Zagadnienia

6. Dodatek. Podstawowe pojęcia i twierdzenia teorii RRZ

6.1. Definicje

Pod równaniem różniczkowym zwyczajnym rozumiemy równanie postaci

d⁢xd⁢t=x˙=v⁢t,x, (6.1)

gdzie t∈I⊂R jest czasem rzeczywistym (I to otwarty odcinek), x należy do przestrzeni fazowej (rozmaitości) M a v jest zależnym od czasu polem wektorowym na M, v:I×M⟼T⁢M spełnia v⁢t,x∈Tx⁢M. Często M=U jest podzbiorem otwartym przestrzeni euklidesowej Rn; wtedy v:I×U⟼Rn i mówimy o układzie równań różniczkowych zwyczajnych. Jeśli v nie zależy od czasu, v=v⁢x, to równanie (6.1) jest równaniem autonomicznym (a v jest autonomicznym polem wektorowym), w przeciwnym przypadku mamy do czynienia z nieautonomicznym równaniem. Przestrzeń I×M nazywa się rozszerzoną przestrzenią fazową.

Rozwiązaniem równania (6.1) nazywamy dowolną różniczkowalną krzywą φ:J⟼M, J⊂I, która spełnia równanie

d⁢φd⁢t⁢t≡v⁢t;φ⁢t.

Zagadnieniem początkowym nazywamy następujące dwa warunki

x˙=v⁢t,x,   ⁢x⁢t0=x0, (6.2)

z których drugi nazywa się warunkiem początkowym. Rozwiązaniem zagadnienia początkowego (6.2) nazywamy rozwiązanie

φ⁢t=φ⁢t;x0,t0

równania (6.1), które ma własność φ⁢t0=x0.

Jeśli φ⁢t jest rozwiązaniem układu (6.1), to krzywą t,φ⁢t:t∈J⊂I×M (tj. wykres rozwiązania) nazywamy krzywą całkową; jeśli, dodatkowo, układ (6.1) jest autonomiczny, to krzywą φ⁢t:t∈J (tj. obraz rozwiązania) nazywamy krzywą fazową.

Uwaga 6.1. Wprowadzając nowy czas τ możemy przepisać nieautonomiczne równanie (6.1) w postaci następującego układu autonomicznego

d⁢td⁢τ=1,  ⁢d⁢xd⁢τ=v⁢t,x (6.3)

w rozszerzonej przestrzeni fazowej. Wtedy krzywe całkowe dla równania (6.1) okażą się krzywymi fazowymi dla układu (6.3).

Równanie różniczkowe rzędun, czyli

dn⁢xd⁢xn=xn=f⁢t,x,x1,…,xn-1,  ⁢t∈I, ⁢x∈R, (6.4)

zastępuje się układem równań pierwszego rzędu

y˙1=y2, ⁢y˙2=y3,…, ⁢y˙n-1=yn, ⁢y˙n=f⁢t,y1,…,yn (6.5)

przy pomocy podstawienia x=y1, x1=y2,…, xn-1=yn. Naturalnym warunkiem początkowym dla równania (6.4) jest

x⁢t0=x0, ⁢x1⁢t0=x1,…, ⁢xn-1⁢t0=xn-1. (6.6)

Zauważmy, że stosując trick z Uwagi 6.1 możemy zastąpić (na ogól) nieautonomiczny układ (6.5) odpowiednim układem autonomicznym w Rn+1.

Uwaga 6.2. W książkach o równaniach różniczkowych rozważane są także równania uwikłane względem pochodnej, typu

F⁢t,x,x˙=0,   ⁢t∈R,  ⁢x∈R. (6.7)

Okazuje się, że, jeśli równanie F⁢t,x,p=0 da się rozwikłać w otoczeniu pewnego punktu t0,x0,p0 w postaci x=g⁢t,p, to równanie (6.7) można przepisać w postaci układu autonomicznego

d⁢td⁢τ=gp′⁢t,p,  ⁢d⁢pd⁢τ=p-gt′⁢t,p,

gdzie τ jest nowym `czasem'. Rzeczywiście, mamy d⁢xd⁢τ=d⁢xd⁢t⁢d⁢td⁢τ=p⁢d⁢td⁢τ. Zatem, różniczkując tożsamość x⁢τ=g⁢t⁢τ,p⁢τ, dostajemy warunek p⁢d⁢td⁢τ≡gt′⁢d⁢td⁢τ+gp′⁢d⁢pd⁢τ. Jest on spełniony dla powyższego pola wektorowego.

Podobny układ można napisać, gdy równanie F=0 rozwikłuje się względem t, a także gdy x∈Rn i F∈Rn. W tym skrypcie równania typu (6.7) nie są badane, ale przytoczyliśmy je, aby zademonstrować pewną uniwersalną własność autonomicznych równań różniczkowych.

Z autonomicznym równaniem

x˙=v⁢x (6.8)

wiąże się pojęcie potoku fazowego. Zauważmy, że rozwiązania φ⁢t;x0,0 równania (6.8) z warunkiem początkowym x⁢0=x0 zadają rodzinę odwzorowań

gt:Dt⟼M,  ⁢x0⟼φ⁢t;x0,0,

gdzie Dt jest dziedziną odwzorowania gt. Ta rodzina powinna spełniać dwie naturalne własności

g0=i⁢d, (6.9)
gt∘gs=gt+s. (6.10)

Własność (6.9) to definicja warunku początkowego. Własność (6.10), która powinna być spełniona dla x0∈Ds∩gs-1⁢Dt, oznacza, że jeśli wystartujemy w momencie czasu 0 z punktu x0 i dojedziemy (wzdłuż rozwiązania) do punktu y0=gs⁢x0 a następnie wyzerowujemy stoper i jedziemy z y0 po czasie t, to dojedziemy do tego samego punktu, jak byśmy jechali po czasie s t+s z x0 bez zerownia stopera. Oczywiście, tutaj istotne jest, że v⁢s,y0=v⁢0,y0=v⁢y0 (autonomiczność).

Rodzina gtt∈I, gt:Dt⟼M, spełniająca warunki (6.9)–(6.10) nazywa się lokalnym potokiem fazowym. Rodzina

gt:M⟼M,  ⁢t∈R,

(globalnych) dyfeomorfizmów przestrzeni fazowej M, spełniająca własności (6.9)–(6.10) nazywa się potokiem fazowym na M. Inaczej mówiąc, odwzorowanie t⟼gt jest homomorfizmen z grupy R do grupy D⁢i⁢f⁢f⁢M dyfeomorfizmów rozmaitości M.

Przykład 6.3. Równanie

x˙=x2+1

definiuje globalne pole wektorowe na przestrzeni rzutowej R⁢P1=R∪∞ (gdzie współrzędna y=1/x w otoczniu x=∞ spełnia równanie y˙=-1-y2). Tutal lokalny potok fazowy okazuje sie być potokiem fazowym na R⁢P1 złożonym z przekształceń Möbiusa

gt⁢x0=x0⁢cos⁡t+sin⁡tcos⁡t-x0⁢sin⁡t.

Uwaga 6.4. W przypadku nieautonomicznego pola wektorowego mamy do czynienia z 2-parametrową rodziną przekształceń

gst:M⟼M

(ściślej, z jej lokalną wersją) definiowaną tak, że gst⁢x0=φ⁢t;x0;s, czyli wartość w chwili t rozwiązania startującego z x0 w chwili s. Zachodzą oczywiste tożsamości

gtt=i⁢d,   ⁢gst∘gus=gut.

6.2. Twierdzenia

Poniżej czytelnik znajdzie szereg twierdzeń, które są podstawowe w teorii równań różniczkowych zwyczajnych i które są podane bez dowodów. Po więcej szczegółów odsyłam do [3], [15].

Twierdzenie 6.5 (O istnieniu i jednoznaczności lokalnych rozwiązań). Załóżmy, że pole v⁢t,x jest klasy C1 na zbiorze otwartym I×U⊂R×Rn. Niech t0,x∗∈I×U.

Wtedy istnieje odcinek I0⊂I, zawierający moment początkowy t0, oraz otoczenie U0⊂U punktu x∗ takie, że dla dowolnego x0∈U0 zagadnienie początkowe x˙=v⁢t;x, x⁢t0=x0 posiada dokładnie jedno rozwiązanie φ⁢t;x0. 

Ponadto odwzorowanie

t,x0⟼φ⁢t;x0 (6.11)

jest ciągłe, a w przypadku, gdy pole v⁢t,x jest analityczne, to to odwzorowanie też jest analityczne.

Przypomnimy, że podstawowa idea dowodu tego twierdzenia polega na zastąpieniu zagadnienia początkowego (6.2) równaniem całkowym

φ⁢t;x0=x0+∫t0tv⁢t,φ⁢s;x0⁢d⁢s. (6.12)

To równanie jest traktowane jako równanie punktu stałego φ=T⁢φ dla operatora T definiowanego po prawej stronie równania (6.12) działającego w odpowiedniej przestrzeni Banacha odwzorowań φ⁢t,x0. Na ogół jest to przestrzeń Banacha funkcji ciągłych na I0×U0 z normą supremum, przy tym warunek zwężania dla operatora T wynika z warunku Lipschitza względem x dla pola v⁢t,x. W przypadku analitycznym jako przestrzeń Banacha wybiera się przestrzeń funkcji holomorficznych w pewnym obszarze w C×Cn z normą supremum (Zadanie 6.25)

Przykład 6.6. Równanie

x˙=32⁢x3

posiada dwa rozwiązania z tym samym warunkiem początkowym x⁢0=0: φ1⁢t=0 dla t<0 i φ1⁢t=t3/2 dla t≥0 oraz φ2⁢t≡0. Ten standardowy przykład pokazuje, jak ważny jest warunk Lipschitza; tutaj on nie zachodzi w x=0.

Twierdzenie 6.7 (O zależności od warunku początkowego). Jeśli w Twierdzeniu 6.5 założymy, że v jest klasy C2, to odwzorowanie (6.11) będzie klasy C1. Ogólniej, jeśli v jest klasy Cr, 1≤r≤∞, to φ jest klasy Cr-1.

Twierdzenie 6.8 (O zależności od parametrów). 19W niektórych źródłach (np. [13], [12]) dowodzi się klasy Cr zależności rozwiązań od parametrów. Dla naszych celów klasa Cr-1 jest wystarczająca, zwłaszcza, jeśli uwzględni się prostotę poniższego szkicu dowodu tego twierdzenia. Jeśli pole v zależy dodatkowo od parametru λ∈V⊂Rk i v⁢t,x;λ jest klasy Cr, r≥2, to rozwiązanie φ⁢t;x0;λ jest klasy Cr-1.

W dowodach ostatnich dwóch twierdzeń wykorzystuje się ważnie pojęcie równania w wariacjach. Równaniem w wariacjach względem warunku początkowego nazywamy równanie

y˙=A⁢t⁢y,   ⁢A⁢t=∂⁡v∂⁡x⁢t,φ0⁢t. (6.13)

Tutaj φ0⁢t, φ0⁢t0=x0, jest zadanym rozwiązaniem, a równanie (6.13) otrzymuje się przez podstawienie zaburzenia x=φ0⁢t+ε⁢y⁢t+O⁢ε2 (z małym ε) do zagadnienia początkowego (6.2) z warunkiem początkowym x⁢t0=x0+ε⁢y0 i przyrównania wyrazów rzędu ε. Pochodną czastkową ∂φ/∂(x0)j rozwiązania względem warunku początkowego otrzymuje się jako rozwiązanie układu (6.13) z warunkiem początkowym y0=ej (gdzie ej to standardowa baza w Rn).

Równaniem w wariacjach względem parametru nazywamy równanie

y˙=A⁢t⁢y+b⁢t,   ⁢b⁢t=∂⁡v∂⁡λ⁢t,φ0⁢t;λ0. (6.14)

Tutaj φ0⁢t jest wyróżnionym rozwiązaniem zagadnienia początkowego x˙=v⁢t,x,λ0, x⁢t0=x0, tzn. dla ustalonego parametru λ=λ0, i macierz A⁢t jest taka sama jak w (6.13). To równanie otrzymuje się przez podstawienie x=φ0⁢t+ε⁢y⁢t+O⁢ε2 do zagadnienia początkowego x˙=v⁢t,x;λ0+ϵ⁢ν0, x⁢t0=x0, i porównanie wyrazów liniowych względem małego ε.

W dowodach Twierdzeń 6.7 i 6.8 problem sprowadza się do układu x˙=v⁢t,x,  y˙=∂⁡v∂⁡x⁢t,x⁢y lub do układu x˙=v⁢t,x;λ,  y˙=∂⁡v∂⁡x⁢t,x;λ⁢y+∂⁡v∂⁡λ⁢t,x;λ i stosuje Twierdzenie 6.5 (Zadania 6.26 i 6.27).

Z powyższych twierdzeń wynikają ważne wnioski o jakościowym zachowaniu się rozwiązań równania (6.1).

Twierdzenie 6.9 (O prostowaniu dla układu nieautonomicznego) . Jeśli v⁢t,x jest klasy Cr, r≥2, i t0,x∗∈I×U⊂R×Rn, to istnieje lokalny dyfeomeorfizm

f:t,x⟼t,y,

z otoczenia punktu t0,x∗, który przeprowadza układ (6.1) w układ

y˙=0.

W dowodzie dyfeomeorfizm f jest definiowany tak, że jeśli punkt x=φ⁢t;x0,t0, tj. jest wartością rozwiązania po czasie t i z warunkiem początkowym x⁢t0=x0, to kładziemy y=x0 (Zadanie 6.28).

Twierdzenie 6.10 (O prostowaniu dla układu autonomicznego) . Jeśli autonomiczne pole wektorowe v⁢x jest klasy Cr, r≥2, na U i punkt x∗∈U jest taki, że

v⁢x∗≠0, (6.15)

to istnieje lokalny dyfeomorfizm f:x⟼y z otoczenia punktu x∗, który przeprowadza układ x˙=v⁢x w układ

y˙1=1, ⁢y˙2=0,…, ⁢y˙n=0.

Jak można się domyślić, zmienna y1 to czas t wdłuż rozwiązań φ⁢t;x0, które startują przy t=0 z pewnej hiperpłaszczyzny H prostopadłej do wektora v⁢x∗. Pozostałe zmienne yj pochodzą od jakiegoś układu współrzędnych na hiperpłaszczyźnie H i są stałe wzdłuż rozwiązań (Zadanie 6.29).

Uwaga 6.11. Powyższe twierdzenie można nazwać pierwszym twierdzeniem jakościowej teorii równań różniczkowych zwyczajnych.20W angojęzycznej literaturze występuje ono pod nazwą `Flow Box Theorem'. Mówi ono, że lokalnie każde pole wektorowe spełniające warunek (6.15) jest takie samo z matematycznego punktu widzenia. Istotne różnice pojawiają się przy badaniu zachowania globalnych rozwiązań. Warunek (6.15) implikuje pewną prostotę pola wektorowego. W pierwszym rozdziale niniejszego skryptu badamy sytuację gdy ten warunek jest naruszony.

Twierdzenie 6.12 (O lokalnym potoku fazowym). Dla autonomicznego pola wektorowego v⁢x klasy Cr, r≥2, istnieje lokalny potok fazowy gt, x0⟼gt⁢x0 (spełniający warunki (6.9)–(6.10)) zadany przez rozwiązania φ⁢t;x0 zagadnień początkowych x˙=v⁢x, x⁢0=x0.

Oczywiście to twierdzenie jest natychmiastową konsekwencją twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności lokalnych rozwiązań dla układu (6.1) z autonomicznym polem v⁢x.

Twierdzenie 6.13 (O przedłużniu rozwiązań). Niech pole v⁢t,x będzie klasy Cr, r≥1, w zbiorze otwarym I×U i niech F⊂U będzie zwarym podzbiorem. Wtedy dowolne lokalne rozwiązanie φ⁢t;x0;t0 starujące z x0∈F albo przedłuża się dla wszystkich czasów t0≤t<∞ pozostając w F, albo wychodzi z F po skończonym czasie T⁢x0≥t0. 

Taka sama alternatywa ma miejsce dla rozwiązań φ⁢t;x0;t0 przyt<t0.

W pewnym sensie to twierdzenie jest oczywiste. Następujący przykład pokazuje, że założenie o zwartości F jest istotne.

Przykład 6.14. Równanie

x˙=x2,   ⁢x∈R,

ma rozwiązania φ=x0/1-t⁢x0, które uciekają do nieskończoności po skończonym czasie T=1/x0.

6.3. Metody rozwiązywania

Poniżej przedstawiamy listę klas równań różniczkowych zwyczajnych, które dają się scałkowac i podajemy metody ich całkowania. Wszystkie rozważane tutaj równania mają postać

d⁢yd⁢x=Q⁢x,yP⁢x,y (6.16)

albo równoważną postać równania Pfaffa

Q⁢x,y⁢d⁢x-P⁢x,y⁢d⁢y=0.

Przykład 6.15.Równania z rozdzielonymi zmiennymi. Są to równania postaci

d⁢yd⁢x=Q⁢xP⁢y.

Oczywiście rozwiązania są zadane w postaci uwikłanej

∫x0xQ⁢z⁢d⁢z=∫y0yP⁢y⁢d⁢y.

Przykład 6.16.Równania jednorodne są postaci

d⁢yd⁢x=f⁢y/x.

Tutaj podstawienie u=yx prowadzi do równania z rozdzielonymi zmiennymi

x⁢d⁢ud⁢x=f⁢u-u.

Do tej klasy można zaliczyć równania postaci

d⁢yd⁢x=f⁢a⁢x+b⁢y+αc⁢x+d⁢y+β,   ⁢abcd≠0.

Poprzez przesunięcie początku układu współrzędnych do punktu przecięcia się prostych a⁢x+b⁢y+α=0 i c⁢x+d⁢y+β=0 staje się ono ewidentnie jednorodne. Gdy a⁢d-b⁢c=0 równanie łatwo sprowadza się do równania o zmiennych rozdzielonych.

Przykład 6.17.Równania quasi-jednorodne charakteryzują się niezmienniczością względem symetrii typu

x⟼λ⁢x,  ⁢y⟼λγ⁢y,    ⁢λ∈R∖0,

która uogólnia analogiczną symetrię z γ=1 dla równania jednorodnego. Tutaj podstawienie u=y/xγ prowadzi do równania z rozdzielonymi zmiennymi.

Przykład 6.18.Równania liniowe

d⁢yd⁢x=a⁢x⁢y+b⁢x (6.17)

dzielą się na jednorodne, gdy b⁢x≡0, i niejednorodne. Ogólne rozwiązanie równania jednorodnego d⁢yd⁢x=a⁢x⁢y stowarzyszonego z równaniem (6.17) ma postać

φj⁢e⁢d⁢n=C⋅exp⁡A⁢x,

gdzie A⁢x jest funkcją pierwotną dla funkcji a⁢x. Ogólne rozwiązanie równania niejednorodnego jest sumą ogólnego rozwiązania równania jednorodnego φj⁢e⁢d⁢n i pewnego szczególnego rozwiązania φs⁢z⁢c⁢z równania niejednorodnego. To ostatnie rozwiązanie poszukujemy metodą uzmienniania sta łej, tzn. w postaci

φs⁢z⁢c⁢z=C⁢x⋅exp⁡A⁢x.

Po podstawieniu do równania (6.17) dostajemy równanie C′⁢x=e-A⁢x⁢b⁢x.

Ogólne rozwiązanie ma postać

y=eA⁢x⁢C+∫xeA⁢x-A⁢z⁢b⁢z⁢d⁢z. (6.18)

Przykład 6.19.Równanie Bernoulliego

d⁢yd⁢x=a⁢x⁢y+b⁢x⁢yn

sprowadza się do równania liniowego przez podstawienie

z=y1-n.

Przykład 6.20.Równanie z czynnikiem całkującym ma postać

d⁢yd⁢x=Q⁢x,yP⁢x,y=-M⁢Hx′M⁢Hy′,

lub

M⁢Hx′⁢d⁢x+Hy′⁢d⁢y=M⁢d⁢H=0.

Tutaj M=M⁢x,y jest czynnikiem całkującym a H=H⁢x,y jest całką pierwszą równania, tzn. funkcja H jest stała na krzywych całkowych równania, H⁢x,φ⁢x≡const. Oczywiście, tutaj rozwiązania y=φ⁢x są uwikłane w postaci równań

H⁢x,y=h.

Naturalne jest pytanie, jak z postaci funkcji P  i Q odgadnąć, czy istnieje czynnik całkujący i całka pierwsza. Wygodnie jest operować autonomicznym polem wektorowym

x˙=P⁢x,y,   ⁢y˙=Q⁢x,y (6.19)

związanym z równaniem (6.16).

Zauważmy, że przypadek z M⁢x,y≡1 z całką pierwszą H⁢x,y odpowiada sytuacji, gdy układ (6.19) jest hamiltonowski z H jako funkcją Hamiltona (hamiltonianem),

x˙=Hy′,   ⁢y˙=-Hx′.

Oczywiście wtedy mamy

div ⁢V=Px′+Qy′≡0, (6.20)

tzn. dywergencja pola wektorowego V=Q⁢∂x+P⁢∂y zeruje się, lub, równoważnie,

Brak opisu
d⁢Q⁢d⁢x-P⁢d⁢y=0.

Jest to warunek konieczny dla hamiltonowskości układu (6.19). Gdy div⁢V≡0 to można zdefiniować funkcję H następująco

H⁢x,y=∫Γ(x.y)Q⁢d⁢x-P⁢d⁢y,

gdzie Γ⁢x,y jest drogą z ustalonego punktu x0,y0 do x,y. Jeśli obszar U⊂R2, w którym jest zdfiniowany układ (6.19) jest jednospójny (każda pętla jest ściągalna do punktu), to definicja H⁢x,y nie zależy od wyboru drogi Γ=Γ(x,y): różnica pomiędzy tą wartością i wartością zdefiniowaną dla innej drogi Γ′ jest całką po zamkniętej pętli Γ-Γ′ (która ogranicza obszar Ω) z 1-formy ω=Q⁢d⁢x-P⁢d⁢y, która jest zamknięta, zatem wzór Stokes'a daje ∮Γ-Γ′ω=∬Ωd⁢ω=0.

Przykład równania

d⁢arctg⁢yx=-yx2+y2⁢d⁢x+xx2+y2⁢d⁢y=0

w R2∖0, które spełnia warunek (6.20), i posiada lokalną (ale nie globalną) całkę pierwszą H=arg⁡x+i⁢y pokazuje, że założenie jednospójności jest istotne.

Przypadek, gdy istnieje nietrywialny czynnik całkujący M jest dużo trudniejszy. Pozwolę sobie tutaj zacytować wynik M. Singera, który dotyczy przypadku, gdy P i Q są wielomianami.

Twierdzenie 6.21 (Singer). Jeśli równanie (6.16) z wielomanami P i Q posiada czynnik całkujący M i całkę pierwszą, które można przedstawić w kwadraturach, to czynnik całkujący M można wybrać w tzw. postaci Darboux

M=eg⁢x,y⁢f1a1⁢x,y⁢…⁢frar⁢x,y,

gdzie g⁢x,y jest funkcją wymierną, fj⁢x,y są wielomianami aaj∈C.

Odsyłam czytelnika do książki [20], w której można znaleźć definicję funkcji przedstawialnych w kwadraturach oraz dowód twierdzenia Singera.

6.4. Układy i równania liniowe

Układy liniowe równań różniczkowych zwyczajnych są uogólnieniami równań (6.17) i mają postać

x˙=A⁢t⁢x+b⁢t,   ⁢t∈I⊂R,   ⁢x∈Rn. (6.21)

Równolegle rozpatruje się liniowe równania różniczkowe rzędu n postaci

xn+an-1⁢t⁢xn-1+…+a0⁢t⁢x=b⁢t,   ⁢t∈I⊂R,   ⁢x∈R. (6.22)

Wiadomo, że rozwiązania x=φ⁢t;x0;t takich układów i równań przedłużają się do całego odcinka I (Zadanie 6.40). W przypadku jednorodnym, tzn. gdy b⁢t≡0, zbiór rozwiązań tworzy n-wymiarową przestrzeń wektorową. Każda baza tej przestrzeni tworzy tzw. układ fundamentalny φjj=1n. Taki układ fundamentalny zadaje macierz fundamentalną F(t)=(φ1,…,φn) w przypadku układu (6.21) i

F⁢t=φ1…φnφ11…φn1………φ1n-1…φnn-1

w przypadku równania (6.22). Wyznacznik macierzy fundamentalnej nazy- wa się Wrońskianem

W⁢t=det⁡F⁢t (6.23)

(od nazwiska polskiego matematyka J. Hoene-Wrońskiego).

Ogólne rozwiązanie układu jednorodnego (6.21) (z b≡0) ma postać

φ⁢t=F⁢t⋅C, (6.24)

gdzie C jest stałym wektorem (wyznaczanym z warunków początkowych); w szczególności, gdy układ fundamentalny jest tak dobrany aby F⁢t0=I, to rozwiązanie φ⁢t=F⁢t⁢x0 spełnia warunek początkowy φ⁢t0=x0. W przypadku jednorodnego równania (6.22) (z b≡0) ogólne rozwiązanie ma postać

φ⁢t=F⁢t⋅C1=C1⁢φ1⁢t+…+Cn⁢φn⁢t,

tzn. pierwsza składowa wektora stojącego po prawej stronie równania (6.24).

Nietrudno domyślić się, że ogólne rozwiązanie układu lub równania niejednorodnego (tj. z b(t)≢0) jest sumą ogólnego rozwiązania równania jednorodnego φj⁢e⁢d⁢n i szczególnego rozwiązania układu lub równania niejednorodnego φs⁢z⁢c⁢z. Aby rozwiązać układ lub równanie niejednorodne, znając macierz fundamentalną, stosujemy metodę uzmienniania stałych, tzn. robimy podstawienie x=F⁢t⋅C⁢t. Rozwiązując odpowiednie równanie na C⁢t znajdziemy ogólne rozwiązanie układu (6.21) w postaci

x=F⁢t⁢C+∫t0tF⁢t⁢F-1⁢s⁢b⁢s⁢d⁢s.

Oczywiście, podstawowym problemem jest znalezienie macierzy fundamentalnej F⁢t.

W przypadku, gdy macierz A⁢t=A w układzie (6.21) lub współczynniki aj⁢t=aj w równaniu (6.22) nie zależą od czasu, mówimy o układzie o stałych współczynnikach lub o równaniu o stałych współczynnikach. W tym przypadku macierz fundamentalna ma postać

F⁢t=exp⁡A⁢t=I+A⁢t+t22!⁢A2+…,

gdzie

A=010…0001…0……………-a0-a1-a2…-an-1

w przypadku równania.

Dla równania (6.21) o stałych współczynnikach ogólne rozwiązanie równania jednorodnego można otrzymać bezpośrednio z równania charakterystycznego

P⁢λ=λn+an-1⁢λn-1+…+a0=0. (6.25)

Ma ono postać

φj⁢e⁢d⁢n⁢t=C1,0+C1,1⁢t+…+C1,k1-1⁢tkr-1⁢eλ1⁢t+…+Cr,0+…+Cr,kr-1⁢tkr-1⁢eλr⁢t, (6.26)

gdzie λj są pierwiastkami równania charakterystycznego krotności kj; w przypadku występowania par zespolonych pierwiastków λj=λ¯j+1=αj+i⁢βj, i=-1, odpowiednie wspólczynniki w sumie w (6.26) są sprzężone, Cj+1,l=C¯j,l, i te dwa składniki dają wyrażenie

Dj,l⁢tl⁢eαj⁢t⁢cos⁡βj⁢t+Ej,l⁢tl⁢eαj⁢t⁢sin⁡βj⁢t

(ze stałymi Dj,l i Ej,l).

Również istnieje recepta na szczególne rozwiązanie niejednorodnego równania (6.22) o stałych współczynnikach, w przypadku gdy funkcja b⁢t (po prawej stronie równania) jest tzw. quasi-wielomianem postaci

b⁢t=eμ⁢t⁢p⁢t. (6.27)

Tutaj μ nazywa się wykładnikiem quasi-wielomianu a p⁢t jest zwykłym wielomianem stopnia m, nazywanym stopniem quasi-wielomianu. Również funkcje postaci eν⁢t⁢cos⁡ξ⁢t⁢p⁢t i eν⁢t⁢sin⁡ξ⁢t⁢p⁢t są odpowiednio częściamu rzeczywistą i urojoną quasi-wielomianu z zespolonym wykładnikiem μ=ν+i⁢ξ.

Twierdzenie 6.22. Rozwiązanie ogólne równania jednorodnego ma postać (6.26).

Jeśli prawa strona równania niejednorodnego (6.22) ma postać (6.27) i wykładnik μ quasiwielomianu jest pierwiastkiem równania charakterystycznego (6.25) krotności k, to szczególne rozwiązanie równania można wybrać w postaci quasi-wielomianu

φs⁢z⁢c⁢z=tk⁢eμ⁢t⁢q⁢t,

gdzie q⁢t jest wielomianem stopniam=deg⁡p⁢t.

Następujące twierdzenie, pochodzące od J. Liouville'a, jest uogólnieniem elementarnej algebraicznej tożsamości

det⁡exp⁡A=exp⁡tr⁢A

i ma olbrzymie zastosowanie w Jakościowej Teorii.

Twierdzenie 6.23 (Liouville). Wrońskian W⁢t związany z macierzą fundamentalną F⁢t układu (6.21) (wzór (6.23)) spełnia równanie

W˙=tr⁢A⁢t⋅W.

Dowód sprowadza się do policzenia granicy

lims→0⁡det⁡I+s⁢A⁢t-1s,

bo F⁢t+s=I+s⁢A⁢t⁢F⁢t+O⁢s2. Latwo sprawdzić, korzystając ze standardowej definicji wyznacznika det⁡I+s⁢A=∑-1π⁢∏I+s⁢Aj,π⁢j, że człony pochodzące od nietrywialnych permutacji π dają wkład rzędu s2. Człon ∏I+s⁢Aj,j=∏1+s⁢aj⁢j równa się 1+s⁢∑aj⁢j+O⁢s2.

W przypadku gdy macierz fundamentalna F⁢t spełnia własność F⁢t0=I, wyznacznik Wrońskiego ma naturalną interpretację (n-wymiarowej) objętości równoległościanu rozpiętego przez wektory fi⁢t=gt0t⁢ei, i=1,…⁢n, gdzie gt0t jest to 2-parametrowa rodzina przekształceń ewolucji układu (które są zdefiniowane w Uwadze 6.4 i które są liniowe) a ei to standardowa baza w Rn. Inaczej mówiąc, zachodzą tożsamości

gt0t⁢V=W⁢t⋅V,    ⁢dd⁢t⁢gt0t⁢V=tr⁢A⁢t⋅gt0t⁢V, (6.28)

dla obszaru V⊂Rn, gdzie V oznacza objętość.

Zastosujmy tę obserwację do równania w wariacjach względem warunków początkowych (6.13) w przypadku autonomicznego pola wektorowego x˙=v⁢x. To równanie w wariacjach ma postać y˙=A⁢t⁢y, gdzie A⁢t=∂⁡v∂⁡x⁢φ0⁢t jest macierzą pochodnych cząstkowych ∂⁡vi/∂⁡xj składowych vi pola wzdłuż wyróżnionego rozwiązania φ0⁢t. Łatwo sprawdzić tożsamość

trA(t)=∑i=1n∂⁡vi∂⁡xi(φ0(t))=div v(φ0(t), (6.29)

gdzie div oznacza dywergencję.

Niech V⊂Rn będzie obszarem takim, że rozwiązania starujące z V są określone dla czasów pomiędzy 0 i t. Podzielmy obszar V na prostokątne kostki Δj o małej krawędzi ε i z wyróżnionymi punktami zj∈Δj. Pod działaniem potoku gt te kostki przejdą na nielinowe obszarki gt⁢Δj, które są bliskie równoległościankom rozpiętym przez wektory postaci ε⋅fi⁢t,gdzie każdy wektor fi⁢t jest jak powyżej dla przekształcenia g0t związanego z równaniem w wariacjach wzdłuż rozwiązania φj⁢t startującego z zj. Następnie sumujemy objętości obszarków gt⁢Δj i przechodzimy do granicy z ε→0, korzystając z własności (6.28) i (6.29). W rezultacie otrzymujemy następujący wynik.

Brak opisu

Twierdzenie 6.24. Dla obszaruV⊂Rni potoku gt generowanego przez autonomiczne pole vektorowe v⁢x zachodzi tożsamość

dd⁢t⁢gt⁢V=∫gt⁢Vdiv ⁢v⁢x⁢dn⁢x.

W szczególności, jeśli div⁢⁢v⁢x<0, to potok gt ma własność zmniejsznia objętości, a jeśli div⁢⁢v⁢x>0, to potok ma własność rozszerzania obszarów.

ZADANIA

Zadanie 6.25. W zależności od stałych M=supI×U⁡v⁢t,x i L=sup⁡|v(t,x1)-v(t,x2|x1-x2 (stała Lipschitza) dobrać ε w I0=t0-ε,t0+ε i promienie w kulach U0= B(x∗,r)={|x-x∗|<r}⊂U i B⁢x0,R=φ:I0×U0⟼Rn:sup⁡φ⁢t,x0-x0<R, aby: (i) T:B⁢x0,R ⟼B⁢x0,R oraz (ii) T było kontrakcją na B⁢x0,R. To da uzupełnienie dowodu Twierszenia 6.5.

Zadanie 6.26. Uzupełnić dowody Twierdzeń 6.7 i 6.8.

Wskazówka: W dowodzie Twierdzenia 6.7 rozważyć ciąg przybliżeń x=φn⁢t;x0, z=ψn⁢t;x0 dla zagadnienia początkowego x˙=v⁢t;x,z˙=∂⁡v∂⁡x⁢t,x⁢z, x⁢t0=x0, z⁢t0⁢I, gdzie z⁢t;x0 przyjmuje wartości w przestrzenie macierzy n×n. W dowodzie Twierdzenia 6.8 skorzystać z Twierdzenia 6.7.

Zadanie 6.27. Udowodnić, że jeśli v⁢t,x;λ zależy w sposób analityczny od zwoich argumentów, to rozwiązanie φ⁢t;x0;λ też jest analityczne.

Zadanie 6.28. Uzupełnić dowód Twierdzenia 6.9.

Zadanie 6.29. Uzupełnić dowód twierdzenia 6.10.

Zadanie 6.30. Znaleźć rozwiązanie równania x2⁢d⁢yd⁢x-cos⁡2⁢y=1 spełniające warunek y⁢+∞=9⁢π4.

Zadanie 6.31. Rozwiązać równanie d⁢yd⁢x=4⁢x+2⁢y-1.

Zadanie 6.32. Rozwiązać równanie x⁢d⁢yd⁢x=y-x⁢ey/x.

Zadanie 6.33. Rozwiązać równanie d⁢yd⁢x=y2-2/x2.

Zadanie 6.34. Rozwiązać równanie 2⁢y⁢d⁢x+x2⁢y+1⁢x⁢d⁢y=0.

Zadanie 6.35. Rozwiązać równanie x⁢y′-2⁢y=2⁢x4.

Zadanie 6.36. Rozwiązać równanie x⁢y⁢d⁢y=y2+x⁢d⁢x.

Zadanie 6.37. Rozwiązać następujące równanie Riccatiego y′=2⁢x⁢y-y2+5-x2.

Wskazówka: Zgadnąć jedno rozwiązanie.

Zadanie 6.38. Rozwiązać równanie d⁢yd⁢x=a⁢x2+b⁢y2+12⁢x⁢y.

Wskazówka: Poszukać czynnika całkującego w postaci xα.

Zadanie 6.39. Rozwiązać równanie yx⁢d⁢x+y3+ln⁡x⁢d⁢y=0.

Zadanie 6.40. Rozważmy układ liniowy x˙=A⁢t⁢x+b⁢t, z ciągłymi A⁢t i b⁢t oraz z oszacowaniami A⁢t≤C1⁢t i b⁢t≤C1⁢t. Pokazać oszacowania dd⁢t⁢x2≤2⁢C1⁢t⁢x2+2⁢C2⁢t⁢x≤C3⁢t⁢x2, gdzie ostatnia nierówność zachodzi dla dostatecznie dużych x i pewnej ciągłej funkcji C3⁢t. Wywnioskować stąd, że rozwiązania nie mogą uciec do nieskończoności po skończonym czasie.

Zadanie 6.41. Podać ogólne rozwiązanie układu x˙=x-y-z, y˙=x+y, z˙=3⁢x+z.

Zadanie 6.42. Podać ogólne rozwiązanie układu x˙=x-y+1/cos⁡t, y˙=2⁢x-y.

Zadanie 6.43. Podać ogólne rozwiązanie równania d4d⁢t4⁢x+4⁢x=0.

Zadanie 6.44. Podać ogólne rozwiązanie równania x¨+2⁢x˙+x=t⁢e-t-cos⁡t.

Zadanie 6.45. Dla jakich k i ω równanie x¨+k2⁢x=sin⁡ω⁢t posiada przynajmniej jedno okresowe rozwiązanie.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.