分?jǐn)?shù)階微分方程_課件

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1、分?jǐn)?shù)階微分方程一、預(yù)備知識(shí)1、分?jǐn)?shù)階微積分經(jīng)典定義回顧作為分?jǐn)?shù)階微積分方程的基礎(chǔ),本書在第二章中對(duì)分?jǐn)?shù)階微積分的定義及性質(zhì)做了系統(tǒng)的介紹,為了接下來討論的需要,我們首先對(duì)其進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的回顧。(1)分?jǐn)?shù)階微積分的主要思想如上圖所示,分?jǐn)?shù)階微積分的主要思想是推廣經(jīng)典的整數(shù)階微積分,從而將微積分的概念延拓到整個(gè)實(shí)數(shù)軸,甚至是整個(gè)復(fù)平面。但由于延拓的方法多種多樣,因而根據(jù)不同的需求人們給出了分?jǐn)?shù)階微積分的不同定義方式。然而這些定義方式不僅只能針對(duì)某些特定條件下的函數(shù)給出,而且只能滿足人們的某些特定需求,迄今為

2、止,人們?nèi)匀粵]能給出分?jǐn)?shù)階微積分的一個(gè)統(tǒng)一的定義,這對(duì)分?jǐn)?shù)階微積分的研究與應(yīng)用造成了一定的困難。1、分?jǐn)?shù)階微分的定義為了滿足實(shí)際需要,下面我們?cè)噲D從形式上對(duì)分?jǐn)?shù)階微積分給出一種統(tǒng)一的表達(dá)式。分?jǐn)?shù)階微積分的主要思想是推廣經(jīng)典的累次微積分,所有推廣方法的共同目標(biāo)是以非整數(shù)參數(shù)取代經(jīng)典微積分符號(hào)中的整數(shù)參數(shù),實(shí)際上,任意的階微分都可以看成是一列一階微分的疊加:(1)由此,我們可以給出一種在很多實(shí)際應(yīng)用中十分重要的分?jǐn)?shù)階微積分的推廣方式。首先,我們假設(shè)已有一種合適的推廣方式來將一階微分推廣為()階微分,即是可實(shí)

3、現(xiàn)的。那么類似地可得到(1)的推廣式為:(2)這種推廣方式最初是由和提出來的,其中采用的是分?jǐn)?shù)階微分定義,他們稱之為序列分?jǐn)?shù)階微分。序列分?jǐn)?shù)階微分的其他形式可以通過將替換為分?jǐn)?shù)階微分、分?jǐn)?shù)階微分或其他任意形式分?jǐn)?shù)階微分來得到。進(jìn)一步,如果我們將(2)中的分?jǐn)?shù)階微分替換為不同階數(shù)的分?jǐn)?shù)階微分可得到序列分?jǐn)?shù)階微分更一般的表達(dá)式:(3)根據(jù)問題的需要,可以是分?jǐn)?shù)階微分、分?jǐn)?shù)階微分、分?jǐn)?shù)階微分或其他任意形式的分?jǐn)?shù)階微分,從這一點(diǎn)看來,我們可以說序列分?jǐn)?shù)階微分從形式上給出了分?jǐn)?shù)階微積分在時(shí)域上的一個(gè)統(tǒng)一表達(dá)式,分

4、數(shù)階微分、分?jǐn)?shù)階微分和分?jǐn)?shù)階微分都只是序列分?jǐn)?shù)階微分的一種特殊情況。故而,下面我們?cè)趯?duì)分?jǐn)?shù)階微積分方程進(jìn)行理論分析的時(shí)候可以僅僅針對(duì)序列分?jǐn)?shù)階微積分來給出結(jié)論。3、M-R序列分?jǐn)?shù)階微分的Laplace變換下面我們考慮如下形式的序列分?jǐn)?shù)階微分的Laplace變換。(4)(5)(6)在R-L分?jǐn)?shù)階微分定義下有:(7)重復(fù)利用上式次可得:(8)注:雖然上述序列分?jǐn)?shù)階微分的Laplace變換是在R-L分?jǐn)?shù)階微分定義下進(jìn)行證明的,但是該結(jié)論對(duì)其他幾種分?jǐn)?shù)階微積分也是成立的。4、泛函理論基礎(chǔ)定理1(Schauder

5、不動(dòng)點(diǎn)定理)設(shè)是空間的有界閉子集,如果是連續(xù)映射,那么在中存在不動(dòng)點(diǎn),即使得的點(diǎn)存在。定義1(Lipschitz條件)設(shè)是距離空間,是從到的映射,如果存在常數(shù),使得對(duì)所有的,則稱滿足條件,成為的常數(shù)。特別的,如果,則稱為壓縮映射。定理2(Banach壓縮映像原理)設(shè)是距離空間,是壓縮映射,則在中恰有一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)。設(shè)這個(gè)不動(dòng)點(diǎn)為,則對(duì)任何初始點(diǎn),逐次迭代點(diǎn)列,收斂于,且關(guān)于收斂速度有如下估計(jì)式:其中,是的常數(shù)。一、解的存在唯一性理論近年來,分?jǐn)?shù)階微分方程已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外引起極大的研究興趣,尤其是關(guān)于其解的性質(zhì)的

6、研究,諸如存在性及唯一性等,其中大多數(shù)的研究方法是通過把分?jǐn)?shù)階初值問題轉(zhuǎn)換成等價(jià)的分?jǐn)?shù)階積分方程,然后運(yùn)用不動(dòng)點(diǎn)定理來得到分?jǐn)?shù)階初值問題解的存在唯一性結(jié)果。已有研究結(jié)果主要有以下限制:(1)函數(shù)的定義區(qū)間為有限區(qū)間;(2)函數(shù)在定義域上需滿足條件;因此,目前人們?cè)谶@方面所做的工作都是希望設(shè)法在放寬上述兩個(gè)限制條件后給出分?jǐn)?shù)階微積分方程的解的存在唯一性定理。下面我們對(duì)分?jǐn)?shù)階微分方程初值問題的現(xiàn)有理論結(jié)果作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹,相應(yīng)的結(jié)論都是針對(duì)定義在有限區(qū)間上的M-R序列分?jǐn)?shù)階微分形式,在滿足條件下給出的,當(dāng)然

7、,由前面的介紹可知,這些結(jié)論也可直接推廣到其他分?jǐn)?shù)階微分形式。1、線性分?jǐn)?shù)階微分方程解的存在唯一性定理考慮如下形式的初值問題:且,即(11)第一步:假設(shè),考慮由此得到的退化問題解的存在唯一性。定理1如果,則方程(12)有滿足初值條件(10)的唯一解。定理的證明過程如下:步驟一通過Laplace變換證明解的存在性;下面我們?cè)O(shè)法構(gòu)造一個(gè)待求解問題解,對(duì)式(12)做Laplace變換可得:(13)其中,、分別是、的Laplace變換。利用初值條件(10)可得:(14)對(duì)上式做Laplace逆變換可得:(15)

8、步驟二由分?jǐn)?shù)階微分的線性性和Laplace變換的性質(zhì)證明唯一性。假設(shè)有存在兩個(gè)滿足上述初值問題的解、令,有分?jǐn)?shù)階微分方程的線性性可得:(16)從而有(17)由Laplace變換的性質(zhì)可知:在上幾乎處處成立。故原方程的解在上唯一。注:上述證明過程中用到的Laplace變換法是一種常用的分?jǐn)?shù)階微分方程求解方法,該方法步驟簡(jiǎn)單,適用范圍較廣,在實(shí)際中有著重要應(yīng)用,后面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。第二步:運(yùn)用第一步的結(jié)論證明原初值問題解的存在唯一性。定理2

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