Элементы комплексного анализа. Филиппенко В.И. - 29 стр.

UptoLike

Составители: 

29
равенство (2) можно представить так:
()
(
)
(
)
{
}
()
()
()
(){}
(){}() ()
....
...
...
01
2
00
3
0
21
1
1
00
3
0
2
0
1
0
pFpxaxpxpa
xxpxppxpa
xxpxpxppxра
nn
n
nnn
n
nnnn
=++
+++
++
+++
+
+
(3)
Уравнение (3) называют вспомогательным уравнением, или
изображающим уравнением. В этом уравнении неизвестным является
изображение
(
)
рх
, которое из него и определяется. Преобразуем его оставив
в левой части члены, содержащие
(
)
рх
:
()
(
)
()
()
()
()
() ()
.......
...
...
01002
2
00
3
0
2
1
1
00
2
0
1
0
1
1
10
pFxaxpxaxxpxpa
xxpxpa
apapaрарх
nn
n
nn
n
nn
nn
nn
++
+++++
++
+++
+=
++++
(4)
Коэффициент при
(
)
рх
в левой части равенства (4) есть многочлен n-й
степени от р, который получается, если в левую часть уравнения (1) вместо
производных подставить соответствующие степени р. Обозначим его через
()
рL
:
(
)
nn
nn
apapapарL ++++=
1
1
10
...
.
L(p) – характеристический многочлен. Если правую часть равенства (4)
обозначить через М(р), то изображение искомого решения примет вид
)(
)(
)(
pL
pM
px =
. После этого по изображению находим искомое решение
задачи Коши.
Ситуация значительно упрощается, если f(t)=1, а все начальные условия
нулевые. В этом случае
()
()
.
1
1
ppL
px =
С помощью таблицы оригиналов и
изображений можно найти решение
(
)
.
1
tx
Возьмем теперь уравнение с любой
правой частью f(t) при тех же нулевых начальных условиях. Его
операторное уравнение примет вид X(p)L(p)=F(p), где F(p) – изображение
функции f(t). Поскольку
()
()
pxp
pL
1
1
=
, то
(
)
(
)()
pFpxppx
1
. Согласно
формуле интеграла Дюамеля
() ( ) ( )
=
t
dtfxtx
0
1
τττ
.
Пример 1. Найти решение уравнения
1=+ x
d
t
dx
, удовлетворяющее
начальным условиям х=0 при
0=t
.
Решение. Составим вспомогательное уравнение
()( )
p
ppx
1
1 =+
или
                                                                  29

равенство            (2)           можно                  представить                                                    так:
  { n           n −1
                    (
а0 р x ( p ) − p x0 + p x0′ + p x0′′ + ... + x0
                        n−2    n −3             ( n −1)
                                                        +                               )}
       {                    (
+ a1 p (n−1) x ( p ) − p n−2 x0 + p n−3 x0′ + ... + x0
                                                                         (n−2 )
                                                                                  )}+                              (3)
... + an−1 {px ( p ) − x0 } + an x ( p ) = F ( p ).
     Уравнение (3) называют вспомогательным уравнением, или
изображающим уравнением. В этом уравнении неизвестным является
изображение х ( р ) , которое из него и определяется. Преобразуем его оставив
в левой части члены, содержащие                                х ( р ):
х ( р )(а0 р n + a1 p n−1 + ... + an−1 p + a n )
    (
= a0 p n−1 x0 + p n−2 x0′ + ... + x0
                                                  ( n −1)
                                                           )+                                                         (4)
+ a (p                                                     )+ ... + a         ( px0 + x0′ ) + an−1 x0 + F ( p ).
                                                  (n−2   )
   1
           n−2
                 x0 + p   n −3
                                 x0′ + ... + x0                         n−2

Коэффициент при х ( р ) в левой части равенства (4) есть многочлен n-й
степени от р, который получается, если в левую часть уравнения (1) вместо
производных подставить соответствующие степени р. Обозначим его через
L( р ) :
                      L( р ) = а0 p n + a1 p n−1 + ... + an−1 p + an .
L(p) – характеристический многочлен. Если правую часть равенства (4)
обозначить через М(р), то изображение искомого решения примет вид
          M ( p)
 x ( p) =        . После этого по изображению находим искомое решение
          L( p )
задачи Коши.
     Ситуация значительно упрощается, если f(t)=1, а все начальные условия
                                        1
нулевые. В этом случае x1 ( p ) =             . С помощью таблицы оригиналов и
                                      pL( p )
изображений можно найти решение x1 (t ). Возьмем теперь уравнение с любой
правой частью        f(t) при тех же нулевых начальных условиях. Его
операторное уравнение примет вид X(p)L(p)=F(p), где F(p) – изображение
                                           1
функции f(t). Поскольку L ( p ) =                 , то x( p ) = px1 ( p )F ( p ) . Согласно
                                        px1 ( p )
                                                                  t

формуле интеграла Дюамеля x(t ) = ∫ x1′ (τ ) f (t − τ )dτ                                    .
                                                                 0
                                                                              dx
   Пример 1. Найти решение уравнения                                             + x = 1 , удовлетворяющее
                                                                              dt
начальным условиям х=0 при t = 0 .
                                                                                                              1
   Решение. Составим вспомогательное уравнение x ( p )( p + 1) =                                                или
                                                                                                              p