также будет его решением. Все остальные линейные дифференциальные уравнения называются неоднородными дифференциальными уравнениями [1].

Нелинейные дифференциальные уравнения в общем случае не имеют разработанных методов решения, кроме некоторых частных классов. В некоторых случаях (с применением тех или иных приближений) они могут быть сведены к линейным. Например, линейное уравнение гармонического осциллятора   может рассматриваться как приближение нелинейного уравнения математического маятника   для случая малых амплитуд, когда y ≈ sin y [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  Построение периодических  решений дифференциальных уравнений

 

Периодическое решение некоторого дифференциального уравнения целесообразно искать в виде суммы некоторого ряда Фурье (формула 3.1):

                                    (3.1)

Заметим, что если уравнение (формула 3.2):

                                                                  (3.2)

имеет периодическое решение x0(t) периода Т, то правая часть уравнения (формула 3.2) вдоль рассматриваемой интегральной кривой является периодической функцией периода Т по первому аргументу. Действительно, подставляя в уравнение (формула 3.2) периодическое решение х = х0 (t), получаем тождество (формула 3.3) [4,c. 143]:

                                          (3.3)                                                        

Заменяя в этом тождестве t на (t + Т), мы в силу периодичности функции х0 (t) и ее производных не изменим левой части уравнения и не изменим аргументов правой части, начиная со второго, следовательно (формула 3.4):

        (3.4)                                  

Т. е. функция F вдоль интегральной кривой x = x0(t) имеет период Т по явно входящему аргументу t.

Следовательно, если правая часть уравнения (формула 3.2) при любом выборе x0(t) не является периодической функцией по первому аргументу, то не существует и периодических решений. Если функция F не зависит явно от t, т. е. является постоянной по отношению к аргументу t, то F можно рассматривать как периодическую по t функцию любого периода и поэтому не исключена возможность существования периодических решений какого угодно периода.

Пусть, например, требуется найти периодические решения уравнения (формула 3.5):

                                                                                (3.5)

Для существования периодического решения необходимо предположить, что f является периодической функцией. Без существенного ограничения общности можно считать, что f(t) — периодическая функция периода , так как если бы функция f(t) имела период Т, то после преобразования независимого переменного t правая часть стала бы функцией периода по новому независимому переменному .

Предположим, что функция f(t), кроме того, непрерывна и разложима в ряд Фурье (формула 3.6):

                                             (3.6)         

Периодическое решение ищем в виде (формула 3.7):       

                                            (3.7)

Дифференцируя ряд (формула 3.7) почленно два раза и подставляя в уравнение (3.5), получим (формула 3.8):

-

                                                       (3.8)     

Откуда, если а не равно целому числу, определяем коэффициенты ряда (формула 3.9):

                                               (3.9)

 Следовательно, уравнению (формула 3.5) формально удовлетворяет ряд (формула 3.10):

                                                                   (3.10)

Очевидно, что ряд (формула 3.10) сходится и допускает двукратное почленное дифференцирование, так как ряд (формула 3.6), в силу непрерывности функций f(t), сходится равномерно, а коэффициенты ряда (формула 3.11):

-                                                                       (3.11)

составленного из вторых производных от членов ряда (формула 3.10), отличаются от коэффициентов и ряда (формула 3.6) лишь не зависящим от t, монотонно стремящимся к 1 при множителем .  Следовательно, ряд (формула 3.11) сходится равномерно, а значит, ряд (формула 3.10) можно было дифференцировать почленно два раза. Итак, ряд (формула 3.10) не только формально удовлетворяет уравнению (формула 3.5), но его сумма x(t) существует и является периодическим решением уравнения (формула 3.5) [4,c.145].

Если а мало отличается от целого числа n и , то наступает явление резонанса, заключающееся в резком возрастании при приближении а к n хотя бы одного из коэффициентов  .     

Если же a = n и хотя бы один из коэффициентов не равен нулю, то периодических решений не существует, так как резонирующим слагаемым      в правой части уравнения (формула 3.5) согласно принципу суперпозиции соответствует в общем решении уравнения (формула 3.5) непериодическое слагаемое вида   тогда как остальные слагаемые в общем решении уравнения будут периодическими функциями. Следовательно, при a = n периодическое решение уравнения (формула 3.5) существует лишь в случае отсутствия в правой части резонирующих членов т. е. в случае (формула 3.12):

            (3.12)  

В последнем случае, т. е. при a = n, , периодическое решение уравнения (формула 3.5) существует, причем при    коэффициенты определяются по формулам (формула 3.9), а коэффициенты и остаются произвольными, так как является при произвольных и решением соответствующего однородного уравнения [4,c.146].    

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Примеры определения периодических  решений дифференциальных уравнений

Пример 1:

Определить периодическое решение уравнения .

Решение:

Ищем решение в виде ряда .

Имеем a=4=22, a0=0, ak=0, bk= .

Функция f(t)= не содержит члена ), значит, уравнение имеет периодические решения, притом бесконечное множество. По формуле 3.9 находим коэффициенты:

А0=Аk=0,   B1=0,   Bk= .

Все периодические решения задаются формулой 4.1:

,                                      (4.1)

где — произвольные постоянные.

 

Пример 2:

Определить периодическое решение уравнения .

Решение:

Имеем a=1.

Проверим выполнимость условий по формуле 3.12:

    

Условия существования периодического решения не выполняются. Следовательно, данное уравнение периодических решений не имеет. В самом деле, общее решение уравнения    есть (формула 4.2):

                                                     (4.2)

которое, очевидно, не является периодическим из-за наличия слагаемого

Пример 3: 

Найти периодическое решение уравнения  . 
        Решение:

Функция f(t)  — периодическая с периодом  . Разлагаем ее в ряд Фурье в интервале ( :

 

Решение данного уравнения ищем в виде (формула 4.3):

                                         (4.3)

Имеем a=-1, a0= , a2k-1=0, a2k= ,   bk= .

По формуле 3.9 находим коэффициенты:

А0= ,       А2k-1= ,      А2k= ,      Bk= .

Следовательно, уравнение имеет периодическое решение вида (формула 4.4):

                                                                     (4.4)

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе выполнения курсовой работы была достигнута поставленная цель: построение периодических решений дифференциальных уравнений.  Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

  • рассмотрены некоторые исторические и теоретические сведения о дифференциальных уравнениях;
  • рассмотрено построение периодических решений дифференциальных уравнений;
  • рассмотрены примеры определения периодических решений дифференциальных уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных литературных источников:

 

  1. Сайт Википедия. Дифференциальное уравнение: [электронный ресурс], URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Дифференциальное_ уравнение.
  2. Сайт Дифференциальные уравнения, основные определения: [электронный ресурс], URL: http://1cov-edu.ru/differentsialnie_uravneniya/.
  3. Сайт Периодическое решение: [электронный ресурс], URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/eng_rus/ 215660/периодическое.
  4. Л.Э. Эльсгольц. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление;- М.: НАУКА - Главная редакция физико-математической литературы, 1969. - 424с.

 

 

 

 


Информация о работе Построение периодических решений дифференциальных уравнений