O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli bir jinsli differensial tenglamalar sistemasini matritsalar yordamida integrallash R E J A: 1. O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli bir jinsli differensial tenglamalar sistemasi 2. O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli bir jinsli differensial tenglamalar sistemasini yechish usullari 3. O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli bir jinsli differensial tenglamalar sistemasini matritsalar usulida yechish O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamalar sistemasi. Bunday sistemaning sodda ko’rinishi dyi n a ij y j f i ( x) dx j 1 (1) (i 1, n) dan iborat, bunda a ij o’zgarmas sonlar. f i (x) esa ko’rilayotgan oraliqda aniqlangan va uzluksiz funksiyadir. Ma’lumki, bir jinsli bo’lmagan chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topish uchun, unga mos bo’lgan bir jinsli chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topishga to’g’ri keladi. Shuning uchun xam biz dastavval o’zgarmas koeffisiyentli bir jinsli chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini kvadraturasiz topish usulini qaraymiz. Bir jinsli, o’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamalar sistemasi berilgan bo’lsin. n dyi a ij y j dx j 1 (2) Ma’lumki (2) sistemani, unga ekvivalent bo’lgan bitta 𝑛-tartibli differensial tenglamaga keltirish mumkin. Shuning uchun (2) sistemasining xususiy yechimlarini (3) y1 1 e x , y 2 2 e x ,......, y n n e x ko’rinishda izlaymiz. Bunda i va lar o’zgarmas sonlardir. Ularni shunday tanlab olamizki (3), (2) sistemani qanoatlantirsin. Buning uchun (2) ga (3) olib borib qo’yamiz. n n j 1 j 1 i e x aij j ex yoki i a ij j buni ochib yozsak (a11 ) 1 a12 2 a13 3 ..... a1n n 0 (4). a 21 1 (a 22 ) 2 a 23 3 ..... a 2 n n 0 a a a ..... (a ) 0 n2 2 n3 3 nn n n1 1 Bu 1 , 2 ,...., n , larga nisbatan bir jinsli algebraik tenglamalar sistemasidir.Bu sistema trivial bo’lmagan yechimga ega bulishligi uchun, uning asos determinanti nolga teng bo’lishi zarur. a11 a12 a13 .....a1n (5). ( ) a 21 a 22 a 23 .....a 2 n 0 a n1 an2 a n 3 .......a nn (5) ga (2) sistemaga mos bo’lgan xarakteristik tenglama deyiladi. Uning ildizlariga xarakteristik son deyiladi. (5) ga nisbatan n- darajali algebraik tenglamadir (3), (2) sistemaning xususiy yechimi bo’lishligi uchun (5) xarakteristik tenglamaning ildizi bo’lishi kerak. (4) ning koeffisiyentlaridan ushbu matrisani tuzamiz a11 a12 a13 .....a1n (6). ( ) a 21 a 22 a 23 .....a 2 n a n1 a n 3 .......a nn an2 a) Faraz etaylik xarakteristik tenglamaning 1 , 2 ,..., n ildizlari haqiqiy va bir-biriga teng bo’lmasin. Agar j ildizni (5) ga olib borib qo’ysak ( j ) 0 (7) bo’ladi. Isbot etamizkim j qiymatda (5) determinantning xech bo’lmaganda 𝑛 − 1 tartibli minorlaridan biri nolga teng bo’lmaydi. Haqiqatan xam j xarakteristik tenglamaning oddiy ildizi bo’lgani uchun d( ) ( j ) 0 (8) d j nolga teng bo’lmaydi. Ikkinchi tomondan 1 a12 ... a1n a11 ( ) 0 a 22 ..... a 2 n a 21 0 a n 2 ... a nn a n1 a11 a12 a 21 a 22 ... a n1 a n 2 ... 0 0 a1n 1... a 2n 0... a nn (9) n 0 kk ( ) 1 r 1 Bunda kk ( ), ( ) determinantdagi a kk elementining algebraik tuldiruvchisi bo’ladi.Agar j kiymatini (9) keltirib qo’ysak (8) ga asosan kk ( j ) larning xech bo’lmaganda biri nolga teng bo’lmaydi, ya’ni (9) dagi n-1 tartibli determinantlardan xech bo’lmaganda biri nolga teng bo’lmaydi. Bundan, (6) matrisaning rangi n-1 ga tengligi kelib chiqadi. Ya’ni (4) sistemadagi tenglamalardan biri qolganlarini natijasi ekanligi kelib chiqadi. U xolda (4) sistema trivial bo’lmagan j1 , j 2 ,..., jn yechimlarga ega . Lekin matrisaning rangi n-1 ga teng bo’lgani uchun, bu ildizlar bir-biridan o’zgarmas songa fark kiladi. j1 c j A j1 , j 2 c j A j 2 ,.... jn c j A jn , Bunda A ji lar o’zgarmas sonlardir. Agar c j 1 teng deb, bu qiymatlarni (3) ga qo’ysak, xarakteristik tenglamaning j ildiziga mos bo’lgan (2) sistemaning xususiy yechimlari. (10) y j1 A j1e jx , y j 2 A j 2 e jx ,......y jn A jn e jx , ga ega bo’lamiz. Ma’lumki (2) sistemaning xususiy yechimlarini biror o’zgarmas songa ko’paytirsak, xosil bo’lgan ifoda yana berilgan sistemaning yechimi bo’ladi. Shunga kura, xarakteristik tenglamaning 1 , 2 ,..., n ildizlari uchun yukoridagi muloxazalarni ishlatsak, sistemaning n- ta (10) ko’rinishdagi xususiy yechimlarini aniqlash mumkin. Isbot etish mumkinkim, bu topilgan xususiy yechimlar, berilgan sistemaning fundamental yechimlar sistemasini tashkil etadi. Misol 1 x 2 x y y 3x 4 y x 1e t y 2 et tenglamaga qo' ysak (2 ) 1 2 0 3 1 (4 ) 2 0 (*) xarakteristik tenglama tuzamiz 2 1 0 2 6 5 0 3 4 1 2 0 1 1 3 1 3 2 0 3 1 2 0 2 5 1 2 x11 e t 2 3 1 x21 e 5t 3 1 2 0 x(t ) c1 x11 c2 x21 c1e t c2 e 5t t 5t y (t ) c1 x12 c2 x22 c1e 3c2 e 1 1, 2 5 2 1 1 1 y12 e t c1 1 1 2 3 y 22 3e 5t c2 b) Farazetaylikxarakteristiktenglama 1 i konpleksildizgaegabo’lsin. Xarakteristiktenglamaningkoeffisiyentlarihaqiqiysonalardaniboratbo’lganiuc hunu i gaqo’shmabo’lgan 2 i kompleksildizgaxamegabo’ladi.. Xarakteristik tenglamaning 1 i ildiziga mos bo’lgan (2) sistemaning yechimi y j j e ( i ) x j ex e ix j ex (cos x i sin x) j kompleks son bo’lgani uchun uni j 1 / i 2 / ko’rinishda yozish mumkin. U xolda y j ( ij i 2 j )e x (cos x sin x) e x ( ij cos x 2 j sin x) ie x ( ij sin x 2 j cos x) y ij e x ( ij cos x 2 j sin x) y 2 j e x ( ij sin x 2 j cos x) ( j 1, n) yechimlarga ega bulamiz. Bundan kurinadikim xarakteristik tenglamaning bir juft kompleks ildiziga (2) sistemaning 2 ta haqiqiy yechimi mos keladi. Misol 2 x x y x 1e t y 2 e t y 2 x 3 y (1 ) 1 2 0 2 1 (3 ) 2 0 2 4 x 5 0 1 1 2 3 1, 2 2 i 0 1 2 i (1 i ) 1 2 0 2 (1 i ) 1 1 1 2 ( 1 i ) 0 1 2 ( 2 i ) t 2 t ~ x e e (cos t i sin t ) ~ y (1 i )e ( 2i ) t e 2 t (cos t i sin t ) (cos t sin t ) x11 e 2t cos t y12 e 2t (cos t sin t ) x 21 e 2t sin t y 22 e 2t (cos t sin t ) 2 1 i c1 , c 2 x(t ) c1 e 2t cos t c2 e 2t sin t e 2t (c1 cos t c2 sin t) 2t y (t ) e (c1 c 2 ) cos t ( c2 c1 ) sin t v) Faraz etaylik xarakteristik tenglama karrali ildizlarga ega bulsin. U xolda sistemaning umumiy yechimini oldingi metodlar bilan topa olmaymiz. Lekin bu xolda xam uning umumiy yechimini elementar funksiyalar yordamida topish mumkin. O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamada qurgan edikim agar j xarakteristik tenglamaning k- karrali ildizi bo’lsa, tenglamaning bu ildizlariga mos bo’lgan k ta chiziqli bog’liq bo’lmagan yechimlari mavjud bo’ladi. Sistema uchun kuyidagi teoremani isbotsiz keltiramiz. TEOREMA. Agar j xarakteristik tenglamaning k karrali ildizi bulsa, bu ildizga mos bo’lgan (2) sistemaning yechimlari x x x y1 pk(1)1 ( x)e , y2 pk(1)1 ( x)e ,.....yn pk(1)1e (11) ko’rinishda bo’ladi. Bunda p k( i)1 ( x) (i 1n) lar𝑥 ga nisbatan darajasi k 1 dan katta bo’lmagan ko’p xadlilardir. Bu ko’p xadlilarning xar birida 𝑘ta o’zgarmas sonlar j j j qatnashadi. Bu ko’pxadlilarning xammasidagi xamma koeffisiyentlardan 𝑘 tasi ixtiyoriy bo’lib, qolgan koeffisiyentlar shu 𝑘 ta koeffisiyentlar orqali ifodalanadi.Xususiy xolda p k(i)1 ( x) ko’pxadlilar o’zgarmas songa teng bo’lishi mumkin. Bu xolda j xarakteristik ildizga mos bo’lgan (2) sistemaning yechimi y i i e jx (1 1n) bo’ladi. Bundagi i sonlardan k tasi ixtiyoriy bo’lib, qolgan k n koeffisiyentlar ular orqali ifodalanadi. Amaliyotda p k(i)1 ( x) ko’pxadlilarning koeffisiyentlarini topish uchun, ularni berilgan (2) sistemaga kuyib, bu ko’pxadlalarning koeffisiyentlariga nisbatan tenglamalar sistemasiga ega bulamiz. Bu koeffisiyentlardan k tasini ixtiyoriy deb, qolgan koeffisiyentlarni ular orqali ifodasini topamiz. Misol 3 x 1 e t y 2 e t z 3 e t x 2 x y z y 2 x y 2 z z x y 2 z 2 1 1 (2 ) 1 2 3 0 2 (1 ) 2 0 2 1 (1 ) 2 2 3 0 (2 ) 0 1 1 2 2 3 1 ( 1) 3 0 1, 2,3 1 x ( a1 a 2 t a 3 t 2 ) e t 2 t y (b1 b2 t b3 t )e 2 t z ( q1 q 2 t q 3 t ) e bularni berilgan tenglama kuyib, aniqmas koeffisiyentlar metodidan foydalansak a i , bi , q i i 1,2,3 larga nisbatan tenglamalar sistemasiga ega bulamiz. a1 a 2 b1 q1 0 a1 b1 q1 q 2 0 a 2 2a 3 b2 q 2 0 a 2 b2 q 2 2q 3 0 a 3 b3 q 3 0 a 3 b3 q 3 0 2a1 2b2 b2 2q1 0 2a 2 2b2 2b3 2q 2 0 2a 3 2b3 2q 3 0 bulardan a 2 a1 b1 q1 a3 0 b3 0 q3 0 b2 2a1 2b1 1q1 q 2 a1 b1 q1 yechimlar x a1 (a1 b1 q1 )t e t y b1 2(a1 b1 q1 )t e t x q1 (a1 b1 q1 )t e t xususiy yechimlarni topish a1 1 b1 0 q1 0 1) x11 (1 t )e t y12 2te t z13 te t a1 0 b1 1 q1 0 2) x 21 te t y 22 (1 2t )e t z 23 te t a1 0 b1 0 q1 1 3) x 31 te t y 32 2te t z 33 (1 t )e t Agar da a1 c1 b1 c 2 a1 b1 q1 c 3 desak x(t ) (c1 c 3 t )e t t y (t ) (c 2 2c 3 t )e t z (t ) (c1 c 3 c 3 ) c 3 t e O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli differensial tenglamalar sistemasi dyi n a ij y j (i 1, n) (1) dx j 1 berilgan bo’lsin. Ma’lumki (1) sistemani vektorli dy Ay (2) dx ko’rinishda xam yozish mumkin. Bunda a11 a12 a1n y1 a a a y2 22 2n A 21 , y a n1 a n 2 a nn yn Birustunlimatrisayoki𝑛o’lchovlivectorustun (2) vektorlitenglamauchunKoshimasalasi y10 y0 y ( x 0 ) y 0 , y 0 2 colon ( y10 , y 20 ,..., y n0 ) y0 n (2)tenglamani yechimini y Be x (3) ko’rinishda izlaymiz. Bunda B, n 1 tartibli matrisa 1 B 2 n (3) ni (2) ga keltirib qo’ysak Be x ABe x yoki ( A E ) B 0 (4) tenglama ega bo’lamiz. Bunda E birlik matrisa 1 0 0 0 1 0 E , 0 0 1 0 0 trivial bo’lmagan B matrisa (4) tenglamani qanoatlantirishi uchun 0 ( A E ) (5) matirisaning maxsus bo’lishi zarur va yetarlidir. Ya’ni uning determinanti det( A E ) A E 0 (6). (6) ga (2) sistemaga mos bo’lgan xarkteristik tenglama deyiladi. soniga A matrisaning xos qiymati, V vektor esa λ ga mos bo’lgan xos vektor deyiladi. (6) xarkteristik tenglamaning xar bir λk ildizi uchun (4) tenglamadan nolga teng bo’lmagan 1( k ) (k ) B 2 (k ) n Matrisanianiqlaymiz. (2) vektorlitenglamaningixtiyoriy𝑛 −tachiziqlibog’liqbo’lmagan Y1 ( x), Y2 ( x),...,Yn ( x) vektorli yechimlarga (2) tenglamaning fundamental yechimlar sistemasi deyiladi. Bunda quyidagi xollar bo’lishi mumkin. 1xol Xrakteristik tenglamaning ildizlari haqiqiyva bir-biriga teng emas. U xolda (2) tenglama n-ta yechimlarga ega bo’lib ularni (7) Yk B ( k ) e k x (k 1, n) ko’rinishda yozish mumkin. Isbot etish mumkinkim bular (2) tenglamaning fundamental yechim sistemasini tashkil etadi.U xolda (2) tenglamaning umumiy yechimi n n y c k B ( k ) e kx c k y k k 1 (8) k 1 dan iborat bo’ladi. 6 1 A 3 2 A E 0 Misol-1 y Ay ( A E ) B 0 6 1 0 12 8 15 0 1 3 2 5 3 2 ( A 1 E ) B (1) (1) 3 1 1 0 (1) 3 1 2 3 1(1) 2(1) 0 3 1(1) 2(1) 1 B (1) 3 ( A 1 E ) B 1( 2) 2( 2) 1(1) 1 2(1) 3 1 y1 B (1) e 3t e 3t 3 ( 2) 0 ( 2) 1 1 1 0 ( 2) 3 3 2 1( 2) 1 2( 2) 1 1 B ( 2) 1 1 y 2 e 5t 1 1 1 y c1 y1 c 2 y 2 c1 e 3t c 2 e 5t 3 1 2 xolxarakteristiktenglama k p qi kompleksildizgaegabo’lsinBuxolda (2) tenglamaningyechimibuildizgamosbo’lganyechimi y k B ( k ) e ( p qi ) x B ( k ) e px e iqx B ( k ) e px (cos qx i sin qx) B (k ) kompleks son bo’lgani uchun uni (k ) (k ) 11 21 (k ) (k ) ( k ) ( k ) k B B1 iB 2 12 i 22 1(nk ) 2( kn) ko’rinishda yozish mumkin ( A B)C AC BC ga asosan (k ) (k ) 11 21 (k ) (k ) ~ y k e px 12 i 22 (cos qx i sin qx) .... .. ( k ) ( k ) 1n 2 n (k ) (k ) (k ) (k ) 11 cos qx 21 sin qx i 21 cos qx 11 sin qx (k ) (k ) (k ) (k ) cos qx 22 sin qx i 22 cos qx 12 sin qx e px 12 ...................................................................... (k ) (k ) (k ) (k ) 1n cos qx 2 n sin qx i 2 n cos qx 1n sin qx (1) (k ) (k ) 11 cos qx 21 sin qx y1k e px ............................. ; y 2 k e px ( k ) (k ) cos qx sin qx 1 n 2 n px y c1 y1k c 2 y 2 k c1e (1) c 2 e px (2) Misol 3 2 dy Ay A dx 4 1 A E B 0 3 2 4 1 A E 0 0 2 2 5 0 y y 1 y 2 1, 2 1 2i 2 3 1 2i 1 0 4 1 1 2i 2 2 2i 1 2 2 0 1 i 1 2 A 1 E B 0 1 1 ( 2) (k ) (k ) 11 sin qx 21 cos qx ............................. ( k ) (k ) sin qx cos qx 1 n 2 n 2 1 i 1 ~ cos 2 x i sin 2 x y B (1) e 1 2i x e x B (1) e 2ix e x 1 i cos 2 x i sin 2 x e x cos 2 x sin 2 x i sin 2 x cos 2 x cos 2 x sin 2 x c 2 e x y c1e x cos 2 x sin 2 x sin 2 x cos 2 x y1 c1e x cos 2 x c 2 e x sin 2 x y 2 c1e x (cos 2 x sin 2 x) c 2 e x (sin 2 x cos 2 x) 3 xol. Agarxarakteristiktenglamar-karraliλsildizgaegabo’lsa, uxolda, buildizgamosbo’lgan (2) tenglamaningyechimi y ( x) B1( s ) B2( s ) x B3( s ) x 2 ... Br( s ) x r 1 e s x dan iborat buladi. Misol-2 1 2 A 2 3 A E B 0 A E 0 dy Ay dx 1 2 2 3 0 ( 1) 2 0 1, 2 1 A A y 1 2 x e x 0 B1 B 2 buni berilgan tenglamaga qo’yamiz A A A 1 2 A1 A2 1 2 x e x 2 e x B B B 2 3 B1 B2 2 1 2 bundan x x e A1 A2 x A2 A1 2 B1 A1 x 2 B 2 x B1 B 2 x B 2 2 A1` 3B1 2 A2 x 3B 2 x A1 , A2 ixtiyoriy А1 А2 А1 2 B1 2 B1 2 А1 А2 А2 А2 2 B 2 2 B 2 2 A2 B1 B 2 2 А1 3B1 B 2 2 А2 3B 2 B1 A1 A2 2 B 2 A2 A2 x A1 A2 x A1 e x A2 x e A2 y A2 x A1 A1 A 2 2 2 1 2x c1 e x c 2 e x 1 2 x 1 A2 c2 2 Endi (2) tenglamaning 𝑛 ta chiziqli bog’liq bo’lmagan yechimlaridan y(x) matrisani tuzamiz. A1 c1 nxn y1 ( x) y1 ( x) y12 ( x).....y1n ( x) Y ( x) y 2 ( x) y 21 ( x) y 22 ( x).....y 2 n ( x) y ( x) y ( x) y ( x).....y ( x) n n1 n2 nn u xolda dY A( x)Y (9) dx ga matrisali tenglama deyiladi. det Y ( x) W ( x) ga Vronskiy determinanti deyiladi. Agar U(x) matrisa, (9) matrisiali tenglamani qanoatlantirsa, unga (9) tenglamaning integrali yoki fundamental matrisasi deyiladi. (matrisali yechim) Bundan ko’rinadikim chiziqli differensiali tenglamalar sistemasini n dyi dy dY Pij ( x) y j ni A( x) y vektorli ravishda yoki A( x)Y dx j 1 dx dx matrisali ravishda yozish mumkin. Bu tenglamalr orasidagi boglanish shundan iboratki n x n Y (x) matrisali yechimning ustunlari (2) tenglamaning uzaro chiziqli bog’liq bo’lmagan vektorli yechimlarni tashkil etadi. Agar A(x) matrisa funksiya, o’zgarmas matrisa bo’lsa. a11 a12 .....a1n А a 21 a 22 .....a 2 n a n1 a n 2 .....a nn o’zgarmas koeffisiyentli matrisali dY AY dx tenglamaning yechimini Y Be x ko’rinishda izlaymiz bunda B n 1 tartibli matrisa 1 B 2 n Agar o’zgarmas matrisa uchun Ah h tenglik bajarilsa, u xolda son A matrisaning xos soni (xos qiymati), h vektorga esa ga mos bo’lgan xos vektor deyiladi. TEOREMA.Y(x) matrisa (9) tenglamaning fundamental matrisasi bo’lishi x ( , ) oraliqdagi qiymatlar uchun det Y ( x) W ( x) 0 shartining bajarilishi zarur va yetarlidir. TEOREMA 2.Agar y1 ( x) matrisa (9) tenglamaning biror intervalda aniqlangan matrisali yechimi bo’lsa u xolda y1 ( x )c xam bu tenglamaning yechimi buladi. d (Y1c) Ya’ni A(t ) (Y , c) dx S, n x 1 tartibli ixtiyoriy o’zgarmas matrisa xakikatan xam dY1 (10) A( x)Y1 dx tenglamaning ikki tomonini ungdan C matrisaga kupaytiramiz. dY1 C A( x)Y1C dx \C o’zgarmas matrisa bo’lgani uchun d (Y1C ) A( x)(Y1C ) dx ya’ni Y1C (9) tenglamani yechimi buladi. Xulosa Bu kurs ishida O’zgarmas koeffisiyentli chiziqli bir jinsli differensial tenglamalar sistemasini matritsalar usulida yechish haqida keltirib o’tilgan. Bunday sistemaning sodda ko’rinishi dyi n a ij y j f i ( x) dx j 1 (1) (i 1, n) dan iborat, bunda a ij o’zgarmas sonlar. f i (x) esa ko’rilayotgan oraliqda aniqlangan va uzluksiz funksiyadir. Ma’lumki, bir jinsli bo’lmagan chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topish uchun, unga mos bo’lgan bir jinsli chiziqli differensial tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topishga to’g’ri keladi. Tenglamalar sistemasini bu usulda yechish turli misollar yordamida tushuntirilgan. Foydalanilgan a d a b i y o t l a r: С. А. Агафонов, А. Д. Герман, Т. В. Муратова. “Дифференциальные уравнения.” Учебник для вузов -М. Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999.336с (Серия Математика в техническом университете ;Вып. VIII),Глава 5 параграф 2. Романко В. К. Курс дифференциальных уравнений и вариационного исчисления. - 2-е изд. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 - 344 с. 3. Дифференциальные уравнения. Виленкин Н.Я., Доброхотова М.А., Сафонов А.Н. (1984, 176с.) 4. Дифференциальные уравнения в задачах и примерах. (Учебно-метод. пос.) Пушкарь Е.А. (МГИУ; 2007, 158с.) 5. Internetsaytlari: www.ziyonet.uz www.alleng.ru www.ru.wikipedia.org