Приложения качественной теории дифференциальных уравнений к биологическим задачам

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

ну переменных, надо координаты представить как функцию новых переменных.

 

(3.2)

 

где для всех i и j. Конечно, одному набору старых координат должен соответствовать один набор новых координат и наоборот. Это значит, что отображение (3.2) должно быть взаимно однозначным, и, следовательно, М должна быть обратимой матрицей. Отсюда следует, что столбцы матрицы М должны быть линейно независимы.

Из формулы (3.2) вытекает, что

 

 

и мы видим, что - это координаты точки относительно нового базиса . Уравнение (3.1) легко можно записать через новые переменные; получим

 

 

так что

 

 

где

 

Таким образом, матрица коэффициентов В подобна А.

Подобие является отношением эквивалентности между матрицами; отсюда следует, что множество таких матриц по этому отношению распадается на классы эквивалентности. Для любых двух матриц , принадлежащих одному классу эквивалентности, системы и yсвязаны соотношением , где . Таким образом, если одна из этих систем решена, то можно получить решения для любой системы с матрицей того же класса.

Предложение 3.1 Пусть - действительная 22-матрица. Тогда существует действительная неособая матрица M такая, что принадлежит одному из нижеперечисленных типов:

 

(a) , ; (b) ; (3.3)

(c) (d),

 

Где

Определение 2. Матрица называется жордановой формой матрицы . Собственные значения матрицы (и ) - это значения , для которых

 

.

 

Здесь - след матрицы А, а - ее определитель. Таким образом, собственными значениями являются

(3.4)

 

где

 

(3.5)

 

Именно характер собственных значений определяет тип, к которому относится матрица .

Жорданова форма зависит от вида собственных значений, являются ли они действительными различными (), действительными совпадающими () или комплексными ().

(a)Действительные различные собственные значения ()

Собственные векторы матрицы А определяются из уравнений

 

(i=1, 2),

 

где - различные собственные значения.

Пусть

матрица, столбцами которой являются собственные векторы. Тогда

 

 

где

 

В случае различных действительных собственных значений собственные векторы линейно независимы и, следовательно, матрица М неособая. Так что

 

 

(b)Совпадающие собственные значения ()

Из уравнения (3.4) получаем, что . В этом случае мы должны рассмотреть две возможности.

(i)Матрица диагональная

 

 

что соответствует случаю (3.3(b)). Здесь для любой неособой матрицы М мы имеем . Следовательно, подобна только самой себе и является единственной в своем классе эквивалентности.

(ii)Матрица А недиагональная

В этом случае, так как , rank (А -) = 1 и не существует двух линейно независимых собственных векторов. Пусть - некоторый собственный вектор А. Если мы положим и выберем так, чтобы матрица была неособой, то

 

,

 

где - первый столбец единичной матрицы I.

Матрицы А и имеют одинаковые собственные значения, так что

 

,

 

где . Однако переход от М к

 

 

дает

 

,

 

что соответствует случаю (3.3 (с)).

(c)Комплексные собственные значения ()

Можно обозначить , где . Надо показать, что существует неособая матрица такая, что имеет вид (3.3(d)), или, что равносильно,

 

.

 

Записав матрицу М через ее столбцы, получим

 

 

или

 

 

Это матричное уравнение можно записать как систему четырех линейных однородных уравнений относительно неизвестных элементов матрицы М:

 

(3.6)

 

Пусть P - матрица коэффициентов в (3.5), а

 

 

Получается, что

 

,

 

где ,"> - характеристический полином матрицы A. По теореме Кэли - Гамильтона, утверждающей, что всякая квадратная матрица является корнем своего характеристического многочлена , , так что

здесь 0 - нулевая 44-матрица. Таким образом, столбцы матрицы Q являются решениями уравнения (3.6). Первый столбец Q дает

(3.7)

 

Заметим, что дискриминант имеет вид

 

 

Если то , следовательно, . Тогда и , и мы получаем, что Таким образом (3.7) дает неособую матрицу М такую, что имеет вид (3.3(d)).

Любая действительная 22-матрица А попадает в один, и только один, из указанных в (3.3) классов.

 

3.2ФАЗОВЫЕ ПОРТРЕТЫ ДЛЯ КАНОНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ПЛОСКОСТИ

 

Рассмотрим простые линейные системы.

Определение 3. Линейная система называется простой, если матрица А неособая, т. е. и А не имеет нулевых собственных значений. Тогда единственным решением уравнения

является х = 0 и система имеет единственную изолированную особую точку в начале координат фазовой плоскости. Каноническая система, соответствующая простой линейной системе, так же является простой, так как А и J имеют одинаковые собственные значения.

(а) Различные действительные собственные значения

В этом случае задается формулой (3.3(a)) с ненулевыми . Тогда система после замены примет вид:

(3.8)

 

и, следовательно,

 

(3.9)

 

где .

Если одного знака, то фазовые портреты имеют вид, изображенный на рис. 3.1 (а) и (b). особая точка в нач