विशेषता समीकरण (कलन): Difference between revisions
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गणित में, विशेषता समीकरण (या सहायक समीकरण<ref name="edwards" /> [[एक बहुपद की डिग्री]] का | गणित में, विशेषता समीकरण (या सहायक समीकरण<ref name="edwards">{{cite book|last1=Edwards |first1=C. Henry |last2=Penney |first2=David E. |others=David Calvis |title=Differential Equations: Computing and Modeling |publisher=Pearson Education |location=[[Upper Saddle River]], [[New Jersey]] |pages=156–170 |chapter=Chapter 3 |isbn=978-0-13-600438-7}}</ref>) [[एक बहुपद की डिग्री|एक बहुपद की घात]] {{mvar|n}} का [[बीजगणितीय समीकरण]] है, जिस पर दिए गए nवें क्रम के अवकल समीकरण<ref name="smith">{{cite web|url=http://etc.usf.edu/lit2go/contents/2800/2892/2892_txt.html|title=History of Modern Mathematics: Differential Equations|last=Smith|first=David Eugene|publisher=[[University of South Florida]]}}</ref> या [[रैखिक अंतर समीकरण|अंतर समीकरण]] का समाधान निर्भर करता है।<ref>{{cite book|last=Baumol|first=William J.|title=आर्थिक गतिशीलता|url=https://archive.org/details/economicdynamics0000baum_c7i2|url-access=registration|edition=3rd|date=1970|page=[https://archive.org/details/economicdynamics0000baum_c7i2/page/172 172]}}</ref><ref>{{cite book|last=Chiang|first=Alpha|title=गणितीय अर्थशास्त्र के मौलिक तरीके|url=https://archive.org/details/fundamentalmetho0000chia_h4v2|url-access=registration|edition=3rd|date=1984|pages=[https://archive.org/details/fundamentalmetho0000chia_h4v2/page/578 578], 600|isbn=9780070107809 }}</ref> विशेषता समीकरण तभी बन सकता है, इसी प्रकार जब अवकल या अंतर समीकरण रेखीय और सजातीय हो और स्थिर गुणांक रखता हो,<ref name="edwards" /> ऐसा अवकल समीकरण, जिसमें y [[निर्भर चर]] है, और {{math|''a''<sub>''n''</sub>, ''a''<sub>''n'' − 1</sub>, ..., ''a''<sub>1</sub>, ''a''<sub>0</sub>}} स्थिरांक के रूप में, सुपरस्क्रिप्ट {{math|(''n'')}} nth-अवकलज को दर्शाता है, | ||
:<math>a_{n}y^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_{1}y' + a_{0}y = 0,</math> | :<math>a_{n}y^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_{1}y' + a_{0}y = 0,</math> | ||
प्रपत्र का एक विशिष्ट समीकरण होता है, | |||
:<math>a_{n}r^{n} + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_{1}r + a_{0} = 0</math> | :<math>a_{n}r^{n} + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_{1}r + a_{0} = 0</math> | ||
जिनके | इसी प्रकार जिनके समाधान {{math|''r''<sub>1</sub>, ''r''<sub>2</sub>, ..., ''r''<sub>''n''</sub>}} वे मूल हैं जिनसे सामान्य विलयन बनाया जा सकता है।<ref name="edwards" /><ref name=eFunda>{{cite web |url=http://www.efunda.com/math/ode/linearode_consthomo.cfm |title=स्थिर गुणांक वाले रेखीय सजातीय साधारण विभेदक समीकरण|last1=Chu |first1=Herman |last2=Shah |first2=Gaurav |last3=Macall |first3=Tom |publisher=eFunda |accessdate=1 March 2011}}</ref><ref name="cohen">{{cite book|last=Cohen|first=Abraham|title=विभेदक समीकरणों पर एक प्राथमिक ग्रंथ|url=https://archive.org/details/anelementarytre01cohegoog|publisher=[[D. C. Heath and Company]]|year=1906}}</ref> अनुरूपतः, एक रेखीय अंतर समीकरण का रूप, | ||
:<math>y_{t+n} = b_1y_{t+n-1} + \cdots + b_ny_{t}</math> | :<math>y_{t+n} = b_1y_{t+n-1} + \cdots + b_ny_{t}</math> | ||
विशेषता समीकरण है | विशेषता समीकरण है, | ||
:<math>r^n - b_1r^{n-1} - \cdots - b_n =0,</math> | :<math>r^n - b_1r^{n-1} - \cdots - b_n =0,</math> | ||
निरंतर | इसी प्रकार अधिक विस्तार से निरंतर गुणांक के साथ रैखिक पुनरावृत्ति पर सजातीय स्थिति के समाधान पर चर्चा की गई है। | ||
विशेषता मूल (विशेषता समीकरण की [[एक बहुपद की जड़|एक बहुपद की मूल]]) चर के व्यवहार के बारे में गुणात्मक जानकारी भी प्रदान करती हैं जिसका विकास गतिशील समीकरण द्वारा वर्णित है। इस प्रकार समय पर परिचालित एक विभेदक समीकरण के लिए, चर का विकास स्थिर है यदि और केवल यदि प्रत्येक मूल का [[वास्तविक भाग]] नकारात्मक है, और केवल यदि प्रत्येक मूल का मापांक 1 से कम हो तो अंतर समीकरणों के लिए, स्थिरता होती है। दोनों प्रकार के समीकरणों के लिए, कम से कम एक जोड़ी सम्मिश्र मूलों के होने पर लगातार उतार-चढ़ाव होता है। | |||
[[लियोनहार्ड यूलर]] द्वारा निरंतर गुणांक वाले रैखिक [[साधारण अंतर समीकरण]] को एकीकृत करने की विधि की खोज की गई, जिन्होंने उसमे पाया कि समाधान एक बीजगणितीय 'विशेषता' समीकरण पर निर्भर है।<ref name="smith" /> इसी प्रकार यूलर के विशिष्ट समीकरण के गुणों पर पश्चात में फ्रांसीसी गणितज्ञ [[ऑगस्टिन-लुई कॉची]] और [[गैसपार्ड मोंगे]] द्वारा अधिक विस्तार से विचार किया गया था।<ref name="smith" /><ref name="cohen" /> | |||
== व्युत्पत्ति == | == व्युत्पत्ति == | ||
अचर गुणांक {{math|''a''<sub>''n''</sub>, ''a''<sub>''n'' − 1</sub>, ..., ''a''<sub>1</sub>, ''a''<sub>0</sub>}} के साथ एक रेखीय सजातीय अवकल समीकरण से प्रारंभ करना, | |||
:<math>a_n y^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_1 y^\prime + a_0 y = 0,</math> | :<math>a_n y^{(n)} + a_{n-1}y^{(n-1)} + \cdots + a_1 y^\prime + a_0 y = 0,</math> | ||
यह देखा जा सकता है कि | यह देखा जा सकता है कि यदि {{math|''y''(''x'') {{=}} ''e''<sup> ''rx''</sup>}} है, तो प्रत्येक पद {{math|''e''<sup> ''rx''</sup>}} का एक स्थिर गुणक होता है। यह इस तथ्य से परिणामित होता है कि घातीय फलन {{math|''e''<sup> ''rx''</sup>}} का व्युत्पन्न स्वयं का गुणक है, इसलिए, {{math|''y''′ {{=}} ''re''<sup> ''rx''</sup>}}, {{math|1=''y''″ = ''r''<sup>2</sup>''e''<sup> ''rx''</sup>}}, और {{math|1=''y''<sup>(''n'')</sup> = ''r''<sup>''n''</sup>''e''<sup> ''rx''</sup>}} सभी गुणक हैं। इससे पता चलता है कि {{mvar|r}} के कुछ मान {{math|''e''<sup> ''rx''</sup>}} के गुणकों को शून्य करने की अनुमति देते है, इस प्रकार सजातीय अंतर समीकरण को समाधान करते है।<ref name="eFunda" /> {{mvar|r}} का समाधान करने के लिए, {{math|1=''y'' = ''e''<sup> ''rx''</sup>}} और इसके यौगिक को अंतर समीकरण में स्थानापन्न कर सकते हैं, | ||
:<math>a_n r^n e^{rx} + a_{n-1}r^{n-1}e^{rx} + \cdots + a_1 re^{rx} + a_0 e^{rx} = 0</math> | :<math>a_n r^n e^{rx} + a_{n-1}r^{n-1}e^{rx} + \cdots + a_1 re^{rx} + a_0 e^{rx} = 0</math> | ||
चूँकि {{math|''e''<sup> ''rx''</sup>}} कभी भी शून्य के बराबर नहीं हो सकता है, इसे विशेषता समीकरण देते हुए विभाजित किया जा सकता है, | |||
:<math>a_n r^n + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_1 r + a_0 = 0.</math> | :<math>a_n r^n + a_{n-1}r^{n-1} + \cdots + a_1 r + a_0 = 0.</math> | ||
इस विशेषता समीकरण में, r के मूलों को समाधान करके, कोई भी अवकल समीकरण का सामान्य समाधान खोज सकता है।<ref name="edwards" /><ref name="cohen" /> उदाहरण के लिए, यदि {{mvar|r}} के मूल 3, 11 और 40 के बराबर हैं, तो सामान्य समाधान होगा <math>y(x) = c_1 e^{3 x} + c_2 e^{11 x} + c_3 e^{40 x}</math>, जहाँ c1, c2 और c3 मनमाने स्थिरांक हैं जिन्हें सीमा और/या प्रारंभिक स्थितियों द्वारा निर्धारित करने की आवश्यकता है। | |||
== सामान्य समाधान का गठन == | == सामान्य समाधान का गठन == | ||
इसकी | इसी प्रकार इसकी मूलों, {{math|''r''<sub>1</sub>, ..., ''r''<sub>''n''</sub>}} के लिए विशेषता समीकरण को समाधान करने से, अवकल समीकरण का सामान्य समाधान ज्ञात किया जा सकता है। मूल वास्तविक या सम्मिश्र हो सकती हैं, साथ ही भिन्न या दोहराई जा सकती हैं। यदि एक विशेष समीकरण में विशिष्ट वास्तविक मूलों वाले भाग हैं, h दोहराए गए मूल, या k सम्मिश्र मूल {{math|''y''<sub>D</sub>(''x'')}}, {{math|''y''<sub>R<sub>1</sub></sub>(''x''), ..., ''y''<sub>R<sub>''h''</sub></sub>(''x'')}}, और {{math|''y''<sub>C<sub>1</sub></sub>(''x''), ..., ''y''<sub>C<sub>''k''</sub></sub>(''x'')}}, क्रमशः, तो अंतर समीकरण का सामान्य समाधान है, | ||
:<math>y(x) = y_\mathrm{D}(x) + y_{\mathrm{R}_1}(x) + \cdots + y_{\mathrm{R}_h}(x) + y_{\mathrm{C}_1}(x) + \cdots + y_{\mathrm{C}_k}(x)</math> | :<math>y(x) = y_\mathrm{D}(x) + y_{\mathrm{R}_1}(x) + \cdots + y_{\mathrm{R}_h}(x) + y_{\mathrm{C}_1}(x) + \cdots + y_{\mathrm{C}_k}(x)</math> | ||
=== उदाहरण === | === उदाहरण === | ||
स्थिर गुणांकों के साथ रेखीय सजातीय अवकल समीकरण | स्थिर गुणांकों के साथ रेखीय सजातीय अवकल समीकरण | ||
:<math>y^{(5)} + y^{(4)} - 4y^{(3)} - 16y'' -20y' - 12y = 0</math> विशेषता समीकरण है | :<math>y^{(5)} + y^{(4)} - 4y^{(3)} - 16y'' -20y' - 12y = 0</math> | ||
:विशेषता समीकरण है, | |||
:<math>r^5 + r^4 - 4r^3 - 16r^2 -20r - 12 = 0</math> | :<math>r^5 + r^4 - 4r^3 - 16r^2 -20r - 12 = 0</math> | ||
[[गुणन]]खंडन द्वारा विशेषता समीकरण में | [[गुणन]]खंडन द्वारा विशेषता समीकरण में | ||
:<math>(r - 3)(r^2 + 2r + 2)^2 = 0</math> | :<math>(r - 3)(r^2 + 2r + 2)^2 = 0</math> | ||
कोई देख सकता है कि | कोई देख सकता है कि {{mvar|r}} के लिए समाधान विशिष्ट एकल मूल {{math|''r''<sub>1</sub> {{=}} 3}} और डबल सम्मिश्र मूल {{math|''r''<sub>2,3,4,5</sub> {{=}} 1 ± ''i''}} हैं। यह वास्तविक-मूल्यवान सामान्य समाधान के अनुरूप है, | ||
:<math> y(x) = c_1 e^{3x} + e^x(c_2 \cos x + c_3 \sin x) + xe^x(c_4 \cos x + c_5 \sin x)</math> | :<math> y(x) = c_1 e^{3x} + e^x(c_2 \cos x + c_3 \sin x) + xe^x(c_4 \cos x + c_5 \sin x)</math> | ||
स्थिरांक के साथ {{math|''c''<sub>1</sub>, ..., ''c''<sub>5</sub>}}. | स्थिरांक के साथ {{math|''c''<sub>1</sub>, ..., ''c''<sub>5</sub>}}. | ||
=== | === विशिष्ट वास्तविक मूल === | ||
रैखिक सजातीय | इसी प्रकार रैखिक सजातीय अवकल समीकरणों के लिए सुपरपोज़िशन सिद्धांत कहता है कि यदि {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}} किसी विशेष अवकल समीकरण के {{mvar|n}} [[रैखिक रूप से स्वतंत्र]] समाधान हैं, तो {{math|''c''<sub>1</sub>''u''<sub>1</sub> + ⋯ + ''c<sub>n</sub>u<sub>n</sub>''}} भी सभी मानों {{math|''c''<sub>1</sub>, ..., ''c<sub>n</sub>''}} के लिए एक समाधान है।<ref name="edwards" /><ref name="dawkins">{{cite web|url=http://tutorial.math.lamar.edu/Classes/DE/PDETerminology.aspx|title=विभेदक समीकरण शब्दावली|last=Dawkins|first=Paul|work=Paul's Online Math Notes|accessdate=2 March 2011}}</ref> इसलिए, यदि विशेषता समीकरण के भिन्न वास्तविक मूल {{math|''r''<sub>1</sub>, ..., ''r<sub>n</sub>''}} हों, तो एक व्यापक समाधान इस रूप का होता है, | ||
:<math> y_\mathrm{D}(x) = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x} + \cdots + c_n e^{r_n x} </math> | :<math> y_\mathrm{D}(x) = c_1 e^{r_1 x} + c_2 e^{r_2 x} + \cdots + c_n e^{r_n x} </math> | ||
=== पुनरावृत्त वास्तविक मूल === | |||
यदि विशेषता समीकरण का मूल {{math|''r''<sub>1</sub>}} है जिसे {{mvar|k}} बार दोहराया जाता है, तो यह स्पष्ट है कि {{math|1=''y''<sub>p</sub>(''x'') = ''c''<sub>1</sub>''e''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}} कम से कम एक समाधान है।<ref name="edwards" /> चूंकि, इसी प्रकार इस समाधान में अन्य {{math|''k'' − 1}} मूलों से रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधानों का अभाव है। चूँकि {{math|''r''<sub>1</sub>}} की बहुलता {{mvar|k}} है, इसलिए अवकल समीकरण का गुणनखंड किया जा सकता है।<ref name="edwards" /> | |||
<math>\left ( \frac{d}{dx} - r_1 \right )^k y = 0 .</math> | |||
तथ्य यह है कि {{math|1=''y''<sub>p</sub>(''x'') = ''c''<sub>1</sub>''e''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}} एक समाधान है जो किसी को यह मानने की अनुमति देता है कि सामान्य समाधान {{math|1=''y''(''x'') = ''u''(''x'')''e''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}} के रूप में हो सकता है, जहां {{math|''u''(''x'')}} निर्धारित किया जाने वाला एक फ़ंक्शन है। इसी प्रकार प्रतिस्थापन {{math|''ue''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}} देता है। | |||
:<math>\left( \frac{d}{dx} - r_1 \right)\! ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}\left(ue^{r_1 x}\right) - r_1 ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}(u)e^{r_1 x} + r_1 ue^{r_1 x}- r_1 ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}(u)e^{r_1 x}</math> | :<math>\left( \frac{d}{dx} - r_1 \right)\! ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}\left(ue^{r_1 x}\right) - r_1 ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}(u)e^{r_1 x} + r_1 ue^{r_1 x}- r_1 ue^{r_1 x} = \frac{d}{dx}(u)e^{r_1 x}</math> | ||
जब {{math|1=''k'' = 1}}, इस तथ्य को {{mvar|k}} बार लागू करने पर, यह अनुसरण करता है। | |||
:<math>\left( \frac{d}{dx} - r_1 \right)^k ue^{r_1 x} = \frac{d^k}{dx^k}(u)e^{r_1 x} = 0.</math> | :<math>\left( \frac{d}{dx} - r_1 \right)^k ue^{r_1 x} = \frac{d^k}{dx^k}(u)e^{r_1 x} = 0.</math> | ||
{{math|''e''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}} को विभाजित करके, इसी प्रकार यह देखा जा सकता है, | |||
:<math>\frac{d^k}{dx^k}(u) = u^{(k)} = 0.</math> | :<math>\frac{d^k}{dx^k}(u) = u^{(k)} = 0.</math> | ||
इसलिए, | इसलिए, {{math|''u''(''x'')}} के लिए सामान्य स्थिति {{math|''k'' − 1}} घात का एक [[बहुपद]] है, जिससे कि {{math|1=''u''(''x'') = ''c''<sub>1</sub> + ''c''<sub>2</sub>''x'' + ''c''<sub>3</sub>''x''<sup>2</sup> + ⋯ + ''c<sub>k</sub>x''<sup>''k'' −1</sup>}}<ref name="cohen" /> चूँकि {{math|1=''y''(''x'') = ''ue''<sup> ''r''<sub>1</sub>''x''</sup>}}, {{math|''r''<sub>1</sub>}} के संगत सामान्य समाधान का भाग है। | ||
:<math>y_\mathrm{R}(x) = e^{r_1 x}\!\left(c_1 + c_2 x + \cdots + c_k x^{k-1}\right).</math> | :<math>y_\mathrm{R}(x) = e^{r_1 x}\!\left(c_1 + c_2 x + \cdots + c_k x^{k-1}\right).</math> | ||
=== सम्मिश्र मूल === | |||
इस प्रकार यदि दूसरे क्रम के अवकल समीकरण में {{math|''r''<sub>1</sub> {{=}} ''a'' + ''bi''}} और {{math|''r''<sub>2</sub> {{=}} ''a'' − ''bi''}} के रूप की जटिल संयुग्मी मूलों वाला विशेषता समीकरण है, {{math|''y''(''x'') {{=}} ''c''<sub>1</sub>''e''<sup>(''a'' + ''bi'' )''x''</sup> + ''c''<sub>2</sub>''e''<sup>(''a'' − ''bi'' )''x''</sup>}} तो सामान्य समाधान तदनुसार, यूलर के सूत्र द्वारा, जो बताता है कि {{math|''e<sup>iθ</sup>'' {{=}} cos ''θ'' + ''i'' sin ''θ''}}, इस समाधान को निम्नानुसार फिर से लिखा जा सकता है: | |||
=== | |||
यदि | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
y(x) &= c_{1}e^{(a + bi)x} + c_{2}e^{(a - bi)x}\\ | y(x) &= c_{1}e^{(a + bi)x} + c_{2}e^{(a - bi)x}\\ | ||
Line 66: | Line 62: | ||
&= \left(c_{1} + c_{2}\right)e^{ax} \cos bx + i(c_{1} - c_{2})e^{ax} \sin bx | &= \left(c_{1} + c_{2}\right)e^{ax} \cos bx + i(c_{1} - c_{2})e^{ax} \sin bx | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
जहाँ {{math|''c''<sub>1</sub>}} और {{math|''c''<sub>2</sub>}} स्थिरांक हैं जो अवास्तविक हो सकते हैं और जो प्रारंभिक स्थितियों पर निर्भर करते हैं।<ref name="cohen" /> वास्तव में, चूंकि {{math|''y''(''x'')}} वास्तविक है,{{math|''c''<sub>1</sub> − ''c''<sub>2</sub>}} [[काल्पनिक संख्या]] या शून्य होना चाहिए और {{math|''c''<sub>1</sub> + ''c''<sub>2</sub>}} वास्तविक होना चाहिए, जिससे की अंतिम बराबर चिह्न के बाद दोनों शब्द वास्तविक हों जाते है। | |||
उदाहरण के लिए, यदि {{math|''c''<sub>1</sub> {{=}} ''c''<sub>2</sub> {{=}} {{sfrac|1|2}}}}, | उदाहरण के लिए, यदि {{math|''c''<sub>1</sub> {{=}} ''c''<sub>2</sub> {{=}} {{sfrac|1|2}}}}, तो विशेष समाधान {{math|''y''<sub>1</sub>(''x'') {{=}} ''e''<sup> ''ax''</sup> cos ''bx''}} बनता है। इसी प्रकार, यदि {{math|''c''<sub>1</sub> {{=}} {{sfrac|1|2''i''}}}} और {{math|''c''<sub>2</sub> {{=}} −{{sfrac|1|2''i''}}}}, तो बनने वाला स्वतंत्र समाधान {{math|''y''<sub>2</sub>(''x'') {{=}} ''e''<sup> ''ax''</sup> sin ''bx''}} है। इस प्रकार रेखीय सजातीय अवकल समीकरणों के लिए अध्यारोपण सिद्धांत द्वारा, जटिल मूल {{math|''r'' {{=}} ''a'' ± ''bi''}} वाले दूसरे क्रम के अवकल समीकरण का परिणाम निम्नलिखित सामान्य समाधान होगा: | ||
:<math> y_\mathrm{C}(x) = e^{ax}(C_1 \cos bx + C_2 \sin bx)</math> | :<math> y_\mathrm{C}(x) = e^{ax}(C_1 \cos bx + C_2 \sin bx)</math> | ||
यह विश्लेषण एक उच्च-क्रम अंतर समीकरण के समाधान के | यह विश्लेषण एक उच्च-क्रम अंतर समीकरण के समाधान के भागों पर भी लागू होता है, जिसकी विशेषता समीकरण में गैर-वास्तविक जटिल संयुग्मी मूल सम्मलित होती हैं। | ||
== यह भी देखें == | == यह भी देखें == | ||
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Latest revision as of 21:31, 3 May 2023
गणित में, विशेषता समीकरण (या सहायक समीकरण[1]) एक बहुपद की घात n का बीजगणितीय समीकरण है, जिस पर दिए गए nवें क्रम के अवकल समीकरण[2] या अंतर समीकरण का समाधान निर्भर करता है।[3][4] विशेषता समीकरण तभी बन सकता है, इसी प्रकार जब अवकल या अंतर समीकरण रेखीय और सजातीय हो और स्थिर गुणांक रखता हो,[1] ऐसा अवकल समीकरण, जिसमें y निर्भर चर है, और an, an − 1, ..., a1, a0 स्थिरांक के रूप में, सुपरस्क्रिप्ट (n) nth-अवकलज को दर्शाता है,
प्रपत्र का एक विशिष्ट समीकरण होता है,
इसी प्रकार जिनके समाधान r1, r2, ..., rn वे मूल हैं जिनसे सामान्य विलयन बनाया जा सकता है।[1][5][6] अनुरूपतः, एक रेखीय अंतर समीकरण का रूप,
विशेषता समीकरण है,
इसी प्रकार अधिक विस्तार से निरंतर गुणांक के साथ रैखिक पुनरावृत्ति पर सजातीय स्थिति के समाधान पर चर्चा की गई है।
विशेषता मूल (विशेषता समीकरण की एक बहुपद की मूल) चर के व्यवहार के बारे में गुणात्मक जानकारी भी प्रदान करती हैं जिसका विकास गतिशील समीकरण द्वारा वर्णित है। इस प्रकार समय पर परिचालित एक विभेदक समीकरण के लिए, चर का विकास स्थिर है यदि और केवल यदि प्रत्येक मूल का वास्तविक भाग नकारात्मक है, और केवल यदि प्रत्येक मूल का मापांक 1 से कम हो तो अंतर समीकरणों के लिए, स्थिरता होती है। दोनों प्रकार के समीकरणों के लिए, कम से कम एक जोड़ी सम्मिश्र मूलों के होने पर लगातार उतार-चढ़ाव होता है।
लियोनहार्ड यूलर द्वारा निरंतर गुणांक वाले रैखिक साधारण अंतर समीकरण को एकीकृत करने की विधि की खोज की गई, जिन्होंने उसमे पाया कि समाधान एक बीजगणितीय 'विशेषता' समीकरण पर निर्भर है।[2] इसी प्रकार यूलर के विशिष्ट समीकरण के गुणों पर पश्चात में फ्रांसीसी गणितज्ञ ऑगस्टिन-लुई कॉची और गैसपार्ड मोंगे द्वारा अधिक विस्तार से विचार किया गया था।[2][6]
व्युत्पत्ति
अचर गुणांक an, an − 1, ..., a1, a0 के साथ एक रेखीय सजातीय अवकल समीकरण से प्रारंभ करना,
यह देखा जा सकता है कि यदि y(x) = e rx है, तो प्रत्येक पद e rx का एक स्थिर गुणक होता है। यह इस तथ्य से परिणामित होता है कि घातीय फलन e rx का व्युत्पन्न स्वयं का गुणक है, इसलिए, y′ = re rx, y″ = r2e rx, और y(n) = rne rx सभी गुणक हैं। इससे पता चलता है कि r के कुछ मान e rx के गुणकों को शून्य करने की अनुमति देते है, इस प्रकार सजातीय अंतर समीकरण को समाधान करते है।[5] r का समाधान करने के लिए, y = e rx और इसके यौगिक को अंतर समीकरण में स्थानापन्न कर सकते हैं,
चूँकि e rx कभी भी शून्य के बराबर नहीं हो सकता है, इसे विशेषता समीकरण देते हुए विभाजित किया जा सकता है,
इस विशेषता समीकरण में, r के मूलों को समाधान करके, कोई भी अवकल समीकरण का सामान्य समाधान खोज सकता है।[1][6] उदाहरण के लिए, यदि r के मूल 3, 11 और 40 के बराबर हैं, तो सामान्य समाधान होगा , जहाँ c1, c2 और c3 मनमाने स्थिरांक हैं जिन्हें सीमा और/या प्रारंभिक स्थितियों द्वारा निर्धारित करने की आवश्यकता है।
सामान्य समाधान का गठन
इसी प्रकार इसकी मूलों, r1, ..., rn के लिए विशेषता समीकरण को समाधान करने से, अवकल समीकरण का सामान्य समाधान ज्ञात किया जा सकता है। मूल वास्तविक या सम्मिश्र हो सकती हैं, साथ ही भिन्न या दोहराई जा सकती हैं। यदि एक विशेष समीकरण में विशिष्ट वास्तविक मूलों वाले भाग हैं, h दोहराए गए मूल, या k सम्मिश्र मूल yD(x), yR1(x), ..., yRh(x), और yC1(x), ..., yCk(x), क्रमशः, तो अंतर समीकरण का सामान्य समाधान है,
उदाहरण
स्थिर गुणांकों के साथ रेखीय सजातीय अवकल समीकरण
- विशेषता समीकरण है,
गुणनखंडन द्वारा विशेषता समीकरण में
कोई देख सकता है कि r के लिए समाधान विशिष्ट एकल मूल r1 = 3 और डबल सम्मिश्र मूल r2,3,4,5 = 1 ± i हैं। यह वास्तविक-मूल्यवान सामान्य समाधान के अनुरूप है,
स्थिरांक के साथ c1, ..., c5.
विशिष्ट वास्तविक मूल
इसी प्रकार रैखिक सजातीय अवकल समीकरणों के लिए सुपरपोज़िशन सिद्धांत कहता है कि यदि u1, ..., un किसी विशेष अवकल समीकरण के n रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधान हैं, तो c1u1 + ⋯ + cnun भी सभी मानों c1, ..., cn के लिए एक समाधान है।[1][7] इसलिए, यदि विशेषता समीकरण के भिन्न वास्तविक मूल r1, ..., rn हों, तो एक व्यापक समाधान इस रूप का होता है,
पुनरावृत्त वास्तविक मूल
यदि विशेषता समीकरण का मूल r1 है जिसे k बार दोहराया जाता है, तो यह स्पष्ट है कि yp(x) = c1e r1x कम से कम एक समाधान है।[1] चूंकि, इसी प्रकार इस समाधान में अन्य k − 1 मूलों से रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधानों का अभाव है। चूँकि r1 की बहुलता k है, इसलिए अवकल समीकरण का गुणनखंड किया जा सकता है।[1]
तथ्य यह है कि yp(x) = c1e r1x एक समाधान है जो किसी को यह मानने की अनुमति देता है कि सामान्य समाधान y(x) = u(x)e r1x के रूप में हो सकता है, जहां u(x) निर्धारित किया जाने वाला एक फ़ंक्शन है। इसी प्रकार प्रतिस्थापन ue r1x देता है।
जब k = 1, इस तथ्य को k बार लागू करने पर, यह अनुसरण करता है।
e r1x को विभाजित करके, इसी प्रकार यह देखा जा सकता है,
इसलिए, u(x) के लिए सामान्य स्थिति k − 1 घात का एक बहुपद है, जिससे कि u(x) = c1 + c2x + c3x2 + ⋯ + ckxk −1[6] चूँकि y(x) = ue r1x, r1 के संगत सामान्य समाधान का भाग है।
सम्मिश्र मूल
इस प्रकार यदि दूसरे क्रम के अवकल समीकरण में r1 = a + bi और r2 = a − bi के रूप की जटिल संयुग्मी मूलों वाला विशेषता समीकरण है, y(x) = c1e(a + bi )x + c2e(a − bi )x तो सामान्य समाधान तदनुसार, यूलर के सूत्र द्वारा, जो बताता है कि eiθ = cos θ + i sin θ, इस समाधान को निम्नानुसार फिर से लिखा जा सकता है:
जहाँ c1 और c2 स्थिरांक हैं जो अवास्तविक हो सकते हैं और जो प्रारंभिक स्थितियों पर निर्भर करते हैं।[6] वास्तव में, चूंकि y(x) वास्तविक है,c1 − c2 काल्पनिक संख्या या शून्य होना चाहिए और c1 + c2 वास्तविक होना चाहिए, जिससे की अंतिम बराबर चिह्न के बाद दोनों शब्द वास्तविक हों जाते है।
उदाहरण के लिए, यदि c1 = c2 = 1/2, तो विशेष समाधान y1(x) = e ax cos bx बनता है। इसी प्रकार, यदि c1 = 1/2i और c2 = −1/2i, तो बनने वाला स्वतंत्र समाधान y2(x) = e ax sin bx है। इस प्रकार रेखीय सजातीय अवकल समीकरणों के लिए अध्यारोपण सिद्धांत द्वारा, जटिल मूल r = a ± bi वाले दूसरे क्रम के अवकल समीकरण का परिणाम निम्नलिखित सामान्य समाधान होगा:
यह विश्लेषण एक उच्च-क्रम अंतर समीकरण के समाधान के भागों पर भी लागू होता है, जिसकी विशेषता समीकरण में गैर-वास्तविक जटिल संयुग्मी मूल सम्मलित होती हैं।
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Edwards, C. Henry; Penney, David E. "Chapter 3". Differential Equations: Computing and Modeling. David Calvis. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. pp. 156–170. ISBN 978-0-13-600438-7.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 Smith, David Eugene. "History of Modern Mathematics: Differential Equations". University of South Florida.
- ↑ Baumol, William J. (1970). आर्थिक गतिशीलता (3rd ed.). p. 172.
- ↑ Chiang, Alpha (1984). गणितीय अर्थशास्त्र के मौलिक तरीके (3rd ed.). pp. 578, 600. ISBN 9780070107809.
- ↑ 5.0 5.1 Chu, Herman; Shah, Gaurav; Macall, Tom. "स्थिर गुणांक वाले रेखीय सजातीय साधारण विभेदक समीकरण". eFunda. Retrieved 1 March 2011.
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 Cohen, Abraham (1906). विभेदक समीकरणों पर एक प्राथमिक ग्रंथ. D. C. Heath and Company.
- ↑ Dawkins, Paul. "विभेदक समीकरण शब्दावली". Paul's Online Math Notes. Retrieved 2 March 2011.