रैखिक अवकल समीकरण: Difference between revisions

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{{Short description|Differential equations that are linear with respect to the unknown function and its derivatives}}
{{About|linear differential equations with one independent variable|similar equations with two or more independent variables|Partial differential equation#Linear equations of second order}}
{{About|एक स्वतंत्र चर (वैरिएबल) के साथ रैखिक अंतर समीकरण|दो या दो से अधिक स्वतंत्र चर (वैरिएबल) वाले समान समीकरण|आंशिक अंतर समीकरण दूसरे क्रम के रैखिक समीकरण}}
{{Differential equations}}
{{Differential equations}}
गणित में, एक रैखिक [[ अंतर [[ समीकरण ]] ]] एक अंतर समीकरण है जिसे अज्ञात फ़ंक्शन और उसके डेरिवेटिव में एक [[ रैखिक बहुपद ]] द्वारा परिभाषित किया जाता है, जो कि रूप का एक समीकरण है
गणित में, रैखिक अवकल [[ समीकरण |समीकरण]] वह अवकल समीकरण है जो अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों को एक [[ रैखिक बहुपद |रैखिक बहुपद]] द्वारा परिभाषित करता है, रैखिक समीकरण को हम इस प्रकार प्रदर्शित करते हैं-
:<math>a_0(x)y + a_1(x)y' + a_2(x)y'' \cdots + a_n(x)y^{(n)} = b(x)</math>
:<math>a_0(x)y + a_1(x)y' + a_2(x)y'' \cdots + a_n(x)y^{(n)} = b(x)</math>
कहाँ पे {{nowrap|1={{math|''a''<sub>0</sub>(''x'')}}, ..., {{math|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}}}} तथा {{math|''b''(''x'')}} मनमाने ढंग से अलग-अलग कार्य हैं जिन्हें रैखिक होने की आवश्यकता नहीं है, और {{math|''y''′, ..., ''y''<sup>(''n'')</sup> }} एक अज्ञात फ़ंक्शन के क्रमिक व्युत्पन्न हैं {{mvar|y}} चर का {{mvar|x}}.
यहाँ {{nowrap|1={{math|''a''<sub>0</sub>(''x'')}}, ..., {{math|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}}}} और {{math|''b''(''x'')}} भिन्न भिन्न तरह से कार्य करते हैं एवम इन्हें रैखिक होने की आवश्यकता नहीं है, इसी प्रकार  {{math|''y''′, ..., ''y''<sup>(''n'')</sup> }} चर (वैरियेबल) {{mvar|x}} के अज्ञात फलन {{mvar|y}} के क्रमिक अवकलज होते हैं।


ऐसा समीकरण एक साधारण अवकल समीकरण (ODE) है। एक रैखिक अंतर समीकरण एक रैखिक आंशिक अंतर समीकरण (पीडीई) भी हो सकता है, यदि अज्ञात फ़ंक्शन कई चर पर निर्भर करता है, और समीकरण में दिखाई देने वाले [[ यौगिक ]] आंशिक डेरिवेटिव हैं।
ऐसा समीकरण एक साधारण अवकल समीकरण (ODE) कहलाता है। एक रैखिक अवकल समीकरण एक आंशिक रैखिक अवकल समीकरण (PDE) भी हो सकता है, यदि अज्ञात फलन कई वैरियेबल और डेरिवेटिव पर निर्भर करता है तो ऐसे समीकरण में केवल आंशिक [[ antiderivative |व्युत्पन्न]] दिखाई देगा।


एक रैखिक अंतर समीकरण या रैखिक समीकरणों की एक प्रणाली जैसे कि संबंधित सजातीय समीकरणों में निरंतर गुणांक होते हैं, को [[ चतुर्भुज (गणित) ]] द्वारा हल किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि समाधान [[ antiderivative ]] के रूप में व्यक्त किए जा सकते हैं। यह क्रम एक के रैखिक समीकरण के लिए भी सही है, जिसमें गैर-स्थिर गुणांक होते हैं। गैर-स्थिर गुणांक वाले क्रम दो या उच्चतर का समीकरण, सामान्य रूप से, चतुर्भुज द्वारा हल नहीं किया जा सकता है। आदेश दो के लिए, कोवासिक का एल्गोरिथ्म यह तय करने की अनुमति देता है कि क्या इंटीग्रल के संदर्भ में समाधान हैं, और यदि कोई हो तो उनकी [[ गणना ]] करना।
रैखिक अवकल समीकरण या रैखिक समीकरणों की प्रणाली जैसे कि संबंधित सजातीय समीकरणों में नियत गुणांक [[ चतुर्भुज (गणित) |समकोणांतर (क्वार्डिनेचर)]] द्वारा हल किये जाते हैं, इस प्रकार प्राप्त होने वाले निष्कर्ष को [[ antiderivative |विरोधी व्युत्पन्न (एंटीडेरीवेटिव)]] के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह क्रम रैखिक समीकरण के लिए भी सही है जिसमें गैर-स्थिर गुणांक होते हैं। गैर-स्थिर गुणांक वाले दो या उच्च समीकरण को क्रमशः सामान्य रूप से द्विघात समीकरण द्वारा हल नहीं किया जा सकता। इस प्रकार आर्डर 2 वाले समीकरण के लिए, कोवासिक की एल्गोरिथ्म तय करती है कि क्या इंटीग्रल के संदर्भ में समाधान हैं या नहीं और यदि कोई हल होता है तो यह फिर उसकी [[ गणना |गणना]] करता हैं।


[[ बहुपद ]] गुणांकों वाले समांगी रैखिक अवकल समीकरणों के हलों को [[ होलोनोमिक फ़ंक्शन ]] कहते हैं। कार्यों का यह वर्ग रकम, उत्पाद[[ आंशिक व्युत्पन्न ]], प्रतिपक्षी के तहत स्थिर है, और इसमें कई सामान्य कार्य और विशेष कार्य जैसे घातीय फ़ंक्शन, लॉगरिदम, साइन, [[ कोज्या ]], उलटा त्रिकोणमितीय फ़ंक्शन, त्रुटि फ़ंक्शन, [[ बेसेल फंक्शन ]] और [[ हाइपरजोमेट्रिक फ़ंक्शन ]] शामिल हैं। परिभाषित अंतर समीकरण और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा उनका प्रतिनिधित्व एल्गोरिथम (इन कार्यों पर) कैलकुलस के अधिकांश संचालन की अनुमति देता है, जैसे कि एंटीडेरिवेटिव्स की गणना, [[ सीमा (गणित) ]], [[ स्पर्शोन्मुख विस्तार ]], और किसी भी सटीकता के लिए संख्यात्मक मूल्यांकन, एक प्रमाणित त्रुटि बाध्य के साथ।
[[ बहुपद |बहुपद]] गुणांकों वाले समांगी रैखिक अवकल समीकरणों के हलों को [[ होलोनोमिक फ़ंक्शन |होलोनोमिक फलन]] कहते हैं। एक कक्षा का यह फलन विभिन्न एकीकरण उत्पादों एवम् [[ आंशिक व्युत्पन्न |आंशिक व्युत्पन्न]] के लिए स्थिर मान देते है। और इसमें कई सामान्य फलन और विशेष फलन होते हैं जैसे घातांक फलन, लघुगणक, ज्या (साइन), कोज्या (कोसाइन), व्युत्क्रम त्रिकोणमितीय फलन, त्रुटि फलन, [[ बेसेल फंक्शन |बेसेल फलन]], [[ हाइपरजोमेट्रिक फ़ंक्शन |हाइपरजोमेट्रिक फलन]] इत्यादि। परिभाषित अवकल समीकरण और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा उनका प्रतिनिधित्व एल्गोरिदमिक कैलकुस के अधिकांश संचालन की अनुमति देता है, जैसे कि [[ antiderivative |विरोधी व्युत्पन्न (ऐंटीडेरिवेटिव)]] की गणना,[[ सीमा (गणित) | सीमा (गणित)]], [[ स्पर्शोन्मुख विस्तार |स्पर्शोन्मुख विस्तार]], और किसी भी सटीकता के लिए संख्यात्मक मूल्यांकन, एक प्रमाणित त्रुटि के साथ बाध्य रहता है।


==मूल शब्दावली==
==मूल शब्दावली==
एक (रैखिक) अवकल समीकरण में प्रकट होने वाली व्युत्पत्ति का उच्चतम क्रम समीकरण का क्रम है। शब्द {{math|''b''(''x'')}}, जो अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों पर निर्भर नहीं करता है, को कभी-कभी समीकरण का अचर पद ([[ बीजीय समीकरण ]]ों के सादृश्य द्वारा) कहा जाता है, तब भी जब यह पद एक गैर-स्थिर फलन हो। यदि अचर पद शून्य फलन है, तो अवकल समीकरण को समांगी कहा जाता है, क्योंकि यह अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों में एक समांगी बहुपद है। एक रैखिक अवकल समीकरण में, शून्य फलन द्वारा अचर पद को प्रतिस्थापित करने पर प्राप्त समीकरण संबद्ध समांगी समीकरण है। एक विभेदक समीकरण में निरंतर गुणांक होते हैं यदि संबंधित सजातीय समीकरण में केवल स्थिर कार्य गुणांक के रूप में दिखाई देते हैं।
रैखिक अवकल समीकरण में प्रकट होने वाली व्युत्पत्ति का उच्चतम क्रम समीकरण के क्रम के समान होता है। फलन {{math|''b''(''x'')}}, जो अज्ञात फलन उसके अवकलजों पर निर्भर नहीं करते हैं, ऐसे समीकरण को स्थिर पद ([[ बीजीय समीकरण |बीजीय समीकरणों]] के सादृश्य द्वारा) कहा जाता है। एक अचर फलन होने पर भी ऐसे पद स्थिर पद कहलाते है। यदि अचर पद शून्य फलन है, तब अवकल समीकरण को समांगी कहा जाता है, क्योंकि यह अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों में एक समांगी बहुपद है। एक रेखीय अवकल समीकरण में प्रतिस्थापित करके प्राप्त समीकरण, शून्य फलन द्वारा अचर पद संबंधित समांगी समीकरण है। एक अवकल समीकरण में नियत गुणांक होते हैं यदि संबंधित सजातीय समीकरण में केवल स्थिर फलन गुणांक के रूप में प्रकट होते हैं।


अवकल समीकरण का हल एक ऐसा फलन है जो समीकरण को संतुष्ट करता है।
अवकल समीकरण का मान ऐसा फलन है जो समीकरण को संतुष्ट करता है। एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण का मान एक सदिश समष्टि बनाता हैं। सामान्य स्थिति में, इस सदिश स्थान का एक परिमित आयाम होता है, जो समीकरण के क्रम के बराबर होता है। एक रेखीय अवकल समीकरण के सभी मान किसी विशेष मान में संबंधित समांगी समीकरण के किसी भी मान को जोड़कर प्राप्त किए जाते हैं।
एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण के समाधान एक सदिश समष्टि बनाते हैं। सामान्य स्थिति में, इस सदिश स्थान का एक परिमित आयाम होता है, जो समीकरण के क्रम के बराबर होता है। एक रेखीय अवकल समीकरण के सभी हल किसी विशेष हल में संबंधित समांगी समीकरण के किसी भी हल को जोड़कर प्राप्त किए जाते हैं।


== रैखिक अंतर ऑपरेटर ==
== रैखिक अवकल प्रचालक ==
{{Main|Differential operator}}
ऑर्डर {{mvar|i}} का एक बुनियादी अंतर ऑपरेटर मैपिंग कहलाता है जो किसी भी फ़ंक्शन को इसके {{mvar|i}}वें व्युत्पन्न के लिए मैप करता है, या कई वैरिएबल्स होने की स्थिति में यदि हम बात करें तो  {{mvar|i}} ऑर्डर के आंशिक डेरिवेटिव के लिए यह आमतौर पर इस प्रकार निरूपित किया जाता है-
आदेश का एक बुनियादी अंतर ऑपरेटर {{mvar|i}} एक मैपिंग है जो किसी भी अलग-अलग फ़ंक्शन को उसके उच्च व्युत्पन्न के लिए मैप करता है|{{mvar|i}}वें व्युत्पन्न, या, कई चर के मामले में, आदेश के अपने आंशिक डेरिवेटिव में से एक के लिए {{mvar|i}}. यह आमतौर पर निरूपित किया जाता है
:<math>\frac{d^i}{dx^i}</math>
:<math>\frac{d^i}{dx^i}</math>
[[ अविभाज्य ]] कार्यों के मामले में, और
[[ अविभाज्य | अविभाज्य]] फलन के की स्थिति में,
:<math>\frac{\partial^{i_1+\cdots +i_n}}{\partial x_1^{i_1}\cdots \partial x_n^{i_n}}</math>
:<math>\frac{\partial^{i_1+\cdots +i_n}}{\partial x_1^{i_1}\cdots \partial x_n^{i_n}}</math>
के कार्यों के मामले में {{mvar|n}} चर। बुनियादी अंतर ऑपरेटरों में ऑर्डर 0 का व्युत्पन्न शामिल है, जो पहचान मानचित्रण है।
{{mvar|n}} चर के फलन की स्थिति में मूल अवकल प्रचालकों में ऑर्डर 0 का व्युत्पन्न होना शामिल रहता है, जो मानचित्रण की पहचान के लिए उपयोगी होता है।


एक रैखिक अंतर ऑपरेटर (संक्षिप्त, इस आलेख में, ''रैखिक ऑपरेटर'' या, बस, ''ऑपरेटर'' के रूप में) बुनियादी अंतर ऑपरेटरों का एक [[ रैखिक संयोजन ]] है, गुणांक के रूप में अलग-अलग कार्यों के साथ। अविभाज्य स्थिति में, एक रैखिक संचालिका का इस प्रकार रूप होता है<ref>Gershenfeld 1999, p.9</ref>
एक '''रैखिक अवकल प्रचालक''' (संक्षिप्त, इस लेख में, ''रैखिक प्रचालक'' या, बस, ''प्रचालक'' के रूप में) बुनियादी अवकल प्रचालकों का एक [[ रैखिक संयोजन |रैखिक संयोजन]] है, और यह गुणांक के रूप में अलग-अलग कार्यों के साथ सम्मलित होता है। अविभाज्य अवस्था में, एक रैखिक संचालिका को इस प्रकार प्रकट किया जा सकता हैं-<ref>Gershenfeld 1999, p.9</ref>
:<math>a_0(x)+a_1(x)\frac{d}{dx} + \cdots +a_n(x)\frac{d^n}{dx^n},</math>
:<math>a_0(x)+a_1(x)\frac{d}{dx} + \cdots +a_n(x)\frac{d^n}{dx^n},</math>
कहाँ पे {{math|''a''<sub>0</sub>(''x''), ..., ''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} अलग-अलग कार्य हैं, और गैर-ऋणात्मक पूर्णांक {{mvar|n}} ऑपरेटर का आदेश है (यदि {{math|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} शून्य कार्य नहीं है)।
जहाँ पर {{math|''a''<sub>0</sub>(''x''), ..., ''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} अलग-अलग फलन हैं, और गैर-ऋणात्मक पूर्णांक {{mvar|n}} प्रचालक एक आदेश स्वरूप है (यदि {{math|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} शून्य फलन नहीं है)।


होने देना {{mvar|L}} एक रैखिक अंतर ऑपरेटर बनें। का अनुप्रयोग {{mvar|L}} एक समारोह के लिए {{mvar|f}} आमतौर पर दर्शाया जाता है {{math|''Lf''}} या {{math|''Lf''(''X'')}}, यदि किसी को चर निर्दिष्ट करने की आवश्यकता है (इसे गुणन के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए)एक लीनियर डिफरेंशियल ऑपरेटर एक लीनियर ऑपरेटर होता है, क्योंकि यह एक स्केलर (गणित) द्वारा एक ही स्केलर द्वारा उत्पाद के लिए योग और उत्पाद को मैप करता है।
मान लीजिए {{mvar|L}} एक रैखिक अवकलन संकारक है। फलन {{mvar|f}} के लिए {{mvar|L}} के अनुप्रयोग को आमतौर पर {{math|''Lf''}} या {{math|''Lf''(''X'')}} के रूप में दर्शाया जाता है, यदि किसी वैरियेबल को निर्दिष्ट करने की आवश्यकता होती है (इसे गुणन के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए) तब एक रैखिक अवकल प्रचालक एक रैखिक प्रचालक के रूप में होता है, चूंकि यह फलन के मान को एक अदिश राशि द्वारा मैप करता है।


चूंकि दो [[ रैखिक ऑपरेटर ]]ों का योग एक रैखिक ऑपरेटर है, साथ ही एक अलग-अलग फ़ंक्शन द्वारा एक रैखिक ऑपरेटर का उत्पाद (बाईं ओर) है, रैखिक अंतर ऑपरेटर [[ वास्तविक संख्या ]]ओं या [[ जटिल संख्या ]]ओं पर एक वेक्टर स्थान बनाते हैं (निर्भर करता है) कार्यों की प्रकृति पर विचार किया जाता है)। वे अवकलनीय फलनों के वलय (गणित) के ऊपर एक मुक्त मॉड्यूल भी बनाते हैं।
चूंकि दो [[ रैखिक ऑपरेटर |रैखिक प्रचालकों]] का योग एक रैखिक प्रचालक को प्रदर्शित करता है, साथ ही एक अवकलनीय फलन द्वारा रैखिक संचालिका का गुणनफल (बाईं ओर), रैखिक अवकल प्रचालक [[ वास्तविक संख्या |वास्तविक संख्याओं]] या [[ जटिल संख्या |जटिल संख्याओं]] पर एक सदिश (वेक्टर) स्थान बनाते हैं (विचार किए गए कार्यों की प्रकृति के आधार पर)। वे अवकलनीय कार्यों के वलय के ऊपर एक मुक्त प्रतिरूप भी बनाते हैं।


ऑपरेटरों की भाषा अलग-अलग समीकरणों के लिए एक कॉम्पैक्ट लेखन की अनुमति देती है: if
प्रचालकों की भाषा अलग-अलग समीकरणों के लिए एक सुगठित लेखन की अनुमति देती है: यदि
:<math>L=a_0(x)+a_1(x)\frac{d}{dx} + \cdots +a_n(x)\frac{d^n}{dx^n},</math>
:<math>L=a_0(x)+a_1(x)\frac{d}{dx} + \cdots +a_n(x)\frac{d^n}{dx^n},</math>
एक रैखिक अंतर ऑपरेटर है, तो समीकरण
एक रैखिक अवकल प्रचालक है, तो समीकरण
:<math>a_0(x)y +a_1(x)y' + a_2(x)y'' +\cdots +a_n(x)y^{(n)}=b(x)</math>
:<math>a_0(x)y +a_1(x)y' + a_2(x)y'' +\cdots +a_n(x)y^{(n)}=b(x)</math>
फिर से लिखा जा सकता है
हम इस समीकरण को इस तरह से भी लिख सकते हैं
:<math>Ly=b(x).</math>
:<math>Ly=b(x).</math>
इस संकेतन के कई रूप हो सकते हैं; विशेष रूप से भिन्नता का चर स्पष्ट रूप से प्रकट हो सकता है या नहीं {{mvar|y}} और दाहिने हाथ और समीकरण के, जैसे {{math|1=''Ly''(''x'') = ''b''(''x'')}} या {{math|1=''Ly'' = ''b''}}.
इस तरह के संकेतन के और भी कई रूप हो सकते हैं; विशेष रूप से वैरियेबल के अन्तर में यह {{mvar|y}} में स्पष्ट रूप से दिखाई दे सकता है या नहीं और यह दाहिने हाथ और समीकरण में भी दिखाई दे सकता है, जैसे {{math|1=''Ly''(''x'') = ''b''(''x'')}} या {{math|1=''Ly'' = ''b''}}.


एक रैखिक अंतर ऑपरेटर का कर्नेल एक रैखिक मानचित्रण के रूप में इसका [[ कर्नेल (रैखिक बीजगणित) ]] है, जो कि (सजातीय) अंतर समीकरण के समाधान का वेक्टर स्थान है {{math|1=''Ly'' = 0}}.
एक रैखिक अवकल प्रचालक का कर्नेल एक रैखिक मानचित्रण के रूप में इसका [[ कर्नेल (रैखिक बीजगणित) |कर्नेल (रैखिक बीजगणित)]] होता है, जो कि (सजातीय) अवकल समीकरण के समाधान का सदिश (वेक्टर) स्थान है {{math|1=''Ly'' = 0}}.


आदेश के एक साधारण अंतर ऑपरेटर के मामले में {{mvar|n}}, कैराथेओडोरी के अस्तित्व प्रमेय का तात्पर्य है कि, बहुत ही हल्की परिस्थितियों में, का कर्नेल {{mvar|L}} आयाम का एक सदिश स्थान है {{mvar|n}}, और यह कि समीकरण के हल {{math|1=''Ly''(''x'') = ''b''(''x'')}} फॉर्म है
ऑर्डर {{mvar|n}} के एक साधारण व्युत्पन्न प्रचालक के मामले में, कैराथेओडोरी के अस्तित्व प्रमेय का तात्पर्य है कि, बहुत हल्की परिस्थितियों में, {{mvar|L}} का कर्नेल आयाम {{mvar|n}} का एक सदिश समष्टि है, और यह समीकरण के हल {{math|1=''Ly''(''x'') = ''b''(''x'')}} का प्रतिरूप है
:<math>S_0(x) + c_1S_1(x) + \cdots +c_nS_n(x),</math>
:<math>S_0(x) + c_1S_1(x) + \cdots +c_nS_n(x),</math>
कहाँ पे {{math|''c''<sub>1</sub>, ..., ''c''<sub>''n''</sub>}} मनमानी संख्या हैं। आमतौर पर, कैराथियोडोरी के प्रमेय की परिकल्पना एक अंतराल में संतुष्ट होती है {{mvar|I}}, यदि कार्य {{math|''b'', ''a''<sub>0</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} में निरंतर हैं {{mvar|I}}, और एक धनात्मक वास्तविक संख्या है {{mvar|k}} ऐसा है कि {{math|1={{abs|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} > ''k''}} हरएक के लिए {{mvar|x}} में {{mvar|I}}.
जहाँ पर {{math|''c''<sub>1</sub>, ..., ''c''<sub>''n''</sub>}} अपने आप उत्पन्न हुई संख्या हैं। आमतौर पर, कैराथियोडोरी के प्रमेय की परिकल्पना एक अंतराल {{mvar|I}} में संतुष्ट होती है, यदि {{mvar|I}} कार्य {{math|''b'', ''a''<sub>0</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} में नियत हैं, और एक {{mvar|k}} धनात्मक वास्तविक संख्या है और यह इस प्रकार है कि {{math|1={{abs|''a''<sub>''n''</sub>(''x'')}} > ''k''}} जहाँ इसका मान {{mvar|I}} में प्रत्येक {{mvar|x}} के लिए।


== निरंतर गुणांक के साथ सजातीय समीकरण ==
== नियत गुणांक के साथ समघात समीकरण ==
एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण में अचर गुणांक होते हैं यदि इसका रूप है
एक समघात रैखिक अवकल समीकरण में नियत गुणांक होते हैं अगर इसका रूप कुछ इस प्रकार हो-
:<math>a_0y + a_1y' + a_2y'' + \cdots + a_n y^{(n)} = 0</math>
:<math>a_0y + a_1y' + a_2y'' + \cdots + a_n y^{(n)} = 0</math>
कहाँ पे {{math|''a''<sub>1</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} (वास्तविक या जटिल) संख्याएँ हैं। दूसरे शब्दों में, इसमें निरंतर गुणांक होते हैं यदि इसे निरंतर गुणांक वाले रैखिक ऑपरेटर द्वारा परिभाषित किया जाता है।
जहाँ पर {{math|''a''<sub>1</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} (वास्तविक या जटिल) संख्याएँ हैं। दूसरे शब्दों में, इसमें नियत गुणांक होते हैं यदि इसे नियत गुणांक वाले रैखिक प्रचालक द्वारा परिभाषित किया जाता है।


निरंतर गुणांक वाले इन अंतर समीकरणों का अध्ययन [[ लियोनहार्ड यूलर ]] के समय का है, जिन्होंने घातीय कार्य की शुरुआत की थी {{math|''e''<sup>''x''</sup>}}, जो समीकरण का अनूठा हल है {{math|1=''f''′ = ''f''}} ऐसा है कि {{math|1=''f''(0) = 1}}. यह इस प्रकार है कि {{mvar|n}}वें व्युत्पन्न {{math|''e''<sup>''cx''</sup> }} है {{math|''c''<sup>''n''</sup>''e''<sup>''cx''</sup>}}, और यह सजातीय रैखिक अंतर समीकरणों को आसानी से हल करने की अनुमति देता है।
नियत गुणांक वाले इन अवकल समीकरणों का अध्ययन [[ लियोनहार्ड यूलर |लियोनहार्ड यूलर]] के समय का है, जिन्होंने घातीय फलन {{math|''e''<sup>''x''</sup>}} की शुरुआत की थी, जो समीकरण का अनूठा हल है {{math|1=''f''′ = ''f''}} यह इस प्रकार है कि {{math|1=''f''(0) = 1}}. एवं यह इस प्रकार है कि {{mvar|n}}वें व्युत्पन्न {{math|''e''<sup>''cx''</sup> }}है {{math|''c''<sup>''n''</sup>''e''<sup>''cx''</sup>}}, और यह सजातीय रैखिक अवकल समीकरणों को आसानी से हल करने की अनुमति देता है।


होने देना
मान लीजिए
:<math>a_0y + a_1y' + a_2y'' + \cdots + a_ny^{(n)} = 0</math>
:<math>a_0y + a_1y' + a_2y'' + \cdots + a_ny^{(n)} = 0</math>
अचर गुणांकों वाला एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण हो (अर्थात {{math|''a''<sub>0</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं)।
अचर गुणांकों वाला एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण है (अर्थात {{math|''a''<sub>0</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं)।


इस समीकरण के समाधान खोजना जिसका रूप है {{math|''e''<sup>''αx''</sup>}} स्थिरांक खोजने के बराबर है {{mvar|α}} ऐसा है कि
इस समीकरण के समाधान खोजना जिसका रूप {{math|''e''<sup>''αx''</sup>}} है स्थिरांक {{mvar|α}} खोजने के बराबर है इस प्रकार समीकरण कुछ इस प्रकार होगा
:<math>a_0e^{\alpha x} + a_1\alpha e^{\alpha x} + a_2\alpha^2 e^{\alpha x}+\cdots + a_n\alpha^n e^{\alpha x} = 0.</math>
:<math>a_0e^{\alpha x} + a_1\alpha e^{\alpha x} + a_2\alpha^2 e^{\alpha x}+\cdots + a_n\alpha^n e^{\alpha x} = 0.</math>
फैक्टरिंग आउट {{math|''e''<sup>''αx''</sup>}} (जो कभी शून्य नहीं होता), दर्शाता है कि {{mvar|α}} विशेषता बहुपद का मूल होना चाहिए
फैक्टरिंग आउट {{math|''e''<sup>''αx''</sup>}} (जो कभी शून्य नहीं होता), दर्शाता है कि {{mvar|α}} विशेषता बहुपद का मूल होना चाहिए
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विभेदक समीकरण, जो कि विशेषता समीकरण (कैलकुलस) के बाईं ओर है
विभेदक समीकरण, जो कि विशेषता समीकरण (कैलकुलस) के बाईं ओर है
:<math>a_0 + a_1t + a_2t^2 + \cdots + a_nt^n = 0.</math>
:<math>a_0 + a_1t + a_2t^2 + \cdots + a_nt^n = 0.</math>
जब ये जड़ें सभी अलग-[[ अलग जड़ें ]] हों, तो व्यक्ति के पास {{mvar|n}} अलग-अलग समाधान जो आवश्यक रूप से वास्तविक नहीं हैं, भले ही समीकरण के गुणांक वास्तविक हों। इन समाधानों के मूल्यों के [[ वेंडरमोंडे निर्धारक ]] पर विचार करके, इन समाधानों को [[ रैखिक रूप से स्वतंत्र ]] दिखाया जा सकता है {{math|1=''x'' = 0, ..., ''n'' – 1}}. साथ में वे डिफरेंशियल इक्वेशन (यानी डिफरेंशियल ऑपरेटर का कर्नेल) के सॉल्यूशन के वेक्टर स्पेस का बेसिस (रैखिक बीजगणित) बनाते हैं।
जब ये सभी मूल अलग- [[अलग मूल]] हों, तो व्यक्ति के पास {{mvar|n}} अलग-अलग समाधान हो सकते हैं जो आवश्यक रूप से वास्तविक नहीं होते हैं, भले ही समीकरण के गुणांक वास्तविक हों या ना हों। इन समाधानों के मूल्यों के लिए[[ वेंडरमोंडे निर्धारक ]] पर विचार करे, इन समाधानों को [[ रैखिक रूप से स्वतंत्र |रैखिक रूप से स्वतंत्र]] दिखाया जा सकता है {{math|1=''x'' = 0, ..., ''n'' – 1}}. साथ में वे व्युत्पन्न समीकरण (यानी व्युत्पन्न प्रचालक का कर्नेल) के हल के रुप में सदिश स्थान का मौलिक रुप (रैखिक बीजगणित) बनाते हैं।
{| class="toccolours floatright" style="width:35%; margin: 0.5em 0 0.5em 1em;"
{| class="toccolours floatright" style="width:35%; margin: 0.5em 0 0.5em 1em;"
! style="background:#ffffaa; padding: 3px 5px 3px 5px; font-size:larger;" | Example
! style="background:#ffffaa; padding: 3px 5px 3px 5px; font-size:larger;" | उदाहरण
|-
|-
| style="font-size:100%; padding:0 5px 0 5px;" |  
| style="font-size:100%; padding:0 5px 0 5px;" |:<math>y''''-2y'''+2y''-2y'+y=0</math>
:<math>y''''-2y'''+2y''-2y'+y=0</math>
विशेषता समीकरण है
has the characteristic equation
: <math>z^4-2z^3+2z^2-2z+1=0.</math>
: <math>z^4-2z^3+2z^2-2z+1=0.</math>
This has zeros, {{mvar|i}}, {{math|−''i''}}, and {{math|1}} (multiplicity 2). The solution basis is thus
इसमें शून्य है, {{mvar|i}}, {{math|−''i''}}, तथा {{math|1}} (multiplicity 2). समाधान का आधार इस प्रकार है
: <math>e^{ix},\; e^{-ix},\; e^x,\; xe^x.</math>
: <math>e^{ix},\; e^{-ix},\; e^x,\; xe^x.</math>
A real basis of solution is thus
समाधान का एक वास्तविक आधार इस प्रकार है
: <math>\cos x,\; \sin x,\; e^x,\; xe^x.</math>
: <math>\cos x,\; \sin x,\; e^x,\; xe^x.</math>
   
   
|}
|}
उस मामले में जहां विशेषता बहुपद में केवल साधारण जड़ें होती हैं, पूर्ववर्ती समाधान वेक्टर स्थान का पूरा आधार प्रदान करता है। [[ एकाधिक जड़ ]]ों के मामले में, आधार रखने के लिए अधिक रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधान की आवश्यकता होती है। इनका रूप है
उस मामले में जहां विशेषता बहुपद में केवल साधारण मूल होते हैं, पूर्ववर्ती समाधान सदिश स्थान का पूरा आधार प्रदान करता है।[[ एकाधिक जड़ | एकाधिक मूलों]] के मामले में, आधार रखने के लिए अधिक रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधान की आवश्यकता होती है। इसका प्रतिरूप कुछ इस प्रकार होतो है
:<math>x^ke^{\alpha x},</math>
:<math>x^ke^{\alpha x},</math>
कहाँ पे {{mvar|k}} एक ऋणात्मक पूर्णांक है, {{mvar|α}} गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद का मूल है {{mvar|m}}, तथा {{math|''k'' < ''m''}}. यह सिद्ध करने के लिए कि ये फलन समाधान हैं, कोई टिप्पणी कर सकता है कि यदि {{mvar|α}} गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद का मूल है {{mvar|m}}, अभिलक्षणिक बहुपद का गुणनखंड इस प्रकार किया जा सकता है {{math|''P''(''t'')(''t'' − ''α'')<sup>''m''</sup>}}. इस प्रकार, समीकरण के डिफरेंशियल ऑपरेटर को लागू करना पहले लागू करने के बराबर है {{mvar|m}} बार ऑपरेटर {{nowrap|<math display="inline"> \frac{d}{dx} - \alpha </math>,}} और फिर वह ऑपरेटर जिसके पास है {{mvar|P}} विशेषता बहुपद के रूप में। [[ शिफ्ट प्रमेय ]] द्वारा,
जहाँ पर {{mvar|k}} एक ऋणात्मक पूर्णांक है, {{mvar|α}} गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद {{mvar|m}} का मूल है, तथा {{math|''k'' < ''m''}}. यह सिद्ध करने के लिए कि ये फलन समाधान हैं, कोई टिप्पणी कर सकता है कि यदि {{mvar|α}} गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद {{mvar|m}} का मूल है, अभिलक्षणिक बहुपद का गुणनखंड इस प्रकार किया जा सकता है {{math|''P''(''t'')(''t'' − ''α'')<sup>''m''</sup>}}. इस प्रकार, समीकरण के अवकल प्रचालक को लागू करना जो पहले एम बार प्रचालक {{nowrap|<math display="inline"> \frac{d}{dx} - \alpha </math>,}} को लागू करने के बराबर है, और फिर वह संकारक जिसके पास विशेषता बहुपद {{mvar|P}} है। [[ शिफ्ट प्रमेय | शिफ्ट प्रमेय]] प्रमेय द्वारा,
:<math>\left(\frac{d}{dx}-\alpha\right)\left(x^ke^{\alpha x}\right)= kx^{k-1}e^{\alpha x},</math>
:<math>\left(\frac{d}{dx}-\alpha\right)\left(x^ke^{\alpha x}\right)= kx^{k-1}e^{\alpha x},</math>
और इस प्रकार एक के बाद शून्य हो जाता है {{math|''k'' + 1}} का आवेदन {{nowrap|1=<math display="inline"> \frac{d}{dx} - \alpha </math>.}}
और इस प्रकार {{math|''k'' + 1}} का आवेदन {{nowrap|1=<math display="inline"> \frac{d}{dx} - \alpha </math>.}} एक के बाद शून्य हो जाता है।
जैसे, बीजगणित के मूल प्रमेय के अनुसार, बहुपद के मूलों की बहुपदों का योग बहुपद की घात के बराबर होता है, उपरोक्त समाधानों की संख्या अवकल समीकरण के क्रम के बराबर होती है, और ये समाधान सदिश समष्टि का आधार बनाते हैं समाधानों की।


सामान्य मामले में जहां समीकरण के गुणांक वास्तविक होते हैं, वास्तविक-मूल्यवान कार्यों से युक्त समाधानों का आधार होना आम तौर पर अधिक सुविधाजनक होता है। ऐसा आधार पूर्ववर्ती आधार से यह टिप्पणी करके प्राप्त किया जा सकता है कि, यदि {{math|''a'' + ''ib''}} विशेषता बहुपद का मूल है, तो {{math|''a'' – ''ib''}} एक ही बहुलता की जड़ भी है। इस प्रकार यूलर के सूत्र का उपयोग करके और प्रतिस्थापित करके वास्तविक आधार प्राप्त किया जाता है <math>x^ke^{(a+ib)x}</math> तथा <math>x^ke^{(a-ib)x}</math> द्वारा <math>x^ke^{ax} \cos(bx)</math> तथा <math>x^ke^{ax} \sin(bx)</math>.
जैसे, बीजगणित के मूल प्रमेय के अनुसार, बहुपद के मूलों की बहुपदों का योग बहुपद की घात के बराबर होते है, उपरोक्त समाधानों की संख्या अवकल समीकरण के क्रम के बराबर होती है, और ये समाधान समाधानों के सदिश समष्टि का आधार बनाते हैं।


=== दूसरे क्रम का मामला ===
सामान्य स्थिति में जहां समीकरण के गुणांक वास्तविक होते हैं, वास्तविक-मूल्यवान फलन वाले समाधानों का आधार होना आम तौर पर अधिक सुविधाजनक होता है। ऐसा आधार पूर्ववर्ती आधार से यह टिप्पणी करके प्राप्त किया जा सकता है कि, यदि {{math|''a'' + ''ib''}} विशेषता बहुपद का मूल है, तो {{math|''a'' – ''ib''}} एक ही बहुलता की मूल भी है। इस प्रकार यूलर के सूत्र का उपयोग करके और <math>x^ke^{(a+ib)x}</math> तथा <math>x^ke^{(a-ib)x}</math> द्वारा <math>x^ke^{ax} \cos(bx)</math> तथा <math>x^ke^{ax} \sin(bx)</math> प्रतिस्थापित करके वास्तविक आधार प्राप्त किया जाता है।
 
=== दूसरे क्रम की स्थिति ===
दूसरे क्रम का एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण लिखा जा सकता है
दूसरे क्रम का एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण लिखा जा सकता है
:<math>y'' + ay' + by = 0,</math>
:<math>y'' + ay' + by = 0,</math>
Line 99: Line 97:
* यदि {{math|1=''D'' = 0}}, अभिलक्षणिक बहुपद का दोहरा मूल होता है {{math|−''a''/2}}, और सामान्य समाधान है
* यदि {{math|1=''D'' = 0}}, अभिलक्षणिक बहुपद का दोहरा मूल होता है {{math|−''a''/2}}, और सामान्य समाधान है
::<math>(c_1 + c_2 x) e^{-ax/2}.</math>
::<math>(c_1 + c_2 x) e^{-ax/2}.</math>
* यदि {{math|''D'' < 0}}, विशेषता बहुपद में दो जटिल संयुग्म जड़ें होती हैं {{math|''α'' ± ''βi''}}, और सामान्य समाधान है
* यदि {{math|''D'' < 0}}, विशेषता बहुपद में दो जटिल संयुग्म मूल होती हैं {{math|''α'' ± ''βi''}}, और सामान्य समाधान है
::<math>c_1 e^{(\alpha + \beta i)x} + c_2 e^{(\alpha - \beta i)x},</math>
::<math>c_1 e^{(\alpha + \beta i)x} + c_2 e^{(\alpha - \beta i)x},</math>
:जिसे यूलर के सूत्र का उपयोग करके वास्तविक रूप में फिर से लिखा जा सकता है:
:जिसे यूलर के सूत्र का उपयोग करके वास्तविक रूप में फिर से लिखा जा सकता है:
::<math> e^{\alpha x}  (c_1\cos(\beta x) + c_2 \sin(\beta x)).</math>
::<math> e^{\alpha x}  (c_1\cos(\beta x) + c_2 \sin(\beta x)).</math>
समाधान ढूँढना {{math|''y''(''x'')}} संतुष्टि देने वाला {{math|1=''y''(0) = ''d''<sub>1</sub>}} तथा {{math|1=''y''′(0) = ''d''<sub>2</sub>}}, एक उपरोक्त सामान्य समाधान के मूल्यों को बराबर करता है {{math|0}} और इसके व्युत्पन्न वहाँ करने के लिए {{math|''d''<sub>1</sub>}} तथा {{math|''d''<sub>2</sub>}}, क्रमश। इसका परिणाम दो अज्ञात में दो रैखिक समीकरणों की एक रैखिक प्रणाली में होता है {{math|''c''<sub>1</sub>}} तथा {{math|''c''<sub>2</sub>}}. इस प्रणाली को हल करने से तथाकथित कॉची सीमा स्थिति का समाधान मिलता है, जिसमें मान {{math|0}} DEQ और उसके व्युत्पन्न के समाधान के लिए निर्दिष्ट हैं।
समाधान ढूँढना {{math|''y''(''x'')}} संतुष्टि देने वाला {{math|1=''y''(0) = ''d''<sub>1</sub>}} तथा {{math|1=''y''′(0) = ''d''<sub>2</sub>}}, उपरोक्त सामान्य समाधान के मानों को {{math|0}} पर और उसके व्युत्पन्न को क्रमशः {{math|''d''<sub>1</sub>}} और {{math|''d''<sub>2</sub>}} के बराबर करता है। इसका परिणाम दो अज्ञात {{math|''c''<sub>1</sub>}} और {{math|''c''<sub>2</sub>}} में दो रैखिक समीकरणों की एक रैखिक प्रणाली में होता है। इस प्रणाली को हल करने से तथाकथित कौची समस्या का समाधान मिलता है, जिसमें डीईक्यू (DEQ) और उसके व्युत्पन्न के समाधान के लिए {{math|0}} पर मान निर्दिष्ट हैं।


== निरंतर गुणांक के साथ गैर-सजातीय समीकरण ==
== नियत गुणांक के साथ गैर-सजातीय समीकरण ==
क्रम का एक गैर-सजातीय समीकरण {{mvar|n}} निरंतर गुणांक के साथ लिखा जा सकता है
अचर गुणांकों के साथ क्रम {{mvar|n}} का एक '''गैर-सजातीय समीकरण''' लिखा जा सकता है
:<math>y^{(n)}(x) + a_1 y^{(n-1)}(x) + \cdots + a_{n-1} y'(x)+ a_ny(x) = f(x),</math>
:<math>y^{(n)}(x) + a_1 y^{(n-1)}(x) + \cdots + a_{n-1} y'(x)+ a_ny(x) = f(x),</math>
कहाँ पे {{math|''a''<sub>1</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं, {{mvar|f}} का दिया गया कार्य है {{mvar|x}}, तथा {{mvar|y}} अज्ञात कार्य है (सादगी के लिए,{{math|(''x'')}}निम्नलिखित में छोड़ा जाएगा)।
जहाँ पर {{math|''a''<sub>1</sub>, ..., ''a''<sub>''n''</sub>}} वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं, {{mvar|f}} {{mvar|x}} का दिया गया कार्य है , तथा {{mvar|y}} अज्ञात कार्य है (सादगी के लिए,{{math|(''x'')}}निम्नलिखित में छोड़ा जाएगा)।


ऐसे समीकरण को हल करने की कई विधियाँ हैं। सर्वोत्तम विधि फ़ंक्शन की प्रकृति पर निर्भर करती है {{mvar|f}} जो समीकरण को गैर-सजातीय बनाता है। यदि {{mvar|f}} घातीय और साइनसोइडल कार्यों का एक रैखिक संयोजन है, तो [[ घातीय प्रतिक्रिया सूत्र ]] का उपयोग किया जा सकता है। यदि, अधिक सामान्यतः, {{mvar|f}} प्रपत्र के कार्यों का एक रैखिक संयोजन है {{math|''x''<sup>''n''</sup>''e''<sup>''ax''</sup>}}, {{math|''x''<sup>''n''</sup> cos(''ax'')}}, तथा {{math|''x''<sup>''n''</sup> sin(''ax'')}}, कहाँ पे {{mvar|n}} एक ऋणात्मक पूर्णांक है, और {{mvar|a}} एक स्थिरांक (जो प्रत्येक पद में समान होना आवश्यक नहीं है), तो अनिर्धारित गुणांकों की विधि का उपयोग किया जा सकता है। और भी अधिक सामान्य, एनीहिलेटर विधि तब लागू होती है जब {{mvar|f}} एक सजातीय रैखिक अंतर समीकरण को संतुष्ट करता है, आमतौर पर, एक होलोनोमिक फ़ंक्शन।
ऐसे समीकरण को हल करने की कई विधियाँ होती हैं। सर्वोत्तम विधि फलन की प्रकृति पर निर्भर करती है {{mvar|f}} जो समीकरण को गैर-सजातीय बनाता है। यदि {{mvar|f}} घातीय और ज्यावक्रीय कार्यों का एक रैखिक संयोजन है, तो [[ घातीय प्रतिक्रिया सूत्र |घातीय प्रतिक्रिया सूत्र]] का उपयोग किया जा सकता है। यदि, अधिक सामान्यतः, {{mvar|f}} प्रपत्र के कार्यों का एक रैखिक संयोजन है {{math|''x''<sup>''n''</sup>''e''<sup>''ax''</sup>}}, {{math|''x''<sup>''n''</sup> cos(''ax'')}}, तथा {{math|''x''<sup>''n''</sup> sin(''ax'')}}, जहाँ पर {{mvar|n}} एक ऋणात्मक पूर्णांक है, और {{mvar|a}} एक स्थिरांक (जो प्रत्येक पद में समान होना आवश्यक नहीं है), तो अनिर्धारित गुणांकों की विधि का उपयोग किया जा सकता है। और भी अधिक सामान्य, एनीहिलेटर विधि तब लागू होती है जब {{mvar|f}} एक सजातीय रैखिक अवकल समीकरण को संतुष्ट करता है, आमतौर पर, एक होलोनोमिक फलन।


सबसे सामान्य विधि [[ स्थिरांक की भिन्नता ]] है, जिसे यहां प्रस्तुत किया गया है।
सबसे सामान्य विधि [[ स्थिरांक की भिन्नता ]]है, जिसे यहां प्रस्तुत किया गया है।


संबंधित सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान
संबंधित '''सजातीय समीकरण''' का सामान्य समाधान
:<math>y^{(n)} + a_1 y^{(n-1)} + \cdots + a_{n-1} y'+ a_ny = 0</math>
:<math>y^{(n)} + a_1 y^{(n-1)} + \cdots + a_{n-1} y'+ a_ny = 0</math>
है
है
:<math>y=u_1y_1+\cdots+ u_ny_n,</math>
:<math>y=u_1y_1+\cdots+ u_ny_n,</math>
कहाँ पे {{math|(''y''<sub>1</sub>, ..., ''y''<sub>''n''</sub>)}} समाधानों के सदिश समष्टि का आधार है और {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}} मनमानी स्थिरांक हैं। स्थिरांक की भिन्नता की विधि का नाम निम्नलिखित विचार से लिया गया है। विचार करने के बजाय {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}} स्थिरांक के रूप में, उन्हें अज्ञात कार्यों के रूप में माना जा सकता है जिन्हें बनाने के लिए निर्धारित किया जाना है {{mvar|y}} गैर-सजातीय समीकरण का एक समाधान। इस उद्देश्य के लिए, कोई बाधाओं को जोड़ता है
जहाँ पर {{math|(''y''<sub>1</sub>, ..., ''y''<sub>''n''</sub>)}} समाधानों के सदिश समष्टि का आधार है और {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}} मनमानी स्थिरांक हैं। स्थिरांक की भिन्नता की विधि का नाम निम्नलिखित विचार से लिया गया है। विचार करने के बजाय {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}} स्थिरांक के रूप में, उन्हें अज्ञात कार्यों के रूप में माना जा सकता है जिन्हें बनाने के लिए निर्धारित किया जाना है {{mvar|y}} गैर-सजातीय समीकरण का एक समाधान है। इस उद्देश्य के लिए, कोई बाधाओं को जोड़ता है
:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
0 &= u'_1y_1 + u'_2y_2 + \cdots+u'_ny_n \\
0 &= u'_1y_1 + u'_2y_2 + \cdots+u'_ny_n \\
Line 129: Line 127:
के लिये {{math|1=''i'' = 1, ..., ''n'' – 1}}, तथा
के लिये {{math|1=''i'' = 1, ..., ''n'' – 1}}, तथा
:<math>y^{(n)} = u_1 y_1^{(n)} + \cdots + u_n y_n^{(n)} +u'_1y_1^{(n-1)}+u'_2y_2^{(n-1)}+\cdots+u'_ny_n^{(n-1)}.</math>
:<math>y^{(n)} = u_1 y_1^{(n)} + \cdots + u_n y_n^{(n)} +u'_1y_1^{(n-1)}+u'_2y_2^{(n-1)}+\cdots+u'_ny_n^{(n-1)}.</math>
मूल समीकरण में प्रतिस्थापित करना {{mvar|y}} और इन अभिव्यक्तियों द्वारा इसके व्युत्पन्न, और इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि {{math|''y''<sub>1</sub>, ..., ''y''<sub>''n''</sub>}} मूल सजातीय समीकरण के समाधान हैं, एक मिलता है
मूल समीकरण में प्रतिस्थापित करना {{mvar|y}} और इन अभिव्यक्तियों द्वारा इसके व्युत्पन्न, और इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि {{math|''y''<sub>1</sub>, ..., ''y''<sub>''n''</sub>}} मूल सजातीय समीकरण के समाधान हैं, जो इस प्रकार हैं
:<math>f=u'_1y_1^{(n-1)} + \cdots + u'_ny_n^{(n-1)}.</math>
:<math>f=u'_1y_1^{(n-1)} + \cdots + u'_ny_n^{(n-1)}.</math>
यह समीकरण और ऊपर वाले के साथ {{math|0}} बाएं हाथ के रूप में एक प्रणाली बनाते हैं {{mvar|n}} में रैखिक समीकरण {{math|''u''′<sub>1</sub>, ..., ''u''′<sub>''n''</sub>}} जिनके गुणांक ज्ञात फलन हैं ({{mvar|f}}, द {{math|''y''{{sub|i}}}}, और उनके डेरिवेटिव)। इस प्रणाली को रैखिक बीजगणित की किसी भी विधि द्वारा हल किया जा सकता है। एंटीडेरिवेटिव्स की गणना देता है {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}}, और फिर {{math|1=''y'' = ''u''<sub>1</sub>''y''<sub>1</sub> + ⋯ + ''u''<sub>''n''</sub>''y''<sub>''n''</sub>}}.
यह समीकरण और ऊपर वाले के साथ {{math|0}} बाएं हाथ के रूप में एक प्रणाली बनाते हैं {{mvar|n}} में रैखिक समीकरण {{math|''u''′<sub>1</sub>, ..., ''u''′<sub>''n''</sub>}} जिनके गुणांक ज्ञात फलन हैं ({{mvar|f}}, द {{math|''y''{{sub|i}}}}, और उनके व्युत्पन्न)। इस प्रणाली को रैखिक बीजगणित की किसी भी विधि द्वारा हल किया जा सकता है। विरोधीव्युत्पन्न्स की गणना देता है {{math|''u''<sub>1</sub>, ..., ''u''<sub>''n''</sub>}}, और फिर {{math|1=''y'' = ''u''<sub>1</sub>''y''<sub>1</sub> + ⋯ + ''u''<sub>''n''</sub>''y''<sub>''n''</sub>}}.


जैसा कि एंटीडेरिवेटिव को एक स्थिरांक के जोड़ तक परिभाषित किया जाता है, कोई फिर से पाता है कि गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान एक मनमाना समाधान और संबंधित सजातीय समीकरण के सामान्य समाधान का योग है।
जैसा कि विरोधीव्युत्पन्न को एक स्थिरांक के योग तक परिभाषित किया जाता है, कोई फिर से पाता है कि गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान एक मनमाना समाधान का योग है और संबंधित सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान।


== चर गुणांक के साथ प्रथम-क्रम समीकरण ==
== चर गुणांक के साथ प्रथम-क्रम समीकरण ==


के गुणांक को विभाजित करने के बाद क्रम 1 के एक रैखिक साधारण अंतर समीकरण का सामान्य रूप {{math|''y''′(''x'')}}, है:
के गुणांक को विभाजित करने के बाद क्रम 1 के एक रैखिक साधारण अवकल समीकरण का सामान्य रूप {{math|''y''′(''x'')}}, है:
:<math>y'(x) = f(x) y(x) + g(x).</math>
:<math>y'(x) = f(x) y(x) + g(x).</math>
यदि समीकरण सजातीय है, अर्थात्। {{math|1=''g''(''x'') = 0}}, कोई फिर से लिख सकता है और एकीकृत कर सकता है:
यदि समीकरण सजातीय है, अर्थात {{math|1=''g''(''x'') = 0}}, तो हम फिर से लिख सकते है और इसे एकीकृत कर सकते है:
:<math>\frac{y'}{y}= f, \qquad \log y = k +F, </math>
:<math>\frac{y'}{y}= f, \qquad \log y = k +F, </math>
कहाँ पे {{mvar|k}} एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है और <math>F=\textstyle\int f\,dx</math> का कोई व्युत्पन्न है {{mvar|f}}. अत: समांगी समीकरण का व्यापक हल है
जहाँ पर {{mvar|k}} एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है और <math>F=\textstyle\int f\,dx</math> {{mvar|f}} का कोई व्युत्पन्न है। अत: समांगी समीकरण का व्यापक हल कुछ इस प्रकार होगा
:<math>y=ce^F,</math>
:<math>y=ce^F,</math>
कहाँ पे {{math|1=''c'' = ''e''<sup>''k''</sup>}} एक मनमाना स्थिरांक है।
जहाँ पर {{math|1=''c'' = ''e''<sup>''k''</sup>}} एक मनमाना स्थिरांक है।


सामान्य गैर-सजातीय समीकरण के लिए, कोई इसे गुणन प्रतिलोम से गुणा कर सकता है {{math|''e''<sup>−''F''</sup>}} सजातीय समीकरण के समाधान के लिए।<ref>Motivation: In analogy to [[Quadratic formula#By using the 'completing the square' technique|completing the square]], we write the equation as {{math|1=''y''′ − ''fy'' = ''g''}}, and try to modify the left side so it becomes a derivative. Specifically, we seek an "integrating factor" {{math|1=''h'' = ''h''(''x'')}} such that multiplying by it makes the left side equal to the derivative of {{math|''hy''}}, namely {{math|1=''hy''′ − ''hfy'' = (''hy'')′}}. This means {{math|1=''h''′ = −''f''}}, so that {{math|1=''h'' = ''e''<sup>−∫ ''f'' ''dx''</sup> = ''e''<sup>−''F''</sup>}}, as in the text.</ref> यह देता है
सामान्य गैर-सजातीय समीकरण के लिए, कोई इसे गुणन प्रतिलोम से गुणा कर सकता है {{math|''e''<sup>−''F''</sup>}} सजातीय समीकरण के समाधान के लिए।<ref>Motivation: In analogy to [[Quadratic formula#By using the 'completing the square' technique|completing the square]], we write the equation as {{math|1=''y''′ − ''fy'' = ''g''}}, and try to modify the left side so it becomes a derivative. Specifically, we seek an "integrating factor" {{math|1=''h'' = ''h''(''x'')}} such that multiplying by it makes the left side equal to the derivative of {{math|''hy''}}, namely {{math|1=''hy''′ − ''hfy'' = (''hy'')′}}. This means {{math|1=''h''′ = −''f''}}, so that {{math|1=''h'' = ''e''<sup>−∫ ''f'' ''dx''</sup> = ''e''<sup>−''F''</sup>}}, as in the text.</ref> इस प्रकार समीकरण कुछ ऐसा होगा
:<math>y'e^{-F}-yfe^{-F}= ge^{-F}.</math>
:<math>y'e^{-F}-yfe^{-F}= ge^{-F}.</math>
जैसा {{tmath|1=-fe^{-F} = \tfrac{d}{dx} \left(e^{-F}\right),}} उत्पाद नियम समीकरण को फिर से लिखने की अनुमति देता है
जैसे {{tmath|1=-fe^{-F} = \tfrac{d}{dx} \left(e^{-F}\right),}} उत्पाद नियम समीकरण को फिर से लिखने की अनुमति देता है
:<math>\frac{d}{dx}\left(ye^{-F}\right)= ge^{-F}.</math>
:<math>\frac{d}{dx}\left(ye^{-F}\right)= ge^{-F}.</math>
इस प्रकार, सामान्य समाधान है
इस प्रकार, सामान्य समाधान है
:<math>y=ce^F + e^F\int ge^{-F}dx,</math>
:<math>y=ce^F + e^F\int ge^{-F}dx,</math>
कहाँ पे {{mvar|c}} एकीकरण का एक स्थिरांक है, और {{mvar|F}} का कोई व्युत्पन्न है {{mvar|f}} (एकीकरण की निरंतरता को बदलने के लिए एंटीडेरिवेटिव मात्रा में परिवर्तन)।
जहाँ पर {{mvar|c}} एकीकरण का एक स्थिरांक है, और {{mvar|F}} {{mvar|f}} का कोई व्युत्पन्न है (एकीकरण की निरंतरता को बदलने के लिए एंटीव्युत्पन्न मात्रा में परिवर्तन)।


=== उदाहरण ===
=== उदाहरण ===
समीकरण हल करना
समीकरण हल करने पर
: <math>y'(x) + \frac{y(x)}{x} = 3x.</math>
: <math>y'(x) + \frac{y(x)}{x} = 3x.</math>
संबंधित सजातीय समीकरण <math>y'(x) + \frac{y(x)}{x} = 0</math> देता है
संबंधित सजातीय समीकरण <math>y'(x) + \frac{y(x)}{x} = 0</math> देता है
Line 170: Line 168:
एक विशेष समाधान मिलता है
एक विशेष समाधान मिलता है
:<math>y(x)=x^2+\frac{\alpha-1}{x}.</math>
:<math>y(x)=x^2+\frac{\alpha-1}{x}.</math>
== रैखिक अवकल समीकरणों की प्रणाली ==
'''रैखिक अवकल समीकरणों की प्रणाली''' में कई रैखिक अवकल समीकरण होते हैं जिनमें कई अज्ञात कार्य शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर एक अध्ययन को प्रणाली तक सीमित रखता है जैसे कि अज्ञात कार्यों की संख्या समीकरणों की संख्या के बराबर होती है।


एक मनमाना रैखिक साधारण अवकल समीकरण और इस तरह के समीकरणों की एक प्रणाली को सभी के लिए चर जोड़कर रैखिक अवकल समीकरणों के पहले क्रम प्रणाली में परिवर्तित किया जा सकता है लेकिन उच्चतम क्रम व्युत्पन्न। यानी अगर {{tmath| y', y'', \ldots, y^{(k)} }} एक समीकरण में दिखाई देते हैं, कोई उन्हें नए अज्ञात कार्यों {{tmath|y_1, \ldots, y_k }} से बदल सकता है, जो समीकरणों  {{tmath|1=y'=y_1}} तथा {{tmath|1=y_i'=y_{i+1},}} के लिये {{math|1=''i'' = 1, ..., ''k'' – 1}} को संतुष्ट करना चाहिए।


== रैखिक अंतर समीकरणों की प्रणाली ==
पहले क्रम की एक रैखिक प्रणाली, जिसमें है {{mvar|n}} अज्ञात कार्य हैं और {{mvar|n}} अवकल समीकरणों को सामान्यतः अज्ञात फलनों के व्युत्पन्नों के लिए हल किया जा सकता है। यदि ऐसा नहीं है तो यह समीकरणों की एक अंतर-बीजगणितीय प्रणाली है | विभेदक-बीजगणितीय प्रणाली, और यह एक अलग सिद्धांत है। इसलिए, यहां जिन प्रणालियों पर विचार किया गया है, इसका रूप है
{{Main|Matrix differential equation}}
रैखिक अंतर समीकरणों की एक प्रणाली में कई रैखिक अंतर समीकरण होते हैं जिनमें कई अज्ञात कार्य शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर एक अध्ययन को सिस्टम तक सीमित रखता है जैसे कि अज्ञात कार्यों की संख्या समीकरणों की संख्या के बराबर होती है।
 
एक मनमाना रैखिक साधारण अंतर समीकरण और इस तरह के समीकरणों की एक प्रणाली को सभी के लिए चर जोड़कर रैखिक अंतर समीकरणों के पहले क्रम प्रणाली में परिवर्तित किया जा सकता है लेकिन उच्चतम क्रम डेरिवेटिव। यानी अगर {{tmath| y', y'', \ldots, y^{(k)} }} एक समीकरण में दिखाई देते हैं, कोई उन्हें नए अज्ञात कार्यों से बदल सकता है {{tmath|y_1, \ldots, y_k }} जो समीकरणों को संतुष्ट करना चाहिए {{tmath|1=y'=y_1}} तथा {{tmath|1=y_i'=y_{i+1},}} के लिये {{math|1=''i'' = 1, ..., ''k'' – 1}}.
 
पहले क्रम की एक रैखिक प्रणाली, जिसमें है {{mvar|n}} अज्ञात कार्य और {{mvar|n}} अवकल समीकरणों को सामान्यतः अज्ञात फलनों के व्युत्पन्नों के लिए हल किया जा सकता है। यदि ऐसा नहीं है तो यह समीकरणों की एक अंतर-बीजगणितीय प्रणाली है | विभेदक-बीजगणितीय प्रणाली, और यह एक अलग सिद्धांत है। इसलिए, यहां जिन प्रणालियों पर विचार किया गया है, उनका रूप है
:<math>\begin{align}y_1'(x) &= b_1(x) +a_{1,1}(x)y_1+\cdots+a_{1,n}(x)y_n\\
:<math>\begin{align}y_1'(x) &= b_1(x) +a_{1,1}(x)y_1+\cdots+a_{1,n}(x)y_n\\
\vdots&\\
\vdots&\\
y_n'(x) &= b_n(x) +a_{n,1}(x)y_1+\cdots+a_{n,n}(x)y_n,\end{align}</math>
y_n'(x) &= b_n(x) +a_{n,1}(x)y_1+\cdots+a_{n,n}(x)y_n,\end{align}</math>
कहाँ पे {{tmath|b_n}} और यह {{tmath|a_{i,j} }} के कार्य हैं {{mvar|x}}. मैट्रिक्स नोटेशन में, यह सिस्टम लिखा जा सकता है (छोड़कर{{math|(''x'')}})
जहाँ पर {{tmath|b_n}} और {{tmath|a_{i,j} }}, {{mvar|x}} के कार्य हैं, आव्यहु (मैट्रिक्स) सूचक में, यह प्रणाली लिखी जा सकती है (छोड़कर{{math|(''x'')}})
:<math>\mathbf{y}' = A\mathbf{y}+\mathbf{b}.</math>
:<math>\mathbf{y}' = A\mathbf{y}+\mathbf{b}.</math>
हल करने की विधि एकल प्रथम क्रम रैखिक अंतर समीकरणों के समान है, लेकिन मैट्रिक्स गुणन की गैर-कम्यूटेटिविटी से उपजी जटिलताओं के साथ।
हल करने की विधि एकल प्रथम क्रम रैखिक अवकल समीकरणों के समान है, लेकिन आव्यहु गुणन की गैर-क्रम विनिमेयीकरण नियम से उपजी जटिलताओं के साथ।


होने देना
मान लीजिए
:<math>\mathbf{u}' = A\mathbf{u}.</math>
:<math>\mathbf{u}' = A\mathbf{u}.</math>
उपरोक्त मैट्रिक्स समीकरण से जुड़े सजातीय समीकरण बनें।
उपरोक्त आव्यहु समीकरण से जुड़े सजातीय समीकरण बनें।
इसके समाधान आयाम का एक सदिश स्थान बनाते हैं {{mvar|n}}, और इसलिए कार्यों के एक [[ वर्ग मैट्रिक्स ]] के स्तंभ हैं {{tmath|U(x)}}, जिसका सारणिक शून्य फलन नहीं है। यदि {{math|1=''n'' = 1}}, या {{mvar|A}} स्थिरांक का एक मैट्रिक्स है, या, अधिक सामान्यतः, यदि {{mvar|A}} इसके एंटीडेरिवेटिव के साथ आवागमन करता है {{tmath|1=\textstyle B=\int Adx}}, तो कोई चुन सकता है {{mvar|U}} के [[ मैट्रिक्स घातांक ]] के बराबर {{mvar|B}}. वास्तव में, इन मामलों में, एक है
 
इसके समाधान आयाम का एक सदिश स्थान बनाते हैं {{mvar|n}}, और इसलिए कार्यों के एक[[ वर्ग मैट्रिक्स |वर्ग आव्यहु]] , {{tmath|U(x)}} के स्तंभ हैं जिसका सारणिक शून्य फलन नहीं है। यदि {{math|1=''n'' = 1}}, या {{mvar|A}} स्थिरांक का एक आव्यहु है, या, अधिक सामान्यतः, यदि {{mvar|A}} इसके विरोधीव्युत्पन्न के साथ आवागमन करता है {{tmath|1=\textstyle B=\int Adx}}, तो कोई चुन सकता है {{mvar|U}} के [[ मैट्रिक्स घातांक |आव्यहु घातांक]] के बराबर {{mvar|B}}. वास्तव में, इन मामलों में, एक है
:<math>\frac{d}{dx}\exp(B) = A\exp (B).</math>
:<math>\frac{d}{dx}\exp(B) = A\exp (B).</math>
सामान्य स्थिति में सजातीय समीकरण के लिए कोई बंद-रूप समाधान नहीं होता है, और किसी को या तो एक [[ संख्यात्मक विधि ]], या [[ मैग्नस विस्तार ]] जैसे सन्निकटन विधि का उपयोग करना पड़ता है।
सामान्य स्थिति में सजातीय समीकरण के लिए कोई बंद-रूप समाधान नहीं होता है, और किसी को या तो एक [[ संख्यात्मक विधि |संख्यात्मक विधि]] , या [[ मैग्नस विस्तार ]] जैसे सन्निकटन विधि का उपयोग करना पड़ता है।


मैट्रिक्स को जानना {{mvar|U}}, गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान है
आव्यहु {{mvar|U}} को जानना, गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान है
:<math>\mathbf{y}(x) = U(x)\mathbf{y_0} + U(x)\int U^{-1}(x)\mathbf{b}(x)\,dx,</math>
:<math>\mathbf{y}(x) = U(x)\mathbf{y_0} + U(x)\int U^{-1}(x)\mathbf{b}(x)\,dx,</math>
जहां स्तंभ मैट्रिक्स <math>\mathbf{y_0}</math> एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है।
जहां स्तंभ आव्यहु <math>\mathbf{y_0}</math> एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है।


यदि प्रारंभिक शर्तें इस प्रकार दी गई हैं:
यदि प्रारंभिक शर्तें इस प्रकार दी गई हैं:
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इन प्रारंभिक शर्तों को संतुष्ट करने वाला समाधान है
इन प्रारंभिक शर्तों को संतुष्ट करने वाला समाधान है
:<math>\mathbf{y}(x) = U(x)U^{-1}(x_0)\mathbf{y_0} + U(x)\int_{x_0}^x U^{-1}(t)\mathbf{b}(t)\,dt.</math>
:<math>\mathbf{y}(x) = U(x)U^{-1}(x_0)\mathbf{y_0} + U(x)\int_{x_0}^x U^{-1}(t)\mathbf{b}(t)\,dt.</math>
== परिवर्तनीय गुणांक के साथ उच्च क्रम ==
== परिवर्तनीय गुणांक के साथ उच्च क्रम ==
चर गुणांक वाले कोटि के एक रेखीय साधारण समीकरण को द्विघात (गणित) द्वारा हल किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि समाधान प्रतिअवकलन के रूप में व्यक्त किए जा सकते हैं। कम से कम दो आदेश के मामले में ऐसा नहीं है। यह पिकार्ड-वेसियट सिद्धांत का मुख्य परिणाम है जिसे एमिल पिकार्ड और [[ अर्नेस्ट वेसियोट ]] द्वारा शुरू किया गया था, और जिनके हाल के विकास [[ डिफरेंशियल गैलोइस थ्योरी ]] सिद्धांत कहा जाता है।
चर गुणांक वाले कोटि के एक रेखीय साधारण समीकरण को द्विघात द्वारा हल किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि समाधानों को इंटीग्रल के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।


चतुर्भुज द्वारा हल करने की असंभवता की तुलना एबेल-रफिनी प्रमेय से की जा सकती है, जिसमें कहा गया है कि कम से कम पांच डिग्री के बीजगणितीय समीकरण को सामान्य रूप से रेडिकल द्वारा हल नहीं किया जा सकता है। यह सादृश्य प्रमाण विधियों तक फैला हुआ है और विभेदक गैलोइस सिद्धांत के संप्रदाय को प्रेरित करता है।
कम से कम दो आदेश के मामले में ऐसा नहीं है। यह पिकार्ड वेसियट सिद्धांत का मुख्य परिणाम है जिसे एमिल पिकार्ड और [[ अर्नेस्ट वेसियोट |अर्नेस्ट वेसियोट]] ने शुरू किया था, और जिनके हाल के घटनाक्रमों को [[ डिफरेंशियल गैलोइस थ्योरी |डिफरेंशियल गैलोइस थ्योरी]] कहा जाता है।


इसी तरह बीजगणितीय मामले के लिए, सिद्धांत यह तय करने की अनुमति देता है कि कौन से समीकरणों को चतुर्भुज द्वारा हल किया जा सकता है, और यदि संभव हो तो उन्हें हल करना। हालांकि, दोनों सिद्धांतों के लिए, सबसे शक्तिशाली कंप्यूटरों के साथ भी, आवश्यक गणनाएं बेहद कठिन हैं।
चतुर्भुज द्वारा हल करने की असंभवता की तुलना एबेल रफिनी प्रमेय से की जा सकती है, जिसमें कहा गया है कि कम से कम पांच डिग्री के बीजीय समीकरण को आम तौर पर मौलिकता द्वारा हल नहीं किया जा सकता है। यह सादृश्य प्रमाण विधियों तक फैला हुआ है और विभेदक [[गैलोइस सिद्धांत]] के संप्रदाय को प्रेरित करता है।


फिर भी, तर्कसंगत गुणांक वाले क्रम दो के मामले को कोवासिक के एल्गोरिथम द्वारा पूरी तरह से हल कर लिया गया है।
इसी तरह बीजगणितीय मामले के लिए, सिद्धांत निर्णय लेने की अनुमति देता है कौन से समीकरणों को चतुर्भुज द्वारा हल किया जा सकता है, और यदि संभव हो तो उनका समाधान करें। हालाँकि, दोनों सिद्धांतों के लिए, आवश्यक संगणनाएँ अत्यंत कठिन हैं, सबसे शक्तिशाली कंप्यूटर के साथ भी।


=== कॉची-यूलर समीकरण ===
=== कॉची-यूलर समीकरण ===
कॉची-यूलर समीकरण चर गुणांक वाले किसी भी क्रम के समीकरणों के उदाहरण हैं, जिन्हें स्पष्ट रूप से हल किया जा सकता है। ये फॉर्म के समीकरण हैं
'''कॉची-यूलर समीकरण''' चर गुणांक वाले किसी भी क्रम के समीकरणों के उदाहरण हैं,जिसे स्पष्ट रूप से हल किया जा सकता है। ये फॉर्म के समीकरण हैं
:<math>x^n y^{(n)}(x) + a_{n-1} x^{n-1} y^{(n-1)}(x) + \cdots + a_0 y(x) = 0,</math> कहाँ पे {{tmath|a_0, \ldots, a_{n-1} }} स्थिर गुणांक हैं।
:<math>x^n y^{(n)}(x) + a_{n-1} x^{n-1} y^{(n-1)}(x) + \cdots + a_0 y(x) = 0,</math> कहाँ पे {{tmath|a_0, \ldots, a_{n-1} }} स्थिर गुणांक हैं।


== होलोनोमिक फ़ंक्शन ==
== होलोनोमिक फलन ==
{{Main|holonomic function}}
एक '''होलोनोमिक फलन''', जिसे डी (D) परिमित फलन भी कहा जाता है, और यह एक ऐसा फलन है जो बहुपद गुणांकों वाले सजातीय रैखिक अवकल समीकरण का हल है।
एक होलोनोमिक फ़ंक्शन, जिसे डी-परिमित फ़ंक्शन भी कहा जाता है, एक ऐसा फ़ंक्शन है जो बहुपद गुणांक के साथ एक सजातीय रैखिक अंतर समीकरण का समाधान है।


आमतौर पर गणित में जिन कार्यों पर विचार किया जाता है, वे होलोनोमिक या होलोनोमिक फ़ंक्शंस के भागफल होते हैं। वास्तव में, होलोनोमिक कार्यों में बहुपद, बीजगणितीय कार्य, लघुगणक, घातीय कार्य, साइन, कोसाइन, अतिशयोक्तिपूर्ण साइन, अतिशयोक्तिपूर्ण कोसाइन, उलटा त्रिकोणमितीय कार्य और प्रतिलोम अतिशयोक्तिपूर्ण कार्य, और कई विशेष कार्य जैसे बेसेल फ़ंक्शन और हाइपरजोमेट्रिक फ़ंक्शन शामिल हैं।
आमतौर पर गणित में जिन कार्यों पर विचार किया जाता है, वे होलोनोमिक या होलोनोमिक फलन के भागफल होते हैं। वास्तव में, होलोनोमिक कार्यों में बहुपद, बीजगणितीय कार्य, लघुगणक, घातीय कार्य, ज्या, कोज्या, हाइपरबॉलिक ज्या, हाइपरबॉलिक कोज्या, उलटा त्रिकोणमितीय और उलटा हाइपरबॉलिक फलन शामिल हैं और कई विशेष कार्य जैसे बेसेल फलन और हाइपरजोमेट्रिक फलन।


होलोनोमिक फ़ंक्शंस में कई [[ बंद संपत्ति ]] होती है; विशेष रूप से, योग, उत्पाद, व्युत्पन्न और होलोनोमिक कार्यों के प्रतिपक्षी समग्र हैं। इसके अलावा, ये क्लोजर गुण प्रभावी हैं, इस अर्थ में कि इनपुट के अंतर समीकरणों को जानने के लिए इनमें से किसी भी ऑपरेशन के परिणाम के अंतर समीकरण की गणना के लिए [[ कलन विधि ]] हैं।<ref name =zeilberger>Zeilberger, Doron. ''[https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037704279090042X/pdf?md5=8b21c545d20a52a50dffdf6808bba4a8&isDTMRedir=Y&pid=1-s2.0-037704279090042X-main.pdf A holonomic systems approach to special functions identities]''. Journal of computational and applied mathematics. 32.3 (1990): 321-368</ref>
होलोनोमिक फलन में कई [[ बंद संपत्ति |बंद संपत्ति]] गुण होते हैं; विशेष रूप से, योग, उत्पाद, व्युत्पन्न और होलोनोमिक कार्यों के अभिन्न अंग होलोनोमिक हैं। इसके अलावा, ये बंद गुण प्रभावी हैं, इस अर्थ में कि इनमें से किसी भी प्रचालक के परिणाम के अवकल समीकरण की गणना के लिए [[ कलन विधि |कलन विधि]] हैं,<ref name="zeilberger">Zeilberger, Doron. ''[https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037704279090042X/pdf?md5=8b21c545d20a52a50dffdf6808bba4a8&isDTMRedir=Y&pid=1-s2.0-037704279090042X-main.pdf A holonomic systems approach to special functions identities]''. Journal of computational and applied mathematics. 32.3 (1990): 321-368</ref> इनपुट के अवकल समीकरणों को जानते हुए। [3] होलोनोमिक फलन की अवधारणा की उपयोगिता ज़िलबर्गर के प्रमेय का परिणाम है, जो इस प्रकार है।<ref name="zeilberger" />
होलोनोमिक फ़ंक्शंस की अवधारणा की उपयोगिता ज़िलबर्गर के प्रमेय के परिणाम है, जो इस प्रकार है।<ref name=zeilberger/>


एक होलोनोमिक अनुक्रम संख्याओं का एक क्रम है जो बहुपद गुणांक के साथ [[ पुनरावृत्ति संबंध ]] द्वारा उत्पन्न हो सकता है। एक होलोनोमिक फ़ंक्शन के एक बिंदु पर [[ टेलर श्रृंखला ]] के गुणांक एक होलोनोमिक अनुक्रम बनाते हैं। इसके विपरीत, यदि एक शक्ति श्रृंखला के गुणांकों का क्रम होलोनोमिक है, तो श्रृंखला एक होलोनोमिक फ़ंक्शन को परिभाषित करती है (भले ही [[ अभिसरण की त्रिज्या ]] शून्य हो)। दोनों रूपांतरणों के लिए कुशल एल्गोरिदम हैं, जो कि अंतर समीकरण से पुनरावृत्ति संबंध की गणना के लिए है, और इसके विपरीत।
एक होलोनोमिक अनुक्रम संख्याओं का एक क्रम है जो बहुपद गुणांकों के साथ [[ पुनरावृत्ति संबंध |पुनरावृत्ति संबंध]] द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। एक होलोनोमिक फलन के एक बिंदु पर [[ टेलर श्रृंखला |टेलर श्रृंखला]] के गुणांक एक होलोनोमिक अनुक्रम बनाते हैं। इसके विपरीत, यदि किसी घात श्रेणी के गुणांकों का क्रम समरूप है, तब श्रृंखला एक होलोनोमिक फलन को परिभाषित करती है (भले ही [[ अभिसरण की त्रिज्या |अभिसरण की त्रिज्या]] शून्य हो)। दोनों रूपांतरणों के लिए कुशल एल्गोरिदम हैं, यह अवकल समीकरण से पुनरावृत्ति संबंध की गणना के लिए इसके विपरीत है।<ref name="zeilberger" />
<ref name=zeilberger/>


यह इस प्रकार है कि, यदि कोई अपने परिभाषित अंतर समीकरणों और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा होलोनोमिक कार्यों का प्रतिनिधित्व करता है, तो अधिकांश कैलकुस संचालन स्वचालित रूप से इन कार्यों पर किया जा सकता है, जैसे व्युत्पन्न, अनिश्चित अभिन्न और निश्चित अभिन्न, टेलर श्रृंखला की तेज़ गणना ( इसके गुणांकों पर पुनरावृत्ति संबंध के लिए धन्यवाद), सन्निकटन त्रुटि की प्रमाणित सीमा के साथ एक उच्च परिशुद्धता के लिए मूल्यांकन, सीमा (गणित), विलक्षणता का स्थानीयकरण (गणित), अनंत और निकट विलक्षणता पर [[ स्पर्शोन्मुख व्यवहार ]], पहचान का प्रमाण, आदि।<ref>Benoit, A., Chyzak, F., Darrasse, A., Gerhold, S., Mezzarobba, M., & Salvy, B. (2010, September). ''[https://hal.inria.fr/docs/00/78/30/48/PDF/ddmf.pdf The dynamic dictionary of mathematical functions (DDMF)]''. In International Congress on Mathematical Software (pp. 35-41). Springer, Berlin, Heidelberg.</ref>
यह इस प्रकार है कि, यदि कोई अपने परिभाषित अवकल समीकरणों और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा होलोनोमिक कार्यों का प्रतिनिधित्व करता है, तो इन कार्यों पर अधिकांश कैलकुस संचालन स्वचालित रूप से किया जा सकता है,


जैसे कि व्युत्पन्न, अनिश्चित और निश्चित अभिन्न, टेलर श्रृंखला की तेज गणना (इसके गुणांक पर पुनरावृत्ति संबंध के लिए धन्यवाद), अनुमान त्रुटि के प्रमाणित सीमा के साथ उच्च परिशुद्धता का मूल्यांकन, सीमाएं, विलक्षणताओं का स्थानीयकरण, अनंत और निकट पर [[ स्पर्शोन्मुख व्यवहार |स्पर्शोन्मुख व्यवहार]] विलक्षणता, पहचान का प्रमाण, आदि।<ref>Benoit, A., Chyzak, F., Darrasse, A., Gerhold, S., Mezzarobba, M., & Salvy, B. (2010, September). ''[https://hal.inria.fr/docs/00/78/30/48/PDF/ddmf.pdf The dynamic dictionary of mathematical functions (DDMF)]''. In International Congress on Mathematical Software (pp. 35-41). Springer, Berlin, Heidelberg.</ref>


==यह भी देखें==
==यह भी देखें==
*निरंतर चुकौती बंधक#साधारण समय अंतर समीकरण|निरंतर चुकौती बंधक
*नियत चुकौती बंधक साधारण समय अवकल समीकरण| नियत चुकौती बंधक
* [[ फुरियर रूपांतरण ]]
* [[ फुरियर रूपांतरण ]]
* [[ लाप्लास ट्रांसफॉर्म ]]
* [[ लाप्लास ट्रांसफॉर्म | लाप्लास स्थानांतरण]]
*[[ रैखिक अंतर समीकरण ]]
*[[ रैखिक अंतर समीकरण | रैखिक अवकल समीकरण]]
* [[ मापदंडों की विविधता ]]
* [[ मापदंडों की विविधता ]]


Line 409: Line 401:
*लग्रांगियन यांत्रिकी
*लग्रांगियन यांत्रिकी
*जाल विश्लेषण
*जाल विश्लेषण
*पॉइसन इंटीग्रल
*पॉइसन समाकलित
*affine परिवर्तन
*affine परिवर्तन
*तर्कसंगत कार्य
*तर्कसंगत कार्य
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*रैखिक-द्विघात-गाऊसी नियंत्रण
*रैखिक-द्विघात-गाऊसी नियंत्रण
*राज्य स्थान (नियंत्रण)
*राज्य स्थान (नियंत्रण)
*ऑपरेशनल एंप्लीफायर
*प्रचालकल एंप्लीफायर
*एलटीआई प्रणाली सिद्धांत
*एलटीआई प्रणाली सिद्धांत
*विशिष्ट एकीकृत परिपथ आवेदन
*विशिष्ट एकीकृत परिपथ आवेदन
Line 677: Line 669:
*ऑप एंप
*ऑप एंप
*आवेग invariance
*आवेग invariance
*बेसेल फ़ंक्शन
*बेसेल फलन
*जटिल सन्युग्म
*जटिल सन्युग्म
*संकेत प्रतिबिंब
*संकेत प्रतिबिंब
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*क्रमसूचक अंक
*क्रमसूचक अंक
*त्रिनाम
*त्रिनाम
*इंटीग्रल डोमेन
*समाकलित डोमेन
*सदिश स्थल
*सदिश स्थल
*फील्ड (गणित)
*फील्ड (गणित)
Line 855: Line 847:
*ध्रुव (जटिल विश्लेषण)
*ध्रुव (जटिल विश्लेषण)
*कम उत्तीर्ण
*कम उत्तीर्ण
*ऑपरेशनल एंप्लीफायर
*प्रचालकल एंप्लीफायर
*YIG क्षेत्र
*YIG क्षेत्र
*अनुरूप संकेत
*अनुरूप संकेत
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*मीटर
*मीटर
*शून्य समारोह
*शून्य समारोह
*फ़ंक्शन का डोमेन
*फलन का डोमेन
*कम शर्तें
*कम शर्तें
*समाशोधन भाजक
*समाशोधन भाजक
Line 1,371: Line 1,363:
*सर्कुलर कनवल्शन
*सर्कुलर कनवल्शन
*गुणा
*गुणा
*लेबेस्ग इंटीग्रल
*लेबेस्ग समाकलित
*तेजी से घट रहा कार्य
*तेजी से घट रहा कार्य
*बोरेल उपाय
*बोरेल उपाय
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*मध्य परिवर्तन
*मध्य परिवर्तन
*डीएफटी मैट्रिक्स
*डीएफटी मैट्रिक्स
*रैखिक ऑपरेटर
*रैखिक प्रचालक
*समय अपरिवर्तनीय प्रणाली
*समय अपरिवर्तनीय प्रणाली
*टोपोलॉजिकल ग्रुप
*टोपोलॉजिकल ग्रुप
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*अवकलनीय कार्य
*अवकलनीय कार्य
*उलटा त्रिकोणमितीय कार्य
*उलटा त्रिकोणमितीय कार्य
*साधारण अंतर समीकरण
*साधारण अवकल समीकरण
*उन लोगों के
*उन लोगों के
*विशेष समारोह
*विशेष समारोह
Line 1,420: Line 1,412:
*मुफ्त मॉड्यूल
*मुफ्त मॉड्यूल
*आधार (रैखिक बीजगणित)
*आधार (रैखिक बीजगणित)
*सरल जड़
*सरल मूल
*वास्तविक-मूल्यवान फ़ंक्शन
*वास्तविक-मूल्यवान फलन
*बीजगणित का मौलिक प्रमेय
*बीजगणित का मौलिक प्रमेय
*कॉची सीमा की स्थिति
*कॉची सीमा की स्थिति
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{{DEFAULTSORT:Linear Differential Equation}}
{{DEFAULTSORT:Linear Differential Equation}}
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Latest revision as of 16:28, 10 October 2022

गणित में, रैखिक अवकल समीकरण वह अवकल समीकरण है जो अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों को एक रैखिक बहुपद द्वारा परिभाषित करता है, रैखिक समीकरण को हम इस प्रकार प्रदर्शित करते हैं-

यहाँ a0(x), ..., an(x) और b(x) भिन्न भिन्न तरह से कार्य करते हैं एवम इन्हें रैखिक होने की आवश्यकता नहीं है, इसी प्रकार y′, ..., y(n) चर (वैरियेबल) x के अज्ञात फलन y के क्रमिक अवकलज होते हैं।

ऐसा समीकरण एक साधारण अवकल समीकरण (ODE) कहलाता है। एक रैखिक अवकल समीकरण एक आंशिक रैखिक अवकल समीकरण (PDE) भी हो सकता है, यदि अज्ञात फलन कई वैरियेबल और डेरिवेटिव पर निर्भर करता है तो ऐसे समीकरण में केवल आंशिक व्युत्पन्न दिखाई देगा।

रैखिक अवकल समीकरण या रैखिक समीकरणों की प्रणाली जैसे कि संबंधित सजातीय समीकरणों में नियत गुणांक समकोणांतर (क्वार्डिनेचर) द्वारा हल किये जाते हैं, इस प्रकार प्राप्त होने वाले निष्कर्ष को विरोधी व्युत्पन्न (एंटीडेरीवेटिव) के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह क्रम रैखिक समीकरण के लिए भी सही है जिसमें गैर-स्थिर गुणांक होते हैं। गैर-स्थिर गुणांक वाले दो या उच्च समीकरण को क्रमशः सामान्य रूप से द्विघात समीकरण द्वारा हल नहीं किया जा सकता। इस प्रकार आर्डर 2 वाले समीकरण के लिए, कोवासिक की एल्गोरिथ्म तय करती है कि क्या इंटीग्रल के संदर्भ में समाधान हैं या नहीं और यदि कोई हल होता है तो यह फिर उसकी गणना करता हैं।

बहुपद गुणांकों वाले समांगी रैखिक अवकल समीकरणों के हलों को होलोनोमिक फलन कहते हैं। एक कक्षा का यह फलन विभिन्न एकीकरण उत्पादों एवम् आंशिक व्युत्पन्न के लिए स्थिर मान देते है। और इसमें कई सामान्य फलन और विशेष फलन होते हैं जैसे घातांक फलन, लघुगणक, ज्या (साइन), कोज्या (कोसाइन), व्युत्क्रम त्रिकोणमितीय फलन, त्रुटि फलन, बेसेल फलन, हाइपरजोमेट्रिक फलन इत्यादि। परिभाषित अवकल समीकरण और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा उनका प्रतिनिधित्व एल्गोरिदमिक कैलकुस के अधिकांश संचालन की अनुमति देता है, जैसे कि विरोधी व्युत्पन्न (ऐंटीडेरिवेटिव) की गणना, सीमा (गणित), स्पर्शोन्मुख विस्तार, और किसी भी सटीकता के लिए संख्यात्मक मूल्यांकन, एक प्रमाणित त्रुटि के साथ बाध्य रहता है।

मूल शब्दावली

रैखिक अवकल समीकरण में प्रकट होने वाली व्युत्पत्ति का उच्चतम क्रम समीकरण के क्रम के समान होता है। फलन b(x), जो अज्ञात फलन उसके अवकलजों पर निर्भर नहीं करते हैं, ऐसे समीकरण को स्थिर पद (बीजीय समीकरणों के सादृश्य द्वारा) कहा जाता है। एक अचर फलन होने पर भी ऐसे पद स्थिर पद कहलाते है। यदि अचर पद शून्य फलन है, तब अवकल समीकरण को समांगी कहा जाता है, क्योंकि यह अज्ञात फलन और उसके व्युत्पन्नों में एक समांगी बहुपद है। एक रेखीय अवकल समीकरण में प्रतिस्थापित करके प्राप्त समीकरण, शून्य फलन द्वारा अचर पद संबंधित समांगी समीकरण है। एक अवकल समीकरण में नियत गुणांक होते हैं यदि संबंधित सजातीय समीकरण में केवल स्थिर फलन गुणांक के रूप में प्रकट होते हैं।

अवकल समीकरण का मान ऐसा फलन है जो समीकरण को संतुष्ट करता है। एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण का मान एक सदिश समष्टि बनाता हैं। सामान्य स्थिति में, इस सदिश स्थान का एक परिमित आयाम होता है, जो समीकरण के क्रम के बराबर होता है। एक रेखीय अवकल समीकरण के सभी मान किसी विशेष मान में संबंधित समांगी समीकरण के किसी भी मान को जोड़कर प्राप्त किए जाते हैं।

रैखिक अवकल प्रचालक

ऑर्डर i का एक बुनियादी अंतर ऑपरेटर मैपिंग कहलाता है जो किसी भी फ़ंक्शन को इसके iवें व्युत्पन्न के लिए मैप करता है, या कई वैरिएबल्स होने की स्थिति में यदि हम बात करें तो i ऑर्डर के आंशिक डेरिवेटिव के लिए यह आमतौर पर इस प्रकार निरूपित किया जाता है-

अविभाज्य फलन के की स्थिति में,

n चर के फलन की स्थिति में मूल अवकल प्रचालकों में ऑर्डर 0 का व्युत्पन्न होना शामिल रहता है, जो मानचित्रण की पहचान के लिए उपयोगी होता है।

एक रैखिक अवकल प्रचालक (संक्षिप्त, इस लेख में, रैखिक प्रचालक या, बस, प्रचालक के रूप में) बुनियादी अवकल प्रचालकों का एक रैखिक संयोजन है, और यह गुणांक के रूप में अलग-अलग कार्यों के साथ सम्मलित होता है। अविभाज्य अवस्था में, एक रैखिक संचालिका को इस प्रकार प्रकट किया जा सकता हैं-[1]

जहाँ पर a0(x), ..., an(x) अलग-अलग फलन हैं, और गैर-ऋणात्मक पूर्णांक n प्रचालक एक आदेश स्वरूप है (यदि an(x) शून्य फलन नहीं है)।

मान लीजिए L एक रैखिक अवकलन संकारक है। फलन f के लिए L के अनुप्रयोग को आमतौर पर Lf या Lf(X) के रूप में दर्शाया जाता है, यदि किसी वैरियेबल को निर्दिष्ट करने की आवश्यकता होती है (इसे गुणन के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए) तब एक रैखिक अवकल प्रचालक एक रैखिक प्रचालक के रूप में होता है, चूंकि यह फलन के मान को एक अदिश राशि द्वारा मैप करता है।

चूंकि दो रैखिक प्रचालकों का योग एक रैखिक प्रचालक को प्रदर्शित करता है, साथ ही एक अवकलनीय फलन द्वारा रैखिक संचालिका का गुणनफल (बाईं ओर), रैखिक अवकल प्रचालक वास्तविक संख्याओं या जटिल संख्याओं पर एक सदिश (वेक्टर) स्थान बनाते हैं (विचार किए गए कार्यों की प्रकृति के आधार पर)। वे अवकलनीय कार्यों के वलय के ऊपर एक मुक्त प्रतिरूप भी बनाते हैं।

प्रचालकों की भाषा अलग-अलग समीकरणों के लिए एक सुगठित लेखन की अनुमति देती है: यदि

एक रैखिक अवकल प्रचालक है, तो समीकरण

हम इस समीकरण को इस तरह से भी लिख सकते हैं

इस तरह के संकेतन के और भी कई रूप हो सकते हैं; विशेष रूप से वैरियेबल के अन्तर में यह y में स्पष्ट रूप से दिखाई दे सकता है या नहीं और यह दाहिने हाथ और समीकरण में भी दिखाई दे सकता है, जैसे Ly(x) = b(x) या Ly = b.

एक रैखिक अवकल प्रचालक का कर्नेल एक रैखिक मानचित्रण के रूप में इसका कर्नेल (रैखिक बीजगणित) होता है, जो कि (सजातीय) अवकल समीकरण के समाधान का सदिश (वेक्टर) स्थान है Ly = 0.

ऑर्डर n के एक साधारण व्युत्पन्न प्रचालक के मामले में, कैराथेओडोरी के अस्तित्व प्रमेय का तात्पर्य है कि, बहुत हल्की परिस्थितियों में, L का कर्नेल आयाम n का एक सदिश समष्टि है, और यह समीकरण के हल Ly(x) = b(x) का प्रतिरूप है

जहाँ पर c1, ..., cn अपने आप उत्पन्न हुई संख्या हैं। आमतौर पर, कैराथियोडोरी के प्रमेय की परिकल्पना एक अंतराल I में संतुष्ट होती है, यदि I कार्य b, a0, ..., an में नियत हैं, और एक k धनात्मक वास्तविक संख्या है और यह इस प्रकार है कि |an(x)| > k जहाँ इसका मान I में प्रत्येक x के लिए।

नियत गुणांक के साथ समघात समीकरण

एक समघात रैखिक अवकल समीकरण में नियत गुणांक होते हैं अगर इसका रूप कुछ इस प्रकार हो-

जहाँ पर a1, ..., an (वास्तविक या जटिल) संख्याएँ हैं। दूसरे शब्दों में, इसमें नियत गुणांक होते हैं यदि इसे नियत गुणांक वाले रैखिक प्रचालक द्वारा परिभाषित किया जाता है।

नियत गुणांक वाले इन अवकल समीकरणों का अध्ययन लियोनहार्ड यूलर के समय का है, जिन्होंने घातीय फलन ex की शुरुआत की थी, जो समीकरण का अनूठा हल है f′ = f यह इस प्रकार है कि f(0) = 1. एवं यह इस प्रकार है कि nवें व्युत्पन्न ecx है cnecx, और यह सजातीय रैखिक अवकल समीकरणों को आसानी से हल करने की अनुमति देता है।

मान लीजिए

अचर गुणांकों वाला एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण है (अर्थात a0, ..., an वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं)।

इस समीकरण के समाधान खोजना जिसका रूप eαx है स्थिरांक α खोजने के बराबर है इस प्रकार समीकरण कुछ इस प्रकार होगा

फैक्टरिंग आउट eαx (जो कभी शून्य नहीं होता), दर्शाता है कि α विशेषता बहुपद का मूल होना चाहिए

विभेदक समीकरण, जो कि विशेषता समीकरण (कैलकुलस) के बाईं ओर है

जब ये सभी मूल अलग- अलग मूल हों, तो व्यक्ति के पास n अलग-अलग समाधान हो सकते हैं जो आवश्यक रूप से वास्तविक नहीं होते हैं, भले ही समीकरण के गुणांक वास्तविक हों या ना हों। इन समाधानों के मूल्यों के लिएवेंडरमोंडे निर्धारक पर विचार करे, इन समाधानों को रैखिक रूप से स्वतंत्र दिखाया जा सकता है x = 0, ..., n – 1. साथ में वे व्युत्पन्न समीकरण (यानी व्युत्पन्न प्रचालक का कर्नेल) के हल के रुप में सदिश स्थान का मौलिक रुप (रैखिक बीजगणित) बनाते हैं।

उदाहरण
:

विशेषता समीकरण है

इसमें शून्य है, i, i, तथा 1 (multiplicity 2). समाधान का आधार इस प्रकार है

समाधान का एक वास्तविक आधार इस प्रकार है

उस मामले में जहां विशेषता बहुपद में केवल साधारण मूल होते हैं, पूर्ववर्ती समाधान सदिश स्थान का पूरा आधार प्रदान करता है। एकाधिक मूलों के मामले में, आधार रखने के लिए अधिक रैखिक रूप से स्वतंत्र समाधान की आवश्यकता होती है। इसका प्रतिरूप कुछ इस प्रकार होतो है

जहाँ पर k एक ऋणात्मक पूर्णांक है, α गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद m का मूल है, तथा k < m. यह सिद्ध करने के लिए कि ये फलन समाधान हैं, कोई टिप्पणी कर सकता है कि यदि α गुणन के अभिलक्षणिक बहुपद m का मूल है, अभिलक्षणिक बहुपद का गुणनखंड इस प्रकार किया जा सकता है P(t)(tα)m. इस प्रकार, समीकरण के अवकल प्रचालक को लागू करना जो पहले एम बार प्रचालक , को लागू करने के बराबर है, और फिर वह संकारक जिसके पास विशेषता बहुपद P है। शिफ्ट प्रमेय प्रमेय द्वारा,

और इस प्रकार k + 1 का आवेदन . एक के बाद शून्य हो जाता है।

जैसे, बीजगणित के मूल प्रमेय के अनुसार, बहुपद के मूलों की बहुपदों का योग बहुपद की घात के बराबर होते है, उपरोक्त समाधानों की संख्या अवकल समीकरण के क्रम के बराबर होती है, और ये समाधान समाधानों के सदिश समष्टि का आधार बनाते हैं।

सामान्य स्थिति में जहां समीकरण के गुणांक वास्तविक होते हैं, वास्तविक-मूल्यवान फलन वाले समाधानों का आधार होना आम तौर पर अधिक सुविधाजनक होता है। ऐसा आधार पूर्ववर्ती आधार से यह टिप्पणी करके प्राप्त किया जा सकता है कि, यदि a + ib विशेषता बहुपद का मूल है, तो aib एक ही बहुलता की मूल भी है। इस प्रकार यूलर के सूत्र का उपयोग करके और तथा द्वारा तथा प्रतिस्थापित करके वास्तविक आधार प्राप्त किया जाता है।

दूसरे क्रम की स्थिति

दूसरे क्रम का एक समांगी रैखिक अवकल समीकरण लिखा जा सकता है

और इसका अभिलक्षणिक बहुपद है

यदि a तथा b वास्तविक संख्या हैं, विभेदक के आधार पर समाधान के लिए तीन मामले हैं D = a2 − 4b. तीनों मामलों में, सामान्य समाधान दो मनमानी स्थिरांक पर निर्भर करता है c1 तथा c2.

  • यदि D > 0, अभिलक्षणिक बहुपद के दो भिन्न वास्तविक मूल हैं α, तथा β. इस मामले में, सामान्य समाधान है
  • यदि D = 0, अभिलक्षणिक बहुपद का दोहरा मूल होता है a/2, और सामान्य समाधान है
  • यदि D < 0, विशेषता बहुपद में दो जटिल संयुग्म मूल होती हैं α ± βi, और सामान्य समाधान है
जिसे यूलर के सूत्र का उपयोग करके वास्तविक रूप में फिर से लिखा जा सकता है:

समाधान ढूँढना y(x) संतुष्टि देने वाला y(0) = d1 तथा y′(0) = d2, उपरोक्त सामान्य समाधान के मानों को 0 पर और उसके व्युत्पन्न को क्रमशः d1 और d2 के बराबर करता है। इसका परिणाम दो अज्ञात c1 और c2 में दो रैखिक समीकरणों की एक रैखिक प्रणाली में होता है। इस प्रणाली को हल करने से तथाकथित कौची समस्या का समाधान मिलता है, जिसमें डीईक्यू (DEQ) और उसके व्युत्पन्न के समाधान के लिए 0 पर मान निर्दिष्ट हैं।

नियत गुणांक के साथ गैर-सजातीय समीकरण

अचर गुणांकों के साथ क्रम n का एक गैर-सजातीय समीकरण लिखा जा सकता है

जहाँ पर a1, ..., an वास्तविक या सम्मिश्र संख्याएँ हैं, f x का दिया गया कार्य है , तथा y अज्ञात कार्य है (सादगी के लिए,(x)निम्नलिखित में छोड़ा जाएगा)।

ऐसे समीकरण को हल करने की कई विधियाँ होती हैं। सर्वोत्तम विधि फलन की प्रकृति पर निर्भर करती है f जो समीकरण को गैर-सजातीय बनाता है। यदि f घातीय और ज्यावक्रीय कार्यों का एक रैखिक संयोजन है, तो घातीय प्रतिक्रिया सूत्र का उपयोग किया जा सकता है। यदि, अधिक सामान्यतः, f प्रपत्र के कार्यों का एक रैखिक संयोजन है xneax, xn cos(ax), तथा xn sin(ax), जहाँ पर n एक ऋणात्मक पूर्णांक है, और a एक स्थिरांक (जो प्रत्येक पद में समान होना आवश्यक नहीं है), तो अनिर्धारित गुणांकों की विधि का उपयोग किया जा सकता है। और भी अधिक सामान्य, एनीहिलेटर विधि तब लागू होती है जब f एक सजातीय रैखिक अवकल समीकरण को संतुष्ट करता है, आमतौर पर, एक होलोनोमिक फलन।

सबसे सामान्य विधि स्थिरांक की भिन्नता है, जिसे यहां प्रस्तुत किया गया है।

संबंधित सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान

है

जहाँ पर (y1, ..., yn) समाधानों के सदिश समष्टि का आधार है और u1, ..., un मनमानी स्थिरांक हैं। स्थिरांक की भिन्नता की विधि का नाम निम्नलिखित विचार से लिया गया है। विचार करने के बजाय u1, ..., un स्थिरांक के रूप में, उन्हें अज्ञात कार्यों के रूप में माना जा सकता है जिन्हें बनाने के लिए निर्धारित किया जाना है y गैर-सजातीय समीकरण का एक समाधान है। इस उद्देश्य के लिए, कोई बाधाओं को जोड़ता है

जिसका अर्थ है (उत्पाद नियम और गणितीय प्रेरण द्वारा)

के लिये i = 1, ..., n – 1, तथा

मूल समीकरण में प्रतिस्थापित करना y और इन अभिव्यक्तियों द्वारा इसके व्युत्पन्न, और इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि y1, ..., yn मूल सजातीय समीकरण के समाधान हैं, जो इस प्रकार हैं

यह समीकरण और ऊपर वाले के साथ 0 बाएं हाथ के रूप में एक प्रणाली बनाते हैं n में रैखिक समीकरण u1, ..., un जिनके गुणांक ज्ञात फलन हैं (f, द yi, और उनके व्युत्पन्न)। इस प्रणाली को रैखिक बीजगणित की किसी भी विधि द्वारा हल किया जा सकता है। विरोधीव्युत्पन्न्स की गणना देता है u1, ..., un, और फिर y = u1y1 + ⋯ + unyn.

जैसा कि विरोधीव्युत्पन्न को एक स्थिरांक के योग तक परिभाषित किया जाता है, कोई फिर से पाता है कि गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान एक मनमाना समाधान का योग है और संबंधित सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान।

चर गुणांक के साथ प्रथम-क्रम समीकरण

के गुणांक को विभाजित करने के बाद क्रम 1 के एक रैखिक साधारण अवकल समीकरण का सामान्य रूप y′(x), है:

यदि समीकरण सजातीय है, अर्थात g(x) = 0, तो हम फिर से लिख सकते है और इसे एकीकृत कर सकते है:

जहाँ पर k एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है और f का कोई व्युत्पन्न है। अत: समांगी समीकरण का व्यापक हल कुछ इस प्रकार होगा

जहाँ पर c = ek एक मनमाना स्थिरांक है।

सामान्य गैर-सजातीय समीकरण के लिए, कोई इसे गुणन प्रतिलोम से गुणा कर सकता है eF सजातीय समीकरण के समाधान के लिए।[2] इस प्रकार समीकरण कुछ ऐसा होगा

जैसे उत्पाद नियम समीकरण को फिर से लिखने की अनुमति देता है

इस प्रकार, सामान्य समाधान है

जहाँ पर c एकीकरण का एक स्थिरांक है, और F f का कोई व्युत्पन्न है (एकीकरण की निरंतरता को बदलने के लिए एंटीव्युत्पन्न मात्रा में परिवर्तन)।

उदाहरण

समीकरण हल करने पर

संबंधित सजातीय समीकरण देता है

वह है

मूल समीकरण को इनमें से किसी एक हल से भाग देने पर प्राप्त होता है

वह है

 :

तथा

प्रारंभिक स्थिति के लिए

एक विशेष समाधान मिलता है

रैखिक अवकल समीकरणों की प्रणाली

रैखिक अवकल समीकरणों की प्रणाली में कई रैखिक अवकल समीकरण होते हैं जिनमें कई अज्ञात कार्य शामिल होते हैं। सामान्य तौर पर एक अध्ययन को प्रणाली तक सीमित रखता है जैसे कि अज्ञात कार्यों की संख्या समीकरणों की संख्या के बराबर होती है।

एक मनमाना रैखिक साधारण अवकल समीकरण और इस तरह के समीकरणों की एक प्रणाली को सभी के लिए चर जोड़कर रैखिक अवकल समीकरणों के पहले क्रम प्रणाली में परिवर्तित किया जा सकता है लेकिन उच्चतम क्रम व्युत्पन्न। यानी अगर एक समीकरण में दिखाई देते हैं, कोई उन्हें नए अज्ञात कार्यों से बदल सकता है, जो समीकरणों तथा के लिये i = 1, ..., k – 1 को संतुष्ट करना चाहिए।

पहले क्रम की एक रैखिक प्रणाली, जिसमें है n अज्ञात कार्य हैं और n अवकल समीकरणों को सामान्यतः अज्ञात फलनों के व्युत्पन्नों के लिए हल किया जा सकता है। यदि ऐसा नहीं है तो यह समीकरणों की एक अंतर-बीजगणितीय प्रणाली है | विभेदक-बीजगणितीय प्रणाली, और यह एक अलग सिद्धांत है। इसलिए, यहां जिन प्रणालियों पर विचार किया गया है, इसका रूप है

जहाँ पर और , x के कार्य हैं, आव्यहु (मैट्रिक्स) सूचक में, यह प्रणाली लिखी जा सकती है (छोड़कर(x))

हल करने की विधि एकल प्रथम क्रम रैखिक अवकल समीकरणों के समान है, लेकिन आव्यहु गुणन की गैर-क्रम विनिमेयीकरण नियम से उपजी जटिलताओं के साथ।

मान लीजिए

उपरोक्त आव्यहु समीकरण से जुड़े सजातीय समीकरण बनें।

इसके समाधान आयाम का एक सदिश स्थान बनाते हैं n, और इसलिए कार्यों के एकवर्ग आव्यहु , के स्तंभ हैं जिसका सारणिक शून्य फलन नहीं है। यदि n = 1, या A स्थिरांक का एक आव्यहु है, या, अधिक सामान्यतः, यदि A इसके विरोधीव्युत्पन्न के साथ आवागमन करता है , तो कोई चुन सकता है U के आव्यहु घातांक के बराबर B. वास्तव में, इन मामलों में, एक है

सामान्य स्थिति में सजातीय समीकरण के लिए कोई बंद-रूप समाधान नहीं होता है, और किसी को या तो एक संख्यात्मक विधि , या मैग्नस विस्तार जैसे सन्निकटन विधि का उपयोग करना पड़ता है।

आव्यहु U को जानना, गैर-सजातीय समीकरण का सामान्य समाधान है

जहां स्तंभ आव्यहु एकीकरण का एक मनमाना स्थिरांक है।

यदि प्रारंभिक शर्तें इस प्रकार दी गई हैं:

इन प्रारंभिक शर्तों को संतुष्ट करने वाला समाधान है

परिवर्तनीय गुणांक के साथ उच्च क्रम

चर गुणांक वाले कोटि के एक रेखीय साधारण समीकरण को द्विघात द्वारा हल किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि समाधानों को इंटीग्रल के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

कम से कम दो आदेश के मामले में ऐसा नहीं है। यह पिकार्ड वेसियट सिद्धांत का मुख्य परिणाम है जिसे एमिल पिकार्ड और अर्नेस्ट वेसियोट ने शुरू किया था, और जिनके हाल के घटनाक्रमों को डिफरेंशियल गैलोइस थ्योरी कहा जाता है।

चतुर्भुज द्वारा हल करने की असंभवता की तुलना एबेल रफिनी प्रमेय से की जा सकती है, जिसमें कहा गया है कि कम से कम पांच डिग्री के बीजीय समीकरण को आम तौर पर मौलिकता द्वारा हल नहीं किया जा सकता है। यह सादृश्य प्रमाण विधियों तक फैला हुआ है और विभेदक गैलोइस सिद्धांत के संप्रदाय को प्रेरित करता है।

इसी तरह बीजगणितीय मामले के लिए, सिद्धांत निर्णय लेने की अनुमति देता है कौन से समीकरणों को चतुर्भुज द्वारा हल किया जा सकता है, और यदि संभव हो तो उनका समाधान करें। हालाँकि, दोनों सिद्धांतों के लिए, आवश्यक संगणनाएँ अत्यंत कठिन हैं, सबसे शक्तिशाली कंप्यूटर के साथ भी।

कॉची-यूलर समीकरण

कॉची-यूलर समीकरण चर गुणांक वाले किसी भी क्रम के समीकरणों के उदाहरण हैं,जिसे स्पष्ट रूप से हल किया जा सकता है। ये फॉर्म के समीकरण हैं

कहाँ पे स्थिर गुणांक हैं।

होलोनोमिक फलन

एक होलोनोमिक फलन, जिसे डी (D) परिमित फलन भी कहा जाता है, और यह एक ऐसा फलन है जो बहुपद गुणांकों वाले सजातीय रैखिक अवकल समीकरण का हल है।

आमतौर पर गणित में जिन कार्यों पर विचार किया जाता है, वे होलोनोमिक या होलोनोमिक फलन के भागफल होते हैं। वास्तव में, होलोनोमिक कार्यों में बहुपद, बीजगणितीय कार्य, लघुगणक, घातीय कार्य, ज्या, कोज्या, हाइपरबॉलिक ज्या, हाइपरबॉलिक कोज्या, उलटा त्रिकोणमितीय और उलटा हाइपरबॉलिक फलन शामिल हैं और कई विशेष कार्य जैसे बेसेल फलन और हाइपरजोमेट्रिक फलन।

होलोनोमिक फलन में कई बंद संपत्ति गुण होते हैं; विशेष रूप से, योग, उत्पाद, व्युत्पन्न और होलोनोमिक कार्यों के अभिन्न अंग होलोनोमिक हैं। इसके अलावा, ये बंद गुण प्रभावी हैं, इस अर्थ में कि इनमें से किसी भी प्रचालक के परिणाम के अवकल समीकरण की गणना के लिए कलन विधि हैं,[3] इनपुट के अवकल समीकरणों को जानते हुए। [3] होलोनोमिक फलन की अवधारणा की उपयोगिता ज़िलबर्गर के प्रमेय का परिणाम है, जो इस प्रकार है।[3]

एक होलोनोमिक अनुक्रम संख्याओं का एक क्रम है जो बहुपद गुणांकों के साथ पुनरावृत्ति संबंध द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। एक होलोनोमिक फलन के एक बिंदु पर टेलर श्रृंखला के गुणांक एक होलोनोमिक अनुक्रम बनाते हैं। इसके विपरीत, यदि किसी घात श्रेणी के गुणांकों का क्रम समरूप है, तब श्रृंखला एक होलोनोमिक फलन को परिभाषित करती है (भले ही अभिसरण की त्रिज्या शून्य हो)। दोनों रूपांतरणों के लिए कुशल एल्गोरिदम हैं, यह अवकल समीकरण से पुनरावृत्ति संबंध की गणना के लिए इसके विपरीत है।[3]

यह इस प्रकार है कि, यदि कोई अपने परिभाषित अवकल समीकरणों और प्रारंभिक स्थितियों द्वारा होलोनोमिक कार्यों का प्रतिनिधित्व करता है, तो इन कार्यों पर अधिकांश कैलकुस संचालन स्वचालित रूप से किया जा सकता है,

जैसे कि व्युत्पन्न, अनिश्चित और निश्चित अभिन्न, टेलर श्रृंखला की तेज गणना (इसके गुणांक पर पुनरावृत्ति संबंध के लिए धन्यवाद), अनुमान त्रुटि के प्रमाणित सीमा के साथ उच्च परिशुद्धता का मूल्यांकन, सीमाएं, विलक्षणताओं का स्थानीयकरण, अनंत और निकट पर स्पर्शोन्मुख व्यवहार विलक्षणता, पहचान का प्रमाण, आदि।[4]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. Gershenfeld 1999, p.9
  2. Motivation: In analogy to completing the square, we write the equation as y′ − fy = g, and try to modify the left side so it becomes a derivative. Specifically, we seek an "integrating factor" h = h(x) such that multiplying by it makes the left side equal to the derivative of hy, namely hy′ − hfy = (hy)′. This means h′ = −f, so that h = e−∫ f dx = eF, as in the text.
  3. 3.0 3.1 3.2 Zeilberger, Doron. A holonomic systems approach to special functions identities. Journal of computational and applied mathematics. 32.3 (1990): 321-368
  4. Benoit, A., Chyzak, F., Darrasse, A., Gerhold, S., Mezzarobba, M., & Salvy, B. (2010, September). The dynamic dictionary of mathematical functions (DDMF). In International Congress on Mathematical Software (pp. 35-41). Springer, Berlin, Heidelberg.
  • Birkhoff, Garrett & Rota, Gian-Carlo (1978), Ordinary Differential Equations, New York: John Wiley and Sons, Inc., ISBN 0-471-07411-X
  • Gershenfeld, Neil (1999), The Nature of Mathematical Modeling, Cambridge, UK.: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-57095-4
  • Robinson, James C. (2004), An Introduction to Ordinary Differential Equations, Cambridge, UK.: Cambridge University Press, ISBN 0-521-82650-0


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  • प्रथम व्यक्ति शूटर
  • साधारण मानचित्रण
  • हिमयुग (2002 फ़िल्म)
  • मेडागास्कर (2005 फ़िल्म)
  • बायोइनफॉरमैटिक्स
  • शारीरिक रूप से आधारित प्रतिपादन
  • हीरे की थाली
  • प्रतिबिंब (कंप्यूटर ग्राफिक्स)
  • 2010 की एनिमेटेड फीचर फिल्मों की सूची
  • परिवेशी बाधा
  • वास्तविक समय (मीडिया)
  • जानकारी
  • कंकाल एनिमेशन
  • भीड़ अनुकरण
  • प्रक्रियात्मक एनिमेशन
  • अणु प्रणाली
  • कैमरा
  • माइक्रोस्कोप
  • इंजीनियरिंग के चित्र
  • रेखापुंज छवि
  • नक्शा
  • हार्डवेयर एक्सिलरेशन
  • अंधेरा
  • गैर-समान तर्कसंगत बी-तख़्ता
  • नक्शा टक्कर
  • चुम्बकीय अनुनाद इमेजिंग
  • नमूनाकरण (सिग्नल प्रोसेसिंग)
  • sculpting
  • आधुनिक कला का संग्रहालय
  • गेम डेवलपर्स कांफ्रेंस
  • शैक्षिक
  • आपूर्ती बंद करने की आवृत्ति
  • प्रतिक्रिया (इलेक्ट्रॉनिक्स)
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  • सीरिज़ सर्किट)
  • मिलान जेड-ट्रांसफॉर्म विधि
  • कंघी फ़िल्टर
  • समूह देरी
  • सप्टक
  • दूसरों से अलग
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  • हस्तक्षेप (लहर प्रसार)
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  • यूनिट सर्कल
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  • एक बंदरगाह
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  • द्विआधारी जोड़
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