Метод решения жестких краевых задач без ортонормирования (стр. 1 из 3)

Метод решения жестких краевых задач без ортонормирования

Алексей Юрьевич Виноградов к.ф.-м.н.

1. Введение.

На примере системы дифференциальных уравнений цилиндрической оболочки ракеты – системы обыкновенных дифференциальных уравнений 8-го порядка (после разделения частных производных методом Фурье).

Система линейных обыкновенных дифференциальных уравнений имеет вид:

,

где

– искомая вектор-функция задачи размерности 8х1, – производная искомой вектор-функции размерности 8х1, – квадратная матрица коэффициентов дифференциального уравнения размерности 8х8, – вектор-функция внешнего воздействия на систему размерности 8х1.

Краевые условия имеют вид:

где

– значение искомой вектор-функции на левом крае х=0 размерности 8х1, – прямоугольная горизонтальная матрица коэффициентов краевых условий левого края размерности 4х8, – вектор внешних воздействий на левый край размерности 4х1,

– значение искомой вектор-функции на правом крае х=1 размерности 8х1, – прямоугольная горизонтальная матрица коэффициентов краевых условий правого края размерности 4х8, – вектор внешних воздействий на правый край размерности 4х1.

В случае, когда система дифференциальных уравнений имеет матрицу с постоянными коэффициентами

=const, решение задачи Коши имеет вид [1]:

,

где

, где - это единичная матрица.

Матричная экспонента ещё может называться матрицей Коши или матрициантом и может обозначаться в виде:

.

Тогда решение задачи Коши может быть записано в виде:

,

где

это вектор частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений.

Вместо формулы для вычисления вектора частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений в виде [1]:

предлагается использовать следующую формулу для каждого отдельного участка интервала интегрирования:

.

Вычисление вектора частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений производиться при помощи представления матрицы Коши под знаком интеграла в виде ряда и интегрирования этого ряда поэлементно:

Эта формула справедлива для случая системы дифференциальных уравнений с постоянной матрицей коэффициентов

=const.

Вектор

может рассматриваться на участке приближенно в виде постоянной величины , что позволяет вынести его из под знака интеграла, что приводит к совсем простому ряду для вычислений на рассматриваемом участке.

Для случая дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами в приведенной выше формуле для каждого участка может использоваться осредненная матрица

коэффициентов системы дифференциальных уравнений.

Рассмотрим вариант, когда шаги интервала интегрирования выбираются достаточно малыми, что позволяет рассматривать вектор

на участке приближенно в виде постоянной величины , что позволяет вынести этот вектор из под знаков интегралов:

Известно, что при T=(at+b) имеем

В нашем случае имеем

Тогда получаем

.

Тогда получаем ряд для вычисления вектора частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений на малом участке

:

Если участок

не мал, то его можно поделить на подучастки и тогда можно предложить следующие рекуррентные (итерационные) формулы для вычисления частного вектора:

Имеем

.

Также имеем формулу для отдельного подучастка:

.

Можем записать:

,

.

Подставим

в и получим:

.

Сравним полученное выражение с формулой:

и получим, очевидно, что:

и для частного вектора получаем формулу:

.

То есть вектора подучастков

не просто складываются друг с другом, а с участием матрицы Коши подучастка.

Аналогично запишем

и подставим сюда формулу для и получим:

Сравнив полученное выражение с формулой:

очевидно, получаем, что:

и вместе с этим получаем формулу для частного вектора:

То есть именно так и вычисляется частный вектор – вектор частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений, то есть так вычисляется, например, частный вектор

на рассматриваемом участке через вычисленные частные вектора , , соответствующих подучастков , , .

2. Метод решения жестких краевых задач без ортонормирования – метод сопряжения участков, выраженных матричными экспонентами.

Разделим интервал интегрирования краевой задачи, например, на 3 участка. Будем иметь точки (узлы), включая края:

.

Имеем краевые условия в виде:

Можем записать матричные уравнения сопряжения участков:

,