Во многих задачах математического анализа рассматриваются ситуации, в которых каждая точка одного пространства ставится в соответствие некоторой точке другого (или того же) пространства. Пространства могут быть абстрактными, в которых «точки» в действительности являются функциями. Соответствие между двумя точками устанавливается с помощью преобразования или оператора. В задачу теории операторов входит подробное описание и классификация различных видов преобразований и их свойств, а также разработка символических методов, позволяющих минимизировать и упростить вычисления. Обычно теорию операторов применяют к пространствам, в которых допускается сложение или умножение точек, т.е. линейным пространствам, группам, кольцам, полям и т.д.

Проблемы и приложения.

Пусть D и R – действительные линейные или векторные пространства, необязательно различные. Их элементами являются векторы, поэтому сумма двух элементов и произведение элемента на скаляр определены и удовлетворяют обычным условиям, предъявляемым к векторам. Существование конечных базисов в D и R необязательно. Пусть r , вектор из R , соответствует вектору d из D . Обозначим это соответствие T (d ) = r или Td = r . Тогда T называется оператором с областью определения D и областью значений R . Оператор T является дистрибутивным, если

где λ и λ" – любые действительные числа, а d и d" – любые элементы из D . Если D и R – топологические векторные пространства, в которых λd и d + d" – непрерывные операции, то дистрибутивный непрерывный оператор называется линейным оператором. Если Q содержит D и R , то T 2 (d ) определяется как T (T (d )) и аналогичным образом определяется T n (d ), если все эти операции имеют смысл.

Операционное исчисление позволяет осуществить абстрактные постановки задач и обобщить такие разделы математического анализа, как теория дифференциальных и интегральных уравнений. Мощным стимулом для развития теории операторов стали современные проблемы квантовой теории. Наиболее полные результаты получены для дистрибутивных операторов в т.н. гильбертовом пространстве. Интерес к этой области во многом связан с представлением таких операторов интегральными преобразованиями.

Двумя важными дистрибутивными операторами являются операторы дифференцирования p и интегрирования p –1 . Элементами линейных пространств D и R в этом случае будут функции переменной x . Имеем

где m и n – неотрицательные целые числа. Так как интегрирование приводит к появлению произвольной постоянной, p –1 p необязательно является тождественной операцией p 0 . Формальные правила комбинирования таких операторов восходят к Дж.Булю (1815–1864); например,

В исчислении Хевисайда, разработанном О.Хевисайдом (1850–1925), пространство D ограничено областью определения функций f (x ), тождественно равных нулю при отрицательных x . Главную роль играет функция 1(x ), равная 0 при отрицательных x и 1 при неотрицательных x . Приведем некоторые «правила» исчисления Хевисайда:

Если n ! заменить гамма-функцией Г(n + 1), то первое из правил останется в силе и при нецелых n (определение гамма-функции см . ФУНКЦИЯ).

Основным результатом операционного исчисления принято считать теорему о композиции, или свертке, согласно которой, если F 1 (p )1(x ) = f 1 (x ) и F 2 (p )1(x ) = f 2 (x ), то

Применяя теорему о свертке к p a при a ≠ 0, –1, –2,..., можно определить интегрирование или дифференцирование дробного порядка. Например, рассмотрим выражение

где функция y (x ) и ее первые n – 1 производных обращаются в нуль при x = 0. Пусть y (x ) = Y (p )1(x ), g (x ) = G (p )1(x ). Примем

Предположим, что f (x ) = F (p ) –1 1(x ). Тогда

Стандартные правила включают в себя различные алгоритмы, связанные с разложениями на элементарные дроби рациональных функций асимптотических рядов и т.д. На практике y (x ) = Y (p )1(x ) часто записывают в виде y (x ) ~ Y (p ) или .

К тем же общим результатам приводит и теория функций замкнутого цикла В.Вольтерры (1860–1940). Близкие теории были построены для других операторов, например для x (d /dx ) и для более общих ситуаций с несколькими операциями, Вольтеррой, Пинкерле и др. Для прикладных математиков основное преимущество операционного исчисления Хевисайда заключается в сведении трансцендентных задач с независимой переменной x к алгебраическим задачам для функций, зависящих от p . Чаще всего метод Хевисайда применяется при решении дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, разностных уравнений и интегральных уравнений с ядром K (x , t ) = K (x – t ). В общем случае при распространении методов операционного исчисления на более сложные уравнения теряется характер «чистой алгебраизации».

Строгое обоснование соотношения F (p )1(x ) = f (x ) было дано с помощью интегральных преобразований Лапласа или Фурье, или абстрактно, в терминах операторов в некоторых линейных топологических пространствах, таких, как гильбертово пространство. Такой подход позволил установить условия применимости эвристических правил.

Как решить дифференциальное уравнение
методом операционного исчисления?

На данном уроке будет подробно разобрана типовая и широко распространенная задача комплексного анализа – нахождение частного решения ДУ 2-го порядка с постоянными коэффициентами методом операционного исчисления . Снова и снова избавляю вас от предубеждения, что материал немыслимо сложный и недоступный. Забавно, но для освоения примеров можно вообще не уметь дифференцировать, интегрировать и даже не знать, что такое комплексные числа . Потребуется навык применения метода неопределённых коэффициентов , который детально разобран в статье Интегрирование дробно-рациональных функций . Фактически краеугольным камнем задания являются обычные алгебраические действия, и я уверен, что материал доступен даже для школьника.

Сначала сжатые теоретические сведения о рассматриваемом разделе математического анализа. Основная суть операционного исчисления состоит в следующем: функция действительной переменной с помощью так называемого преобразования Лапласа отображается в функцию комплексной переменной :

Терминология и обозначения:
функция называется оригиналом ;
функция называется изображением ;
заглавной буквой обозначается преобразование Лапласа .

Говоря простым языком, действительную функцию (оригинал) по определённым правилам нужно превратить в комплексную функцию (изображение). Стрелочка обозначает именно это превращение. А сами «определенные правила» и являются преобразованием Лапласа , которое мы рассмотрим лишь формально, чего для решения задач будет вполне достаточно.

Осуществимо и обратное преобразование Лапласа, когда изображение превращается в оригинал:

Зачем всё это нужно? В ряде задач высшей математики бывает очень выгодно перейти от оригиналов к изображениям , поскольку в этом случае решение задания значительно упрощается (шутка). И как раз одну из таких задач мы и рассмотрим. Если вы дожили до операционного исчисления, то формулировка должна быть вам хорошо знакома:

Найти частное решение неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами при заданных начальных условиях .

Примечание: иногда дифференциальное уравнение может быть и однородным: , для него в вышеизложенной формулировке также применим метод операционного исчисления. Однако в практических примерах однородное ДУ 2-го порядка встречается крайне редко, и далее речь пойдёт о неоднородных уравнениях.

И сейчас будет разобран третий способ – решение ДУ с помощью операционного исчисления. Ещё раз подчеркиваю то обстоятельство, что речь идёт о нахождении частного решения , кроме того, начальные условия строго имеют вид («иксы» равны нулям).

К слову, об «иксах». Уравнение можно переписать в следующем виде:
, где «икс» – независимая переменная, а «игрек» – функция. Я не случайно об этом говорю, поскольку в рассматриваемой задаче чаще всего используются другие буквы:

То есть роль независимой переменной играет переменная «тэ» (вместо «икса»), а роль функции играет переменная «икс» (вместо «игрека»)

Понимаю, неудобно конечно, но лучше придерживаться обозначений, которые встречаются в большинстве задачников и методичек.

Итак, наша задача с другими буквами записывается следующим образом:

Найти частное решение неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами при заданных начальных условиях .

Смысл задания нисколько не изменился, изменились только буквы.

Как решить данную задачу методом операционного исчисления?

Прежде всего, потребуется таблица оригиналов и изображений . Это ключевой инструмент решения, и без неё не обойтись. Поэтому, по возможности, постарайтесь распечатать указанный справочный материал. Сразу же поясню, что обозначает буква «пэ»: комплексную переменную (вместо привычного «зет»). Хотя для решения задач этот факт не имеет особого значения, «пэ» так «пэ».

С помощью таблицы оригиналы и необходимо превратить в некоторые изображения. Далее следует ряд типовых действий, и используется обратное преобразование Лапласа (тоже есть в таблице). Таким образом, будет найдено искомое частное решение.

Все задачи, что приятно, решаются по достаточно жесткому алгоритму.

Пример 1

, ,

Решение: На первом шаге перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям. Используем левую сторону .

Сначала разбираемся с левой частью исходного уравнения. Для преобразования Лапласа справедливы правила линейности , поэтому все константы игнорируем и по отдельности работаем с функцией и её производными.

По табличной формуле №1 превращаем функцию:

По формуле №2 , учитывая начальное условие , превращаем производную:

По формуле №3 , учитывая начальные условия , превращаем вторую производную:

Не путаемся в знаках!

Признаюсь, правильнее говорить не «формулы», а «преобразования», но для простоты время от времени буду называть начинку таблицы формулами.

Теперь разбираемся с правой частью, в которой находится многочлен . В силу того же правила линейности преобразования Лапласа, с каждым слагаемым работаем отдельно.

Смотрим на первое слагаемое: – это независимая переменная «тэ», умноженная на константу. Константу игнорируем и, используя пункт №4 таблицы, выполняем преобразование:

Смотрим на второе слагаемое: –5. Когда константа находится одна-одинёшенька, то пропускать её уже нельзя. С одиночной константой поступают так: для наглядности её можно представить в виде произведения: , а к единице применить преобразование:

Таким образом, для всех элементов (оригиналов) дифференциального уравнения с помощью таблицы найдены соответствующие изображения:

Подставим найденные изображения в исходное уравнение :

Дальнейшая задача состоит в том, чтобы выразить операторное решение через всё остальное, а именно – через одну дробь. При этом целесообразно придерживаться следующего порядка действий:

Для начала раскрываем скобки в левой части:

Приводим подобные слагаемые в левой части (если они есть). В данном случае складываем числа –2 и –3. Чайникам настоятельно рекомендую не пропускать данный этап:

Слева оставляем слагаемые, в которых присутствует , остальные слагаемые переносим направо со сменой знака:

В левой части выносим за скобки операторное решение , в правой части приводим выражение к общему знаменателю:

Многочлен слева следует разложить на множители (если это возможно). Решаем квадратное уравнение:

Таким образом:

Сбрасываем в знаменатель правой части:

Цель достигнута – операторное решение выражено через одну дробь.

Действие второе. Используя метод неопределенных коэффициентов , операторное решение уравнения следует разложить в сумму элементарных дробей:

Приравняем коэффициенты при соответствующих степенях и решим систему:

Если возникли затруднения с , пожалуйста, наверстайте упущенное в статьях Интегрирование дробно-рациональной функции и Как решить систему уравнений? Это очень важно, поскольку разложение на дроби, по существу, самая важная часть задачи.

Итак, коэффициенты найдены: , и операторное решение предстаёт перед нами в разобранном виде:

Обратите внимание, что константы записаны не в числителях дробей. Такая форма записи выгоднее, чем . А выгоднее, потому что финальное действие пройдёт без путаницы и ошибок:

Заключительный этап задачи состоит в том, чтобы с помощью обратного преобразования Лапласа перейти от изображений к соответствующим оригиналам. Используем правый столбец таблицы оригиналов и изображений .

Возможно, не всем понятно преобразование . Здесь использована формула пункта №5 таблицы: . Если подробнее: . Собственно, для похожих случаев формулу можно модифицировать: . Да и все табличные формулы пункта №5 очень легко переписать аналогичным образом.

После обратного перехода искомое частное решение ДУ получается на блюдечке с голубой каёмочкой:

Было:

Стало:

Ответ: частное решение:

При наличии времени всегда желательно выполнять проверку. Проверка выполняется по стандартной схеме, которая уже рассматривалась на уроке Неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка . Повторим:

Проверим выполнение начального условия :
– выполнено.

Найдём первую производную:

Проверим выполнение второго начального условия :
– выполнено.

Найдём вторую производную:

Подставим , и в левую часть исходного уравнения :

Получена правая часть исходного уравнения.

Вывод: задание выполнено правильно.

Небольшой пример для самостоятельного решения:

Пример 2

С помощью операционного исчисления найти частное решение дифференциального уравнения при заданных начальных условиях.

Примерный образец чистового оформления задания в конце урока.

Наиболее частный гость в дифференциальных уравнениях, как многие давно заметили, экспоненты, поэтому рассмотрим несколько примеров с ними, родными:

Пример 3

, ,

Решение: С помощью таблицы преобразований Лапласа (левая часть таблицы) перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям.

Сначала рассмотрим левую часть уравнения. Там отсутствует первая производная. Ну и что из того? Отлично. Работы поменьше. Учитывая начальные условия , по табличным формулам №№1,3 находим изображения:

Теперь смотрим на правую часть: – произведение двух функций. Для того чтобы воспользоваться свойствами линейности преобразования Лапласа, нужно раскрыть скобки: . Так как константы находятся в произведениях, то на них забиваем, и, используя группу №5 табличных формул, находим изображения:

Подставим найденные изображения в исходное уравнение:

Напоминаю, что дальнейшая задача состоит в том, чтобы выразить операторное решение через единственную дробь.

В левой части оставляем слагаемые, в которых присутствует , остальные слагаемые переносим в правую часть. Заодно в правой части начинаем потихоньку приводить дроби к общему знаменателю:

Слева выносим за скобки, справа приводим выражение к общему знаменателю:

В левой части получен неразложимый на множители многочлен . Если многочлен не раскладывается на множители, то его, бедолагу, сразу нужно сбросить на дно правой части, забетонировав ноги в тазике. А в числителе раскрываем скобки и приводим подобные слагаемые:

Наступил самый кропотливый этап: методом неопределенных коэффициентов разложим операторное решение уравнения в сумму элементарных дробей:


Таким образом:

Обратите внимание, как разложена дробь: , скоро поясню, почему именно так.

Финиш: перейдем от изображений к соответствующим оригиналам, используем правый столбец таблицы:

В двух нижних преобразованиях использованы формулы №№6,7 таблицы, и дробь предварительно раскладывалась как раз для «подгонки» под табличные преобразования.

В результате, частное решение:

Ответ: искомое частное решение:

Похожий пример для самостоятельного решения:

Пример 4

Найти частное решение дифференциального уравнения методом операционного исчисления.

Краткое решение и ответ в конце урока.

В Примере 4 одно из начальных условий равно нулю. Это, безусловно, упрощает решение, и самый идеальный вариант, когда оба начальных условия нулевые: . В этом случае производные преобразуются в изображения без хвостов:

Как уже отмечалось, наиболее сложным техническим моментом задачи является разложение дроби методом неопределенных коэффициентов , и в моём распоряжении есть достаточно трудоёмкие примеры. Тем не менее, монстрами запугивать никого не буду, рассмотрим ещё пару типовых разновидностей уравнения:

Пример 5

Методом операционного исчисления найти частное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее заданным начальным условиям.
, ,

Решение: С помощью таблицы преобразований Лапласа перейдем от оригиналов к соответствующим изображениям. Учитывая начальные условия :

С правой частью тоже никаких проблем:

(Напоминаю, что константы-множители игнорируются)

Подставим полученные изображения в исходное уравнение и выполняем стандартные действия, которые, я надеюсь, вы уже хорошо отработали:

Константу в знаменателе выносим за пределы дроби, главное, потом про неё не забыть:

Думал, выносить ли ещё дополнительно двойку из числителя, однако, прикинув, пришел к выводу, что данный шаг практически не упростит дальнейшего решения.

Особенностью задания является полученная дробь. Кажется, что её разложение будет долгим и трудным, но впечатление обманчиво. Естественно, бывают сложные вещи, но в любом случае – вперёд, без страха и сомнений:

То, что некоторые коэффициенты получились дробными, смущать не должно, такая ситуация не редкость. Лишь бы техника вычислений не подвела. К тому же, всегда есть возможность выполнить проверку ответа.

В результате, операторное решение:

Перейдем от изображений к соответствующим оригиналам:

Таким образом, частное решение:

ОПЕРАЦИОННОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ - совокупность методов прикладного математического анализа, позволяющих экономными и непосредственно ведущими к цели средствами получать решения линейных дифференциальных уравнений, а также разностных и некоторых типов интегральных уравнений. В связи с этим методы операционного исчисления находят самое широкое применение в механике, электротехнике, автоматике и в других самых разнообразных отраслях науки и техники. В основе операционного исчисления лежит идея функционального преобразования: некоторой функции вещественного переменного t, определенной при положительных значениях аргумента, называемой начальной функцией или оригиналом, с помощью линейного интегрального преобразования ставится в соответствие функция другого переменного р, называемая изображением. Подобное преобразование «оригинал - изображение» можно осуществить так, чтобы операциям дифференцирования и интегрирования начальных функций соответствовали алгебраические операции в области изображений. Это дает возможность находить с помощью простейших алгебраических действий изображения решений исходных дифференциальных уравнений, затем разыскивать соответствующую начальную функцию, т. е. решение осуществляется с помощью некоторых простых правил и «каталога» наиболее часто встречающихся изображений. В более сложных задачах приходится прибегать к обратному функциональному преобразованию: изображение - оригинал. Первые сочинения, посвященные операционному исчислению, появились в середине прошлого века. Русским математиком М. Е. Ващенко-Захарченко в монографии «Символическое исчисление и приложение его к интегрированию линейных дифференциальных уравнений», вышедшей в Киеве в 1862 г., были поставлены и частично разрешены основные задачи того метода, который в дальнейшем получил название операционного. Систематическое применение операционного исчисления к решению физических и технических задач началось с появления в 1892 г. работ английского ученого О. Хевисайда. Сущность операционного исчисления можно проиллюстрировать на примере с наиболее часто встречающимся в прикладных задачах классом начальных кусочно-непрерывных функций f(t) вещественной переменной t, определенных при tt<0. Из класса кусочно-непрерывных начальных функций выделяется и в дальнейшем рассматривается подкласс функций, характеризуемых определенным порядком роста при весьма больших значениях аргумента t, а именно: |f(t)| < Ме s o t , где М и s o - независимые от t числа. Если р=s+iσ - некоторое комплексное число, то при указанных ограничениях, накладываемых на функцию f(t), интеграл

существует и представляет регулярную в полуплоскости Rе р>s o функцию от р, называемую лапласовым интегралом функции f (t).
Функцию F (p), введенную по закону:

называют изображением начальной функции или оригинала f(t). Ряд свойств изображения (**), например изображения производной f’ (t):

и изображения интеграла

делают очевидным тот факт, что преобразование (*) переводит операции дифференцирования и интегрирования в операции умножения и деления на комплексное переменное р. Пользуясь основными свойствами изображения, составляются изображения некоторых простейших функций - «каталог» изображений. «Каталог» изображений простейших функций и теоремы разложения Хевисайда, дающие возможность отыскать начальную функцию, когда изображение F (р) является полиномом или отношением двух полиномов, позволяют простейшим способом найти решение большой группы обыкновенных линейных дифференциальных и разностных уравнений с постоянными коэффициентами. Но многочисленные задачи приводят к изображениям, не сводящимся к имеющимся в «каталоге». Существует общее средство построения начальной функции по ее изображению - так называемая формула обращения Римана-Меллина.

Мы будем изучать операционное исчисление как один из методов решения линейных обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и систем таких уравнений. Каких-либо решающих преимуществ этот метод перед другими не имеет; в то же время его простота сделала его основным инструментом при решении задачи Коши в целом ряде прикладных наук (механике, радиотехнике, электротехнике и т.д.).

Идея операционного исчисления состоит в следующем. Пространство функций, удовлетворяющих некоторым достаточно общим условиям (пространство функций-оригиналов) взаимно однозначно отображается в другое пространство функций (пространство функций-изображений) так, что операциям дифференцирования и интегрирования в пространстве функций-оригиналов соответствуют более простые операции (конкретно - операции умножения и деления) в пространстве функций-изображений. В результате дифференциальное уравнение в пространстве функций-оригиналов преобразуется в линейное алгебраическое уравнение в пространстве функций-изображений, решение которого находится без проблем. Последнее действие - восстановление решения уравнения по его изображению.

Таким образом, мы должны изучить следующие вопросы:

20.1. Определение функции-оригинала и её изображения по Лапласу.

20.1.1. Определение. Будем называть функцией-оригиналом действительнозначную или комплекснозначную функцию f (t ) действительной переменной t , удовлетворяющую условиям:

1.f (t ) = 0 при t < 0;

2. Существуют такие постоянные M > 0 и
, что
;

3. На любом отрезке
функция удовлетворяет условиям Дирихле (т.е. непрерывна или имеет конечное число устранимых разрывов и разрывов первого рода; монотонна или имеет конечное число экстремумов).

Смысл этих условий такой.

1. Так как одно из основных приложений операционного исчисления - решение задач с начальными условиями (задач Коши), то поведение функций до начального момента
несущественно;

2. Параметр во втором условии принято называть показателем роста функции f (t ). Само второе условие означает, что скорость роста функции-оригинала не может быть больше экспоненциальной. В совокупности с третьим условием это обеспечивает существование и определенные полезные свойства функции-изображения и не является обременительным.

Приведём примеры функций-оригиналов. Для всех этих функций первое и третье свойства выполняются очевидно, поэтому будем проверять только второе свойство.

Для функции
получаем:
при
, поэтому
.

3. f (t ) = sin t .
и т.д.

Примеры функций, не являющихся оригиналами:

20.1.2. Определение. Изображением по Лапласу функции-оригинала f (t ) (или преобразованием Лапласа функции f (t )) называется функция комплексной переменной p , определяемая равенством

.

Интеграл в правой части этого определения сходится абсолютно в любой точкеp , удовлетворяющей неравенству
, где - произвольной число, такое, что
. Действительно, (так как ) = , а интеграл сходится. Таким образом, мы доказали, что изображение F (p ) определено в любой точке p , такой что
, т.е. в полуплоскости справа от прямой
. Как следствие, показатель скорости роста оригинала число часто называют абсциссой сходимости.

Заметим, что мы доказали также, что
: так как , то

. Кроме того, в оценке мы мажорировали модуль подынтегральной функции функцией, не зависящей от p , интеграл от которой сходится. Как и в теории степенных рядов, этого достаточно, чтобы сходимость интеграла была равномерной по переменной p , поэтому функцию F (p ) можно дифференцировать и интегрировать по этой переменной.