Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Системы дифференциальных уравнений: понятия и определения
Онлайн-сервисы Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью Алгоритмы JavaScript Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью Введение в анализ Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика Теория множеств Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия Математическая логика Алгебра высказываний Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции Булевы функции Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций Теория формального Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний Логика предикатов Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов Неформальные и формаль- ные аксиоматические теории Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории Теория алгоритмов Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики Математическая логика и компьютеры Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект Дискретная математика Множества и отношения Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций Группы и кольца Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов Полукольца и булевы алгебры Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки Алгебраические системы Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры Теория графов Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов Булева алгебра и функции Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов Конечные автоматы и регулярные языки Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга Контекстно-свободные языки Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов Интегральное исчисление Неопределённый и определённый Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции Приложения интегралов Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела Интегралы в физике Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике Основные интегралы Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега Вариационное исчисление Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла Финансовый анализ Анализ эффективности Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности Анализ устойчивости Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости Рыночная активность Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию Инвестиционная деятельность Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование Анализ инвестиций Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта Стоимость компании Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций Форвардные контракты Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту Теория вероятностей Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности Математическая статистика Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты Теория очередей (СМО) Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью) Аналитическая геометрия Векторная алгебра Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике Системы координат Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат Геометрия на плоскости Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными Линии 2-го порядка Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты линий Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам Геометрия в пространстве Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве Поверхности 2-го порядка Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты поверхностей Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам Линейная алгебра Матрицы и операции Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц Определители Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей Ранг матрицы Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк) Обратная матрица Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица Системы уравнений Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений Функциональные матрицы Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум Многочленные матрицы Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы Функции от матриц Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц Линейные пространства Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств Подпространства Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств Линейные отображения Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения Линейные операторы Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду Евклидовы пространства Евклидовы пространства Ортогональные векторы евклидова пространства Ортогональный базис евклидова пространства Ортонормированный базис евклидова пространства Ортогональные дополнения в евклидовом пространстве Задача о перпендикуляре Матрица и определитель Грама и его свойства Линейные преобразования евклидовых пространств Канонический вид ортогонального оператора евклидова пространства Сопряженные операторы евклидова пространства Самосопряженные операторы евклидова пространства Приведение квадратичной формы к главным осям Унитарные пространства и их линейные преобразования Комплексный анализ Комплексные числа Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел Комплексные функции Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного Функциональные ряды в комплексной области Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням Особые точки, Вычеты Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена Операционное исчисление Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства Дифференциальные уравнения ДУ первого порядка Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ ДУ высших порядков Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ Системы ДУ Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем Теория устойчивости Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной Численные методы Методы алгебры Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений Методы теории приближений Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования Методы решения обыкновенных ДУ Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач Методы решения ДУ в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными	Системы дифференциальных уравнений: понятия и определения Система обыкновенных дифференциальных уравнений $F_k(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_2)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y^{(k_n)})=0,~k=1,2,\ldots,n,$ (1) разрешенная относительно старших производных $y_1^{(k_1)},y_2^{(k_2)},\ldots,y_n^{(k_n)}$ , называется канонической системой. Она имеет вид $\begin{cases} y_1^{(k_1)}= f_1\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr),\\[3pt] y_2^{(k_2)}= f_2\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr),\\[3pt] \cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\\ y_n^{(k_n)}=f_n\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr). \end{cases}$ (2) Порядком системы (1) называется число $p$ , равное $p=k_1+k_2+\ldots+k_n$ . Пример 1. Привести к каноническому виду систему дифференциальных уравнений $\left\{\!\begin{aligned}y_2y'_1-\ln(y''_1-y_1)&=0,\\ e^{y'_2}-y_1-y_2&=0.\end{aligned}\right.$ Решение. Данная система имеет третий порядок, так как $k_1=2,~k_2=1$ и, значит, $p=3$ . Разрешая первое уравнение относительно $y''_1$ , а второе относительно $y'_2$ , получим каноническую систему $y''_1=y_1+e^{y_2y'_1}, \quad y'_2=\ln(y_1+y_2).$ Система обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка вида $\frac{dx_k}{dt}= f_k(t,x_1,x_2,\ldots,x_n), \quad k=1,2,\ldots,n,$ (3) где $t$ — независимая переменная; $x_1,x_2,\ldots,x_n$ — неизвестные функции от $t$ , называется нормальной системой. Число $n$ называется порядком нормальной системы (3). Две системы дифференциальных уравнений называются эквивалентными, если они обладают одними и теми же решениями. Любую каноническую систему (2) можно привести к эквивалентной ей нормальной системе (3), причем порядок этих систем будет одним и тем же. Пример 2. Привести к нормальной системе следующую систему дифференциальных уравнений: $\left\{\!\begin{aligned}\frac{d^2x}{dt^2}-y&=0,\\ t^3\frac{dy}{dt}-2x&=0.\end{aligned}\right.$ Решение. Положим $x=x_1,~\frac{dx}{dt}=x_2,~y=x_3$ . Тогда будем иметь $\frac{dx_1}{dt}=x_2,~\frac{dy}{dt}=\frac{dx_3}{dt}$ , и данная система приведется к следующей нормальной системе третьего порядка: $\frac{dx_1}{dt}=x_2, \quad \frac{dx_2}{dt}=x_3, \quad \frac{dx_3}{dt}=\frac{2x_1}{t^3}.$ Пример 3. Привести дифференциальное уравнение $\frac{d^2x}{dt^2}+p(t)\frac{dx}{dt}+q(x)x=0$ к нормальной системе. Решение. Положим $x=x_1,~\frac{dx}{dt}=x_2$ , тогда $\frac{dx_1}{dt}=x_2,~\frac{d^2x}{dt^2}=\frac{dx_2}{dt}\,.$ Подставляя эти выражения в данное уравнение, получим $\frac{dx_2}{dt}+p(t)x_2+q(x)x_1=0.$ Нормальная система будет иметь вид $\frac{dx_1}{dt}=x_2,\quad \frac{dx_2}{dt}=-p(t)x_2-q(t)x_1\,.$ Решением системы (3) в интервале $(a,b)$ называется совокупность любых $n$ функций $x_1=\varphi_1(t),\quad x_2=\varphi_2(t),\quad \ldots,\quad x_n=\varphi_n(t),$ определенных и непрерывно дифференцируемых в интервале $(a,b)$ , если они обращают уравнения системы (3) в тождества, справедливые для всех значений $t\in(a,b)$ . Пример 4. Показать, что система функций $x_1=-\frac{1}{t^2},~x_2=-t\ln{t}$ , определенных в интервале $0<t<+\infty$ , является решением системы дифференциальных уравнений $\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=2tx_1^2,\\[9pt] \dfrac{dx_2}{dt}=\frac{x_2}{t}-1.\end{cases}$ Решение. Имеем $\frac{dx_1}{dt}=\frac{2}{t^3},~\frac{dx_2}{dt}=-1-\ln{t}$ . Подставляя в уравнение данной системы вместо $x_1,\,x_2$ $\frac{dx_1}{dt}$ и $\frac{dx_2}{dt}$ их выражения через $t$ , получим тождества $\frac{2}{t^3}\equiv\frac{2t}{t^4}\equiv\frac{2}{t^3},\quad -\ln{t}-1\equiv-\ln{t}-1,\quad 0<t<+\infty.$ Задачей Коши для системы (3) называется задача нахождения решения $x_1=x_1(t),\quad x_2=x_2(t),\quad \ldots,\quad x_n=x_n(t)$ этой системы, удовлетворяющего начальным условиям $x_1(t_0)=x_1^0,\quad x_2(t_0)=x_2^0,\quad \ldots,\quad x_n(t_0)=x_n^0,$ (4) где $t_0,\,x_1^0,\,x_2^0,\,\ldots,\,x_n^0$ — заданные числа. Теорема существования и единственности решения задачи Коши. Пусть имеем нормальную систему дифференциальных уравнений (3) и пусть функции $f_i(t,x_1,x_2,\ldots,x_n),$ $i=1,2,\ldots,n$ , определены в некоторой n+1-мерной области $D$ изменения переменных $t,x_1,x_2,\ldots,x_n$ . Если существует окрестность $\Omega$ точки $M_0(t,x_1^0,x_2^0,\ldots,x_n^0)$ , в которой функции $f_i$ а) непрерывны, 6) имеют ограниченные частные производные по переменным $x_1,x_2,\ldots,x_n$ , то найдется интервал $t_0-h<t<t_0+h$ изменения $t$ , в котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям (4). Система $n$ дифференцируемых функций $x_i=x_i(t,C_1,C_2,\ldots,C_n),\quad i=1,2,\ldots,n,$ (5) независимой переменной $t$ и $n$ произвольных постоянных $C_1,C_2,\ldots,C_n$ называется общим решением нормальной системы (3), если: 1) при любых допустимых значениях $C_1,C_2,\ldots,C_n$ система функций (5) обращает уравнения (3) в тождества, 2) в области, где выполняются условия теоремы Коши, функции (5) решают любую задачу Коши. Пример 5. Показать, что система функций $\begin{cases}x_1(t)=C_1e^{-t}+C_2e^{3t},\\[3pt] x_2(t)=2C_1e^{-t}-2C_2e^{3t}\end{cases}$ (6) является общим решением системы уравнений $\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=x_1-x_2,\\[9pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_2-4x_1.\end{cases}$ (7) Решение. В данном примере область $D$ есть $-\infty<t<+\infty,\quad -\infty<x_1,x_2<+\infty.$ (8) Подставляя функции $x_1(t)$ и $x_2(t)$ из (6) в систему уравнений (7), получаем тождества по $t$ , справедливые при любых значениях постоянных $C_1,\,C_2$ . Таким образом, условие 1), определяющее общее решение, выполнено. Проверим выполнение условия 2). Заметим, что для системы уравнений (7) условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши выполняются во всей области $D$ , определяемой соотношениями (8). Поэтому в качестве начальных условий можно взять любую тройку чисел $t_0,\,x_1^0,\,x_2^0$ . Тогда соотношения (6) дадут для определения $C_1,\,C_2$ систему $\begin{cases}x_1^0=C-e^{-t_0}+C_2e^{3t_0},\\[3pt] x_2^0=2Ce^{-t_0}-2C_2e^{3t_0}.\end{cases}$ Определитель этой системы $\Delta=-4e^{2t_0}\ne0$ ; следовательно, она однозначно разрешима относительно $C_1,\,C_2$ при любых $x_1^0,\,x_2^0$ и $t_0$ . Это равносильно тому, что разрешима любая задача Коши. Итак, система функций (6) является общим решением системы уравнений (7). Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных $C_1,C_2,\ldots,C_n$ , называются частными решениями. Пример 6. Имея общее решение (6) системы (7), найти частное решение этой системы, удовлетворяющее начальным условиям $x_1(0)=0,$ $x_2(0)=-4$ . Решение. Задача сводится к нахождению таких значений постоянных $C_1$ и $C_2$ , чтобы выполнялись соотношения $0=C_1+C_2,\quad -4=2C_1-2C_2.$ Решая эту систему, находим $C_1=-1,~C_2=1$ . Искомое частное решение $x_1(t)=-e^{-t}+e^{3t},\quad x_2(t)=-2e^{-t}-2e^{3t}.$ Замечание 1. Не всякую систему дифференциальных уравнений можно свести к одному уравнению. Например, система $\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=-x_1,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_2\end{cases}$ распадается на два независимых уравнения. Общее решение в этом случае получается интегрированием каждого уравнения в отдельности: $x_1=C_1\,e^{-t},\quad x_2=C_2\,e^t.$ Замечание 2. Если число уравнений в системе равно $n$ , а число искомых функций $N$ , причем $N>n$ , то такая система является неопределенной. В этом случае можно выбирать произвольно $N-n$ искомых функций (лишь бы они были нужное число раз дифференцируемыми) и в зависимости от них находить остальные $n$ функций. Замечание 3. Если система состоит из $n$ уравнений, а число искомых функций $N$ , причем $N<n$ , то эта система может оказаться несовместной, т.е. не имеющий ни одного решения. Пусть дана (для простоты) нормальная система двух дифференциальных уравнений $\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=f_1(t,x_1,x_2),,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=f_2(t,x_1,x_2).\end{cases}$ (9) Будем рассматривать систему значений $t,\,x_1,\,x_2$ как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат $Otx_1x_2$ . Решение $x_1=x_1(t),$ $x_2=x_2(t)$ принимающее при $t=t_0$ значение $x_1^0,x_2^0$ , изображает в этом пространстве некоторую линию, проходящую через точку $M_0(t_0,x_1^0,x_2^0)$ . Эта линия называется интегральной кривой (линией) нормальной системы (9). Задача Коши для системы (9) получает следующую геометрическую формулировку: в пространстве переменных $(t,x_1,x_2)$ найти интегральную кривую, проходящую через данную точку $(t_0,x_1^0,x_2^0)$ . Теорема Коши устанавливает существование и единственность такой линии. Нормальной системе (9) и ее решению можно дать еще такое истолкование. Будем независимую переменную $t$ рассматривать как время, а систему значений функций $x_1,x_2$ как прямоугольные декартовы координаты точки плоскости $x_1Ox_2$ . Эту плоскость переменных $x_1Ox_2$ называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение $x_1=x_1(t),$ $x_2=x_2(t)$ системы (9), принимающее при $t=t_0$ начальные значения $x_1^0,x_2^0$ , изображается линией $AB$ (рис.28), проходящей через точку $M_0(x_1^0,x_2^0)$ . Эту линию называют траекторией системы (фазовой траекторией). Очевидно, что траектория системы (9) есть проекция интегральной кривой на фазовую плоскость. Система (9) определяет в каждый момент времени $t$ в данной точке $x_1,x_2$ фазовой плоскости координаты скорости $\{f_1,f_2\}$ движущейся точки. Пример 7. Решить систему уравнений $\frac{dx}{dt}=y,\quad \frac{dy}{dt}=-x$ (10) при начальных условиях $x(0)=x_0,\quad y(0)=y_0.$ (11) Решение. Дифференцируя один раз по $t$ первое уравнение системы (10) и подставляя в полученное уравнение $\frac{dy}{dt}=-x$ , сведем систему (10) к одному уравнению второго порядка $\frac{d^2x}{dt^2}+x=0$ , образующее решение которого $x=C_1\,\cos{t}+C_2\,\sin{t}\,.$ Так как $y=\frac{dx}{dt}$ , то $y=-C_1\,\sin{t}+C_2\,\cos{t}$ ; итак, общее решение системы (10): $\begin{cases}x=C_1\,\cos{t}+C_2\,\sin{t}\,,\\ y=-C_1\,\sin{t}+C_2\,\cos{t}\,.\end{cases}$ (12) Частным решением системы (10), удовлетворяющим начальным условиям (11), будет $\begin{cases}x=x_0\,\cos{t}+y_0\,\sin{t}\,,\\ y=-x_0\,\sin{t}+y_0\,\cos{t}\,.\end{cases}$ (13) Исключая $t$ из уравнений (13) (путем возведения в квадрат и почленного сложения), получаем фазовую траекторию $x^2+y^2=R^2,$ (14) где $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2}$ . Это окружность, проходящая через точку $M_0(x_0,y_0)$ . Представив уравнения (13) в виде $x=R\sin(t+\alpha),\quad y=R\cos(t+\alpha),$ (15) где $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2},~ \sin\alpha=\frac{x_0}{\alpha},~ \cos\alpha=\frac{y_0}{R}$ , замечаем, что уравнения (15) выражают зависимость от времени текущих координат точки $M(x(t),y(t))$ , или коротко $M(t)$ , которая начинает свое движение при $t=0$ от точки $M_0(x_0,y_0)$ и движется по окружности (14) (рис.29,а). Направление движения точки $M(t)$ определим с помощью заданной системы (10). При $x>0$ , согласно уравнению $\frac{dy}{dt}=-x$ , величина $y$ убывает (как, например, в точке $M_1(t)$ ), а при $x<0$ величина $y$ возрастает (как, например, в точке $M_2(t)$ ). Таким образом, точка $M(t)$ движется по кривой (14) по ходу часовой стрелки. Изменяя произвольно начальные условия (11) (оставаясь, однако, в физически допустимых пределах), т. е. изменяя как угодно положение начальной точки $M_0(x_0,y_0)$ , получаем всевозможные фазовые траектории (14). Дадим теперь другое истолкование уравнений (15) (или, что то же, уравнений (13)). В трехмерном пространстве возьмем правую декартову систему координат $Oxyz$ . Легко убедиться, что точка $N(x(t),y(t),z(t))$ (или коротко $N(t)$ ) с координатами (рис. 29,б) $x(t)=R\sin(t+\alpha),\quad y(t)=R\cos(t+\alpha),\quad z(t)=t$ (16) начинает свое движение при $t=0$ от начальной точки $N_0(x_0,y_0,0)$ и с возрастанием $t$ поднимается по винтовой линии (16), расположенной на цилиндре с окружностью (14) в основании и образующими, параллельными оси $Oz$ . Очевидно, что точка $N_0$ совпадает с точкой $M_0$ и что при любом $t$ точка $N(t)$ проектируется в точку $M(t)$ на фазовой траектории. Так как точка $M(t)$ движется по ходу часовой стрелки, то интегральная кривая, описываемая точкой $N(t)$ , есть левая винтовая линия на цилиндре с окружностью (14) в основании и образующими, параллельными оси $Oz$ . При различных положениях точки $N_0(x_0,y_0,0)$ интегральные кривые системы (10), соответствующие различным значением $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2}$ , проектируются на плоскость $xOy$ в раз личные кривые (14), а интегральные кривые, соответствующие одному и тому же значению $R$ , проектируются в одну и ту же кривую (14). Интегралом нормальной системы (3) называется функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ , определенная и непрерывная вместе со своими частными производными первого порядка $\frac{\partial\psi}{\partial t},~\frac{\partial\psi}{\partial x_k},$ $k=1,2,\ldots,n$ , в области $D$ , если при подстановке в нее произвольного решения $x_1(t),x_2(t),\ldots,x_n(t)$ системы (3) она принимает постоянное значение, т.е. функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ зависит только от выбора решения $x_1(t),x_2(t),\ldots,x_n(t)$ , но не от переменной $t$ . Первым интегралом нормальной системы (3) называется равенство $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)=C,$ где $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ — интеграл системы (3), а $C$ — произвольная постоянная. Иногда первым интегралом системы (3) называют интеграл этой системы. Пример 8. Показать, что функция $\psi(t,x_1,x_2)=\frac{x_2}{t}-x_1,$ (17) определенная в области $D\colon t\ne0,\,-\infty<x_1,x_2<+\infty$ , является интегралом системы уравнений $\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=\dfrac{x_1}{t}\,,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_1+\dfrac{x_2}{t}\,,\end{cases}$ (18) если общее решение этой системы есть $x_1=C_1\,t,\quad x_2=C_1\,t^2+C_2\,t.$ (19) Решение. Подставляя (19) в (17), получаем $\psi(t,x_1,x_2)= \psi(t,C_1t,C_1t^2+C_2t)= \frac{C_1t^2+C_2t}{t}-C_1t=C_2$ в области $D$ . Следовательно, функция (17) является в области $D$ интегралом системы уравнений (18), а значит первый интеграл этой системы будет $\frac{x_2}{t}-x_1=C$ , где $C$ — произвольная постоянная. Теорема. Для того чтобы функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ была интегралом системы (3), необходимо и достаточно выполнения условия $\frac{\partial\psi}{\partial t}+ \sum_{k=1}^{n}f_k(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)\frac{\partial\psi}{\partial x_k}=0$ (20) в области $D$ . Пример 9. Показать, что функция $\psi(t,x_1,x_2)=\operatorname{arctg}\frac{x_1}{x_2}-t$ (21) является интегралом системы уравнений $\frac{dx_1}{dt}=\frac{x_1^2}{x_2},\quad \frac{dx_2}{dt}=-\frac{x_2^2}{x_1}\,.$ (22) Решение. В данном случае $f_1(t,x_1,x_2)=\frac{x_1^2}{x_2}\,,\quad f_2(t,x_1,x_2)=-\frac{x_2^2}{x_1}\,.$ (23) Находим частные производные данной функции $\psi(t,x_1,x_2)$ . Имеем $\frac{\partial\psi}{\partial t}=-1,\quad \frac{\partial\psi}{\partial x_1}=\frac{x_2}{x_1^2+x_2^2},\quad \frac{\partial\psi}{\partial x_2}=\frac{x_1}{x_1^2+x_2^2}\,.$ (24) Подставляя (23) и (24) в левую часть (20), получаем $\frac{\partial\psi}{\partial t}+f_1(t,x_1,x_2)\frac{\partial\psi}{\partial x_1}+ f_2(t,x_1,x_2)\frac{\partial\psi}{\partial x_2}=-1+ \frac{x_1^2}{x_2}\frac{x_2}{x_1^2+x_2^2}+ \frac{x_2^2}{x_1}\frac{x_1}{x_1^2+x_2^2}=-1+1=0$ в области $D\colon\,-\infty<t<+\infty,~x_1\ne0,~x_2\ne0$ . Итак, функция (21) есть интеграл системы уравнений (22) и, следовательно, первый интеграл системы (22) будет $\operatorname{arctg}\frac{x_1}{x_2}-t=C,$ где $C$ — произвольная постоянная. Нормальная система (3) имеет бесконечное множество систем первых интегралов. Интегралы $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ системы (3) называются независимыми относительно искомых функций $x_1,x_2,\ldots,x_n$ , если между функциями $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ не существует соотношения вида $F(\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n)=0$ ни при каком выборе функции $F$ , не зависящей явно от $x_1,x_2,\ldots,x_n$ . Теорема. Для того чтобы функции $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ , имеющие частные производные $\frac{\partial\psi_i}{\partial x_k}$ $(i,k=1,2,\ldots,n)$ , были независимыми относительно $x_1,x_2,\ldots,x_n$ в некоторой области $D$ , необходимо и достаточно, чтобы якобиан этих функций был отличен от нуля в области $D$ , $\frac{D(\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n)}{D(x_1,x_2,\ldots,x_n)}= \begin{vmatrix}\dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_n}\\[10pt] \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_n}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\[2pt] \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_n}\end{vmatrix}\ne0.$ Общим интегралом нормальной системы (3) называется совокупность $n$ независимых первых интегралов этой системы. Если известны $k$ , где $k<n$ , независимых первых интегралов системы (3), то ее порядок можно понизить на $k$ единиц. Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике). Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Системы дифференциальных уравнений: понятия и определения

Онлайн-сервисы

Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью

Алгоритмы JavaScript

Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью

Введение в анализ

Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика

Теория множеств

Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия

Математическая логика

Алгебра высказываний

Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции

Булевы функции

Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций

Теория формального

Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний

Логика предикатов

Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов

Неформальные и формаль-
ные аксиоматические теории

Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории

Теория алгоритмов

Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики

Математическая логика и компьютеры

Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект

Дискретная математика

Множества и отношения

Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций

Группы и кольца

Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов

Полукольца и булевы алгебры

Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки

Алгебраические системы

Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры

Теория графов

Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов

Булева алгебра и функции

Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов

Конечные автоматы и регулярные языки

Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга

Контекстно-свободные языки

Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов

Интегральное исчисление

Неопределённый и определённый

Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции

Приложения интегралов

Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела

Интегралы в физике

Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике

Основные интегралы

Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега

Вариационное исчисление

Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла

Финансовый анализ

Анализ эффективности

Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности

Анализ устойчивости

Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости

Рыночная активность

Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию

Инвестиционная деятельность

Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование

Анализ инвестиций

Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта

Стоимость компании

Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций

Форвардные контракты

Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту

Теория вероятностей

Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности

Математическая статистика

Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты

Теория очередей (СМО)

Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью)

Аналитическая геометрия

Векторная алгебра

Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике

Системы координат

Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат

Геометрия на плоскости

Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными

Линии 2-го порядка

Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты линий

Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам

Геометрия в пространстве

Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве

Поверхности 2-го порядка

Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты поверхностей

Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам

Линейная алгебра

Матрицы и операции

Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц

Определители

Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей

Ранг матрицы

Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк)

Обратная матрица

Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица

Системы уравнений

Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений

Функциональные матрицы

Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум

Многочленные матрицы

Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы

Функции от матриц

Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц

Линейные пространства

Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств

Подпространства

Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств

Линейные отображения

Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения

Линейные операторы

Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду

Евклидовы пространства

Комплексный анализ

Комплексные числа

Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел

Комплексные функции

Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения
и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного

Функциональные ряды в комплексной области

Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням

Особые точки, Вычеты

Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена

Операционное исчисление

Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства

Дифференциальные уравнения

ДУ первого порядка

Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ

ДУ высших порядков

Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ

Системы ДУ

Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем

Теория устойчивости

Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной

Численные методы

Методы алгебры

Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений

Методы теории приближений

Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования

Методы решения обыкновенных ДУ

Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач

Методы решения ДУ в частных производных

Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными

Системы дифференциальных уравнений: понятия и определения

Система обыкновенных дифференциальных уравнений

$F_k(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_2)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y^{(k_n)})=0,~k=1,2,\ldots,n,$

(1)

разрешенная относительно старших производных $y_1^{(k_1)},y_2^{(k_2)},\ldots,y_n^{(k_n)}$ , называется канонической системой. Она имеет вид

$\begin{cases} y_1^{(k_1)}= f_1\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr),\\[3pt] y_2^{(k_2)}= f_2\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr),\\[3pt] \cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\\ y_n^{(k_n)}=f_n\Bigl(x,y_1,y'_1,\ldots,y_1^{(k_1-1)},y_2,y'_2,\ldots,y_2^{(k_2-1)},\ldots,y_n,y'_n,\ldots,y_n^{(k_n-1)}\Bigr). \end{cases}$

(2)

Порядком системы (1) называется число $p$ , равное $p=k_1+k_2+\ldots+k_n$ .

Пример 1. Привести к каноническому виду систему дифференциальных уравнений

$\left\{\!\begin{aligned}y_2y'_1-\ln(y''_1-y_1)&=0,\\ e^{y'_2}-y_1-y_2&=0.\end{aligned}\right.$

Решение. Данная система имеет третий порядок, так как $k_1=2,~k_2=1$ и, значит, $p=3$ . Разрешая первое уравнение относительно $y''_1$ , а второе относительно $y'_2$ , получим каноническую систему

$y''_1=y_1+e^{y_2y'_1}, \quad y'_2=\ln(y_1+y_2).$

Система обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка вида

$\frac{dx_k}{dt}= f_k(t,x_1,x_2,\ldots,x_n), \quad k=1,2,\ldots,n,$

(3)

где $t$ — независимая переменная; $x_1,x_2,\ldots,x_n$ — неизвестные функции от $t$ , называется нормальной системой.

Число $n$ называется порядком нормальной системы (3). Две системы дифференциальных уравнений называются эквивалентными, если они обладают одними и теми же решениями.

Любую каноническую систему (2) можно привести к эквивалентной ей нормальной системе (3), причем порядок этих систем будет одним и тем же.

Пример 2. Привести к нормальной системе следующую систему дифференциальных уравнений:

$\left\{\!\begin{aligned}\frac{d^2x}{dt^2}-y&=0,\\ t^3\frac{dy}{dt}-2x&=0.\end{aligned}\right.$

Решение. Положим $x=x_1,~\frac{dx}{dt}=x_2,~y=x_3$ . Тогда будем иметь $\frac{dx_1}{dt}=x_2,~\frac{dy}{dt}=\frac{dx_3}{dt}$ , и данная система приведется к следующей нормальной системе третьего порядка:

$\frac{dx_1}{dt}=x_2, \quad \frac{dx_2}{dt}=x_3, \quad \frac{dx_3}{dt}=\frac{2x_1}{t^3}.$

Пример 3. Привести дифференциальное уравнение $\frac{d^2x}{dt^2}+p(t)\frac{dx}{dt}+q(x)x=0$ к нормальной системе.

Решение. Положим $x=x_1,~\frac{dx}{dt}=x_2$ , тогда $\frac{dx_1}{dt}=x_2,~\frac{d^2x}{dt^2}=\frac{dx_2}{dt}\,.$ Подставляя эти выражения в данное уравнение, получим

$\frac{dx_2}{dt}+p(t)x_2+q(x)x_1=0.$

Нормальная система будет иметь вид

$\frac{dx_1}{dt}=x_2,\quad \frac{dx_2}{dt}=-p(t)x_2-q(t)x_1\,.$

Решением системы (3) в интервале $(a,b)$ называется совокупность любых $n$ функций

$x_1=\varphi_1(t),\quad x_2=\varphi_2(t),\quad \ldots,\quad x_n=\varphi_n(t),$

определенных и непрерывно дифференцируемых в интервале $(a,b)$ , если они обращают уравнения системы (3) в тождества, справедливые для всех значений $t\in(a,b)$ .

Пример 4. Показать, что система функций $x_1=-\frac{1}{t^2},~x_2=-t\ln{t}$ , определенных в интервале $0<t<+\infty$ , является решением системы дифференциальных уравнений

$\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=2tx_1^2,\\[9pt] \dfrac{dx_2}{dt}=\frac{x_2}{t}-1.\end{cases}$

Решение. Имеем $\frac{dx_1}{dt}=\frac{2}{t^3},~\frac{dx_2}{dt}=-1-\ln{t}$ . Подставляя в уравнение данной системы вместо $x_1,\,x_2$ $\frac{dx_1}{dt}$ и $\frac{dx_2}{dt}$ их выражения через $t$ , получим тождества

$\frac{2}{t^3}\equiv\frac{2t}{t^4}\equiv\frac{2}{t^3},\quad -\ln{t}-1\equiv-\ln{t}-1,\quad 0<t<+\infty.$

Задачей Коши для системы (3) называется задача нахождения решения

$x_1=x_1(t),\quad x_2=x_2(t),\quad \ldots,\quad x_n=x_n(t)$

этой системы, удовлетворяющего начальным условиям

$x_1(t_0)=x_1^0,\quad x_2(t_0)=x_2^0,\quad \ldots,\quad x_n(t_0)=x_n^0,$

(4)

где $t_0,\,x_1^0,\,x_2^0,\,\ldots,\,x_n^0$ — заданные числа.

Теорема существования и единственности решения задачи Коши.

Пусть имеем нормальную систему дифференциальных уравнений (3) и пусть функции $f_i(t,x_1,x_2,\ldots,x_n),$ $i=1,2,\ldots,n$ , определены в некоторой n+1-мерной области $D$ изменения переменных $t,x_1,x_2,\ldots,x_n$ . Если существует окрестность $\Omega$ точки $M_0(t,x_1^0,x_2^0,\ldots,x_n^0)$ , в которой функции $f_i$ а) непрерывны, 6) имеют ограниченные частные производные по переменным $x_1,x_2,\ldots,x_n$ , то найдется интервал $t_0-h<t<t_0+h$ изменения $t$ , в котором существует единственное решение нормальной системы (3), удовлетворяющее начальным условиям (4).

Система $n$ дифференцируемых функций

$x_i=x_i(t,C_1,C_2,\ldots,C_n),\quad i=1,2,\ldots,n,$

(5)

независимой переменной $t$ и $n$ произвольных постоянных $C_1,C_2,\ldots,C_n$ называется общим решением нормальной системы (3), если: 1) при любых допустимых значениях $C_1,C_2,\ldots,C_n$ система функций (5) обращает уравнения (3) в тождества, 2) в области, где выполняются условия теоремы Коши, функции (5) решают любую задачу Коши.

Пример 5. Показать, что система функций

$\begin{cases}x_1(t)=C_1e^{-t}+C_2e^{3t},\\[3pt] x_2(t)=2C_1e^{-t}-2C_2e^{3t}\end{cases}$

(6)

является общим решением системы уравнений

$\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=x_1-x_2,\\[9pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_2-4x_1.\end{cases}$

(7)

Решение. В данном примере область $D$ есть

$-\infty<t<+\infty,\quad -\infty<x_1,x_2<+\infty.$

(8)

Подставляя функции $x_1(t)$ и $x_2(t)$ из (6) в систему уравнений (7), получаем тождества по $t$ , справедливые при любых значениях постоянных $C_1,\,C_2$ . Таким образом, условие 1), определяющее общее решение, выполнено.

Проверим выполнение условия 2). Заметим, что для системы уравнений (7) условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши выполняются во всей области $D$ , определяемой соотношениями (8). Поэтому в качестве начальных условий можно взять любую тройку чисел $t_0,\,x_1^0,\,x_2^0$ . Тогда соотношения (6) дадут для определения $C_1,\,C_2$ систему

$\begin{cases}x_1^0=C-e^{-t_0}+C_2e^{3t_0},\\[3pt] x_2^0=2Ce^{-t_0}-2C_2e^{3t_0}.\end{cases}$

Определитель этой системы $\Delta=-4e^{2t_0}\ne0$ ; следовательно, она однозначно разрешима относительно $C_1,\,C_2$ при любых $x_1^0,\,x_2^0$ и $t_0$ . Это равносильно тому, что разрешима любая задача Коши. Итак, система функций (6) является общим решением системы уравнений (7).

Решения, получающиеся из общего при конкретных значениях постоянных $C_1,C_2,\ldots,C_n$ , называются частными решениями.

Пример 6. Имея общее решение (6) системы (7), найти частное решение этой системы, удовлетворяющее начальным условиям $x_1(0)=0,$ $x_2(0)=-4$ .

Решение. Задача сводится к нахождению таких значений постоянных $C_1$ и $C_2$ , чтобы выполнялись соотношения

$0=C_1+C_2,\quad -4=2C_1-2C_2.$

Решая эту систему, находим $C_1=-1,~C_2=1$ . Искомое частное решение

$x_1(t)=-e^{-t}+e^{3t},\quad x_2(t)=-2e^{-t}-2e^{3t}.$

Замечание 1. Не всякую систему дифференциальных уравнений можно свести к одному уравнению. Например, система

$\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=-x_1,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_2\end{cases}$

распадается на два независимых уравнения. Общее решение в этом случае получается интегрированием каждого уравнения в отдельности:

$x_1=C_1\,e^{-t},\quad x_2=C_2\,e^t.$

Замечание 2. Если число уравнений в системе равно $n$ , а число искомых функций $N$ , причем $N>n$ , то такая система является неопределенной. В этом случае можно выбирать произвольно $N-n$ искомых функций (лишь бы они были нужное число раз дифференцируемыми) и в зависимости от них находить остальные $n$ функций.

Замечание 3. Если система состоит из $n$ уравнений, а число искомых функций $N$ , причем $N<n$ , то эта система может оказаться несовместной, т.е. не имеющий ни одного решения.

Пусть дана (для простоты) нормальная система двух дифференциальных уравнений

$\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=f_1(t,x_1,x_2),,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=f_2(t,x_1,x_2).\end{cases}$

(9)

Будем рассматривать систему значений $t,\,x_1,\,x_2$ как прямоугольные декартовы координаты точки трехмерного пространства, отнесенного к системе координат $Otx_1x_2$ . Решение $x_1=x_1(t),$ $x_2=x_2(t)$ принимающее при $t=t_0$ значение $x_1^0,x_2^0$ , изображает в этом пространстве некоторую линию, проходящую через точку $M_0(t_0,x_1^0,x_2^0)$ . Эта линия называется интегральной кривой (линией) нормальной системы (9).

Решение дифференциального уравнения в фазовой плоскости

Задача Коши для системы (9) получает следующую геометрическую формулировку: в пространстве переменных $(t,x_1,x_2)$ найти интегральную кривую, проходящую через данную точку $(t_0,x_1^0,x_2^0)$ . Теорема Коши устанавливает существование и единственность такой линии.

Нормальной системе (9) и ее решению можно дать еще такое истолкование. Будем независимую переменную $t$ рассматривать как время, а систему значений функций $x_1,x_2$ как прямоугольные декартовы координаты точки плоскости $x_1Ox_2$ . Эту плоскость переменных $x_1Ox_2$ называют фазовой плоскостью. В фазовой плоскости решение $x_1=x_1(t),$ $x_2=x_2(t)$ системы (9), принимающее при $t=t_0$ начальные значения $x_1^0,x_2^0$ , изображается линией $AB$ (рис.28), проходящей через точку $M_0(x_1^0,x_2^0)$ . Эту линию называют траекторией системы (фазовой траекторией). Очевидно, что траектория системы (9) есть проекция интегральной кривой на фазовую плоскость.

Система (9) определяет в каждый момент времени $t$ в данной точке $x_1,x_2$ фазовой плоскости координаты скорости $\{f_1,f_2\}$ движущейся точки.

Пример 7. Решить систему уравнений

$\frac{dx}{dt}=y,\quad \frac{dy}{dt}=-x$

(10)

при начальных условиях

$x(0)=x_0,\quad y(0)=y_0.$

(11)

Решение. Дифференцируя один раз по $t$ первое уравнение системы (10) и подставляя в полученное уравнение $\frac{dy}{dt}=-x$ , сведем систему (10) к одному уравнению второго порядка $\frac{d^2x}{dt^2}+x=0$ , образующее решение которого

$x=C_1\,\cos{t}+C_2\,\sin{t}\,.$

Так как $y=\frac{dx}{dt}$ , то $y=-C_1\,\sin{t}+C_2\,\cos{t}$ ; итак, общее решение системы (10):

$\begin{cases}x=C_1\,\cos{t}+C_2\,\sin{t}\,,\\ y=-C_1\,\sin{t}+C_2\,\cos{t}\,.\end{cases}$

(12)

Частным решением системы (10), удовлетворяющим начальным условиям (11), будет

$\begin{cases}x=x_0\,\cos{t}+y_0\,\sin{t}\,,\\ y=-x_0\,\sin{t}+y_0\,\cos{t}\,.\end{cases}$

(13)

Исключая $t$ из уравнений (13) (путем возведения в квадрат и почленного сложения), получаем фазовую траекторию

$x^2+y^2=R^2,$

(14)

где $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2}$ . Это окружность, проходящая через точку $M_0(x_0,y_0)$ . Представив уравнения (13) в виде

$x=R\sin(t+\alpha),\quad y=R\cos(t+\alpha),$

(15)

где $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2},~ \sin\alpha=\frac{x_0}{\alpha},~ \cos\alpha=\frac{y_0}{R}$ , замечаем, что уравнения (15) выражают зависимость от времени текущих координат точки $M(x(t),y(t))$ , или коротко $M(t)$ , которая начинает свое движение при $t=0$ от точки $M_0(x_0,y_0)$ и движется по окружности (14) (рис.29,а).

Направление движения точки $M(t)$ определим с помощью заданной системы (10). При $x>0$ , согласно уравнению $\frac{dy}{dt}=-x$ , величина $y$ убывает (как, например, в точке $M_1(t)$ ), а при $x<0$ величина $y$ возрастает (как, например, в точке $M_2(t)$ ). Таким образом, точка $M(t)$ движется по кривой (14) по ходу часовой стрелки. Изменяя произвольно начальные условия (11) (оставаясь, однако, в физически допустимых пределах), т. е. изменяя как угодно положение начальной точки $M_0(x_0,y_0)$ , получаем всевозможные фазовые траектории (14).

Дадим теперь другое истолкование уравнений (15) (или, что то же, уравнений (13)). В трехмерном пространстве возьмем правую декартову систему координат $Oxyz$ . Легко убедиться, что точка $N(x(t),y(t),z(t))$ (или коротко $N(t)$ ) с координатами (рис. 29,б)

$x(t)=R\sin(t+\alpha),\quad y(t)=R\cos(t+\alpha),\quad z(t)=t$

(16)

начинает свое движение при $t=0$ от начальной точки $N_0(x_0,y_0,0)$ и с возрастанием $t$ поднимается по винтовой линии (16), расположенной на цилиндре с окружностью (14) в основании и образующими, параллельными оси $Oz$ .

Очевидно, что точка $N_0$ совпадает с точкой $M_0$ и что при любом $t$ точка $N(t)$ проектируется в точку $M(t)$ на фазовой траектории. Так как точка $M(t)$ движется по ходу часовой стрелки, то интегральная кривая, описываемая точкой $N(t)$ , есть левая винтовая линия на цилиндре с окружностью (14) в основании и образующими, параллельными оси $Oz$ . При различных положениях точки $N_0(x_0,y_0,0)$ интегральные кривые системы (10), соответствующие различным значением $R=\sqrt{x_0^2+y_0^2}$ , проектируются на плоскость $xOy$ в раз личные кривые (14), а интегральные кривые, соответствующие одному и тому же значению $R$ , проектируются в одну и ту же кривую (14).

Интегралом нормальной системы (3) называется функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ , определенная и непрерывная вместе со своими частными производными первого порядка $\frac{\partial\psi}{\partial t},~\frac{\partial\psi}{\partial x_k},$ $k=1,2,\ldots,n$ , в области $D$ , если при подстановке в нее произвольного решения $x_1(t),x_2(t),\ldots,x_n(t)$ системы (3) она принимает постоянное значение, т.е. функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ зависит только от выбора решения $x_1(t),x_2(t),\ldots,x_n(t)$ , но не от переменной $t$ .

Первым интегралом нормальной системы (3) называется равенство

$\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)=C,$

где $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ — интеграл системы (3), а $C$ — произвольная постоянная. Иногда первым интегралом системы (3) называют интеграл этой системы.

Пример 8. Показать, что функция

$\psi(t,x_1,x_2)=\frac{x_2}{t}-x_1,$

(17)

определенная в области $D\colon t\ne0,\,-\infty<x_1,x_2<+\infty$ , является интегралом системы уравнений

$\begin{cases}\dfrac{dx_1}{dt}=\dfrac{x_1}{t}\,,\\[10pt] \dfrac{dx_2}{dt}=x_1+\dfrac{x_2}{t}\,,\end{cases}$

(18)

если общее решение этой системы есть

$x_1=C_1\,t,\quad x_2=C_1\,t^2+C_2\,t.$

(19)

Решение. Подставляя (19) в (17), получаем

$\psi(t,x_1,x_2)= \psi(t,C_1t,C_1t^2+C_2t)= \frac{C_1t^2+C_2t}{t}-C_1t=C_2$

в области $D$ . Следовательно, функция (17) является в области $D$ интегралом системы уравнений (18), а значит первый интеграл этой системы будет $\frac{x_2}{t}-x_1=C$ , где $C$ — произвольная постоянная.

Теорема. Для того чтобы функция $\psi(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)$ была интегралом системы (3), необходимо и достаточно выполнения условия

$\frac{\partial\psi}{\partial t}+ \sum_{k=1}^{n}f_k(t,x_1,x_2,\ldots,x_n)\frac{\partial\psi}{\partial x_k}=0$

(20)

в области $D$ .

Пример 9. Показать, что функция

$\psi(t,x_1,x_2)=\operatorname{arctg}\frac{x_1}{x_2}-t$

(21)

является интегралом системы уравнений

$\frac{dx_1}{dt}=\frac{x_1^2}{x_2},\quad \frac{dx_2}{dt}=-\frac{x_2^2}{x_1}\,.$

(22)

Решение. В данном случае

$f_1(t,x_1,x_2)=\frac{x_1^2}{x_2}\,,\quad f_2(t,x_1,x_2)=-\frac{x_2^2}{x_1}\,.$

(23)

Находим частные производные данной функции $\psi(t,x_1,x_2)$ . Имеем

$\frac{\partial\psi}{\partial t}=-1,\quad \frac{\partial\psi}{\partial x_1}=\frac{x_2}{x_1^2+x_2^2},\quad \frac{\partial\psi}{\partial x_2}=\frac{x_1}{x_1^2+x_2^2}\,.$

(24)

Подставляя (23) и (24) в левую часть (20), получаем

$\frac{\partial\psi}{\partial t}+f_1(t,x_1,x_2)\frac{\partial\psi}{\partial x_1}+ f_2(t,x_1,x_2)\frac{\partial\psi}{\partial x_2}=-1+ \frac{x_1^2}{x_2}\frac{x_2}{x_1^2+x_2^2}+ \frac{x_2^2}{x_1}\frac{x_1}{x_1^2+x_2^2}=-1+1=0$

в области $D\colon\,-\infty<t<+\infty,~x_1\ne0,~x_2\ne0$ .

Итак, функция (21) есть интеграл системы уравнений (22) и, следовательно, первый интеграл системы (22) будет

$\operatorname{arctg}\frac{x_1}{x_2}-t=C,$ где $C$ — произвольная постоянная.

Нормальная система (3) имеет бесконечное множество систем первых интегралов.

Интегралы $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ системы (3) называются независимыми относительно искомых функций $x_1,x_2,\ldots,x_n$ , если между функциями $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ не существует соотношения вида $F(\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n)=0$ ни при каком выборе функции $F$ , не зависящей явно от $x_1,x_2,\ldots,x_n$ .

Теорема. Для того чтобы функции $\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n$ , имеющие частные производные $\frac{\partial\psi_i}{\partial x_k}$ $(i,k=1,2,\ldots,n)$ , были независимыми относительно $x_1,x_2,\ldots,x_n$ в некоторой области $D$ , необходимо и достаточно, чтобы якобиан этих функций был отличен от нуля в области $D$ ,

$\frac{D(\psi_1,\psi_2,\ldots,\psi_n)}{D(x_1,x_2,\ldots,x_n)}= \begin{vmatrix}\dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_1}{\partial x_n}\\[10pt] \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_2}{\partial x_n}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\[2pt] \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_1}& \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_2} &\cdots& \dfrac{\partial\psi_n}{\partial x_n}\end{vmatrix}\ne0.$

Общим интегралом нормальной системы (3) называется совокупность $n$ независимых первых интегралов этой системы.

Если известны $k$ , где $k<n$ , независимых первых интегралов системы (3), то ее порядок можно понизить на $k$ единиц.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Список статей » Список форумов

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]