Ряд Пеано
— бесконечная сумма, в которой слагаемые получены последовательным применением операторов интегрирования и перемножения матриц.
Ряд Пеано предложен в 1888 году
Джузеппе Пеано
для определения матрицанта системы обыкновенных дифференциальных уравнений нормального вида
. Общая теория и свойства матрицантов для системы уравнений нормального вида (СНВ) разработаны Ф. Р. Гантмахером
.
В последние годы алгоритмы, основанные на применения ряда Пеано, широко применяются для решения прикладных задач
. В связи с развитием вычислительной техники появилась возможность реализовать подобные алгоритмы не только в аналитическом, но и в численном и в численно-аналитическом виде.
Определение
Система линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами нормального вида (СНВ):
,
где
— вектор неизвестных функций,
— матрица коэффициентов
— вектор заданных функций (вектор «нагрузок»).
.
Общее решение системы дифференциальных уравнений нормального вида выражается через матрицу фундаментальных решений (матрицант):
.
,
Дж. Пеано показал, что матрицант матрицы
представим в виде операторного ряда:
,
где
— единичная матрица. При этом матрица
должна быть ограниченной и интегрируемой матричной функцией в рассматриваемом промежутке изменения аргумента. Ряд сходится абсолютно и равномерно в любом замкнутом интервале, в котором матрица А непрерывна.
Оператор интегрирования представляет собой интеграл с переменным верхним пределом:
.
Из этих выражений следует, что
.
.
Возможна и другая, физически более удобная, форма представления общего решения:
.
Здесь
— вектор начальных значений, которые заданы при
.
— вектор внешних воздействий, которые действуют при
. Не нарушая общности, можно считать, что
.
Таким образом, если переменная физически представляет время, то общее решение представляет собой решение задачи Коши, а если переменная физически представляет расстояние, то общее решение представляет собой решение краевой задачи в виде метода начальных параметров[1].
Область сходимости ряда Пеано
Ряд Пеано сходится в заданном интервале изменения
абсолютно и равномерно, если сходится мажорантный ряд
,
.
Следовательно, сходимость ряда определяется величиной наибольшего значения интеграла от абсолютного значения функций
в заданном интервале изменения
.
Применение ряда Пеано к решению линейных дифференциальных уравнений
Линейное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами
можно свести к эквивалентной системе уравнений нормального вида введя обозначение
.
Продифференцировав это равенство, получим:
Эти равенства можно рассматривать как уравнения СНВ при
. Последнее уравнение можно получить из исходного уравнения перенеся все члены, кроме
, в правую часть, записав их в обратном порядке и выразив производные через переменные с соответствующим номером:
Тогда получаем эквивалентную систему нормального вида:
.
Матрица
и вектор
этой системы имеют вид:
;
.
В векторе
каждый последующий элемент является производной от предыдущего. Следовательно, каждая последующая строка в
, начиная со второй, является производной от предыдущей:
Если обозначить
, то матрицант можно представить в виде:
Таким образом, матрицант для эквивалентной системы нормального вида, представляет собой матрицу Вронского[1], причем система фундаментальных решений нормирована в нуле.
Ряд Пеано при решении дифференциальных уравнений второго порядка
Рассмотрим уравнение с произвольными переменными коэффициентами:
.
Это уравнение сводится к системе нормального вида:
;
;
.
Если
, то элементы матрицанта можно представить в виде:
Если интегралы берутся, то решение представимо в виде рядов по некоторым функциям. В качестве примера применения этих формул рассмотрим уравнение колебаний
,
.
Элементы матрицанта получаем в виде следующих рядов:
;
.
Элементы второй строки в матрицанте получаются дифференцированием первой строки:
.
Большой практический интерес представляет решение задачи Штурма-Лиувилля[1] для уравнений вида:
.
В этом случае элементы рядов будут умножаться на соответствующую степень числа
. Например:
При выполнении граничных условий на краях промежутка изменения аргумента эти формулы позволяют составить полином, корни которого дают весь спектр собственных чисел [4].
Реализация алгоритма в численном виде
В тех случаях, когда интегралы не берутся или получаются слишком сложные и громоздкие выражения, возможен численный алгоритм решения задачи. Интервал изменения аргумента разбивается множеством узлов на достаточно малые равные промежутки. Все функции, участвующие в решении задачи, задаются множеством значений в узлах сетки. Каждая функция имеет свой вектор значений в узлах сетки. Все интегралы вычисляются численно, например, с помощью метода трапеций.
Решение прикладных задач
Алгоритмы, основанные на применения ряда Пеано, применяются при решении задач статики, динамики и устойчивости для стержней, пластин и оболочек с переменными параметрами. При расчете двумерных систем применяются методы понижения размерности. При расчете оболочек вращения параметры оболочки и нагрузки в окружном направлении описываются тригонометрическими рядами. Система уравнений нормального вида составляется для каждой гармоники, описывающей изменение свойств оболочки, усилий и деформаций в продольном направлении, и получается общее решение краевой задачи. Эта часть задачи обычно решается численно. Затем с помощью условий совместности эти гармоники объединяются, и получается напряженно-деформированное состояние оболочки, изменяющееся в продольном и окружном направлении.
Примечания
-
Peano G. Integration par series des equations differentielles lineaires, Math. Ann. 32 (1888), 450—456.
-
Математическая энциклопедия. Том 3 и 4. Гл. редактор И. М. Виноградов. — М.: Изд-во Советская Энциклопедия. 1982.
-
Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — М.: Наука, 1967. — 575 с.
-
Улитин В. В. Ряд Пеано и матрицанты при решении прикладных задач: монография. — СПб.: Изд-во «Парк Ком», 2012. −164 с.