Свойства однородных функций




Рассмотрим несколько свойств однородных функций:

1. Если однородная функция с порядком однородности q, то ее дробная производная порядка , вычисляемая как по и любой независимой переменной начиная от нуля (при условии существования соответствующего интеграла, для чего требуется выбирать )- это однородные функции с порядком однородности . Рассмотрим функцию и

. Тогда с (здесь сделана замена переменной интегрирования После n-кратного дифференцирования по переменной x1 однородная функция порядка становится однородной функцией с порядком однородности .

2. Если однородная функция с порядком однородности q, то ее n-мерная свертка с обобщенным Абелевым ядром, вычисляемая как п(при условии существовании соответствующего интеграла)- это однородная функция с порядком однородности . В Доказательство. , где сделана замена переменных интегрирования .

3. Теорема Эйлера для однородныхфункций. Для того, чтобы дифференцируемая функция {\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})} была однородной функцией с порядком однородности {\displaystyle q,}необходимо и достаточно выполнение соотношения Эйлера

.

Доказательство.

Необходимость получается из дифференцирования равенства

при . Для доказательства достаточности возьмем функцию при фиксированных . Продифференцируем ее по :

.

В силу условия получаем и . Константу c определяем из условия .

В результате, .

Метод Эйлера

Метод Эйлера часто называют видоизменённым методом Эйлера или методом собственных чисел и собственных векторов. Он применяется для решения линейных однородных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Пусть дана система n линейных однородных дифференциальных уравнений с n неизвестными функциями, коэффициенты которой постоянные:

Эту систему можно записать в виде матричного дифференциального уравнения:

,

где , , .

Решение системы найдём в виде:

где , (i = 1, 2,..., n) — постоянные величины.

Подставив значения (i = 1, 2,..., n) в систему дифференциальных уравнений, получим систему линейных алгебраических уравнений относительно :

Так как система имеет ненулевое решение тогда и только тогда, когда определитель основной матрицы равен нулю, то получим следующее уравнение n -й степени:

.

Это уравнение позволит найти . Оно является характеристическим уравнением матрицы А и одновременно характеристическим уравнением системы.

Пусть характеристическое уравнение имеет n различных корней (i = 1, 2,..., n), которые являются собственными числами матрицы А. Каждому собственному числу соответствует свой собственный вектор.

Пусть характеристическому числу соответствует собственный вектор (; ;...; ), где k = 1, 2,..., n. Тогда система дифференциальных уравнений имеет n решений:

1-е решение, соответствующее корню = :

, ,…, ;

2-е решение, соответствующее корню = :

, ,…, и т.д.;

n-е решение, соответствующее корню = :

, ,…, .

Таким образом, получили фундаментальную систему решений. Общее решение системы имеет вид:

Пример. Найти общее решение системы дифференциальных уравнений:

Решение. Данная система является линейной однородной системой дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами. Решим ее методом Эйлера.

Составим характеристическое уравнение матрицы системы

Его корни = –2; = 2 — характеристические числа матрицы.

При = –2 уравнения для определения собственного вектора имеют вид:

=> = 0 => р1 = р2 =>

(1; 1) — собственный вектор.

При = 2 уравнения для определения собственного вектора имеют вид:

=> + = 0 => р1 = -р2 =>

(1; -1) — собственный вектор.

Получаем фундаментальную систему решений:

для = –2: х11 = е-2t, х21 = е-2t ;

для = 2: х12 = е2t, х22 = – е2t.

Общее решение системы имеет вид:



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-11-10 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: