1
Дифференциальные и интегральные уравнения /5. Математическое моделирование
к.ф.-м.н.
Полетаев Г.С.
Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Украина
УРАВНЕНИЯ С НЕИЗВЕСТНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ НИЖНИХ ТРЕУГОЛЬНЫХ МАТРИЦ И ПРОЕКТОРАМИ НА
ПОДКОЛЬЦА
Предмет
рассмотрения и вводные
положения
,
(1)
где - нижняя треугольная матрица. Уравнения вида (1) и родственные им возникают, в частности, при изучении специальных новых задач
механики для совокупностей одинаковых по геометрическим и физическим
характеристикам тел. Они возникают также при исследовании общих видов,
обнаруженных сравнительно недавно, одночленных однопроекторных второго порядка
уравнений в кольце с факторизационной
парой [1-6]. Абстрактные уравнения из работы [1] связывают уравнения (1)
с интегральными типа Винера-Хопфа [7,1].
1.
Обозначения, постановка задачи
1.1. Следуя [3]
(ср.[4]; см. также [5,6]), обозначим кольцо вещественных
числовых квадратных матриц размера
,
,
. Пусть
,
- подкольца нижних и
верхних треугольных матриц из
, соответственно. Через
,
обозначим [1,2,4-7]
коммутирующие проекторы
,
, соответственно, которые каждой матрице
ставят в соответствие
матрицы
,
, получающиеся из
заменой её элементов,
расположенных для
ниже, а для
выше главной
диагонали,- нулями. Положим [1,2,4-6]
;
;
;
,
. Легко видеть, что
,
. Результат
применения введенных проекторов к матрицам, а также принадлежность матрицы из
подмножеству
,
будем отмечать знаками +, -, 0, соответственно.
1.2. В уравнениях
(1) относительно неизвестной квадратной
матрицы-возмущения U
, обеспечивающей
наперед заданное матричное слагаемое –треугольную матрицу
, по предположению, матрица – коэффициент
; - матрица
, а также матрица
в правой части
считаются известными, причем
- неособенной;
,
. Задача разрешимости уравнения (1), рассматриваемого в связи
с такого рода «задачами обеспечения наперед заданного матричного слагаемого
, в прообразе
соответствующего оператора , определяемого левой частью уравнения (1) »,
заключается в отыскании всех удовлетворяющих (1) матриц –возмущений U
. Указанная матрица- возмущение в соответствующей прикладной
задаче может моделировать своеобразную
совокупность «управляющих элементов ».
2. Факторизация
Важную роль [2,6]
при построении формул, для матриц – решений
уравнений вида (1) играют
нормированные правильные факторизации по факторизационной паре (,
), а именно, разложения матриц
,
на обратимые в
соответствующих подкольцах
,
треугольные и
диагональный множители [1 - 8]:
, (2)
, (3)
(4)
;
;
;
,
. Нормирование осуществляется условием:
, где
- единичная матрица
из
.
3. Формула для
матрицы-возмущения уравнения (1)
3.1. Если задача
состоит в решении уравнения (1) относительно
матрицы U , непосредственно, или это уравнение (1)
появилось в прикладной задаче, как уравнение – модель, связывающее моделируемую
заданной матрицей совокупность величин
с моделируемыми матрицами
,
,
совокупностями
известных и неизвестных, возникает вопрос о разрешимости этого уравнения .
Следствием действия проектора является неприменимость к уравнениям вида (1)
широко известных методов решения ,
непосредственно. Вместе с тем,
справедливо следующее.
3.2. Пусть ,
,
и
. Если, кроме того, все последовательные главные миноры
матрицы
отличны от нуля, то в
силу определений [1,2] и теоремы о разложении матрицы на треугольные множители
([8], С. 50; теорема 2 при
) имеется нормированная правильная левая факторизация
[1,2,4]:
, где
- нижняя треугольная
матрица такая, что
;
- единичная матрица
размера
;
- диагональная, а
- верхняя треугольная
матрица и
. При этом
- обратимы в своих
подкольцах
,
,
, соответственно. Из существования такой факторизации (2)
для обратной матрицы
вытекает, непосредственно, существование и
нормированной правильной правой факторизации матрицы A (3). Для фактического построения левой
нормированной правильной факторизации (2) могут быть полезны соответствующие
результаты [8], С. 50 – 52; и другие результаты, в том числе, из
[3,4].Применяя результаты из [1,2], заключаем, что справедлива следующая
Теорема. Пусть матрица –
коэффициент уравнения (1) ;
,
неособенная и все
последовательные главные миноры обратной матрицы
отличны от нуля.
Тогда, как бы ни были выбраны матрица
_
и нижняя треугольная матрица
, после этого выбора , при любой правой части- матрице
, матрица –возмущение
уравнения (1) с
проектором и возмущением нижней треугольной матрицы
в
определяется уже
однозначно. Эта матрица-возмущение
представима формулой :
. (5)
При
соответствующих условиях для
уравнения :
, (6)
в абстрактном кольце с факторизационной парой
имеет место подобный общий результат. Среди реализаций уравнения (6) в конкретных кольцах с
факторизационными парами имеются ,кроме матричных уравнений с проектором (1) ,
также соответствующие интегральные уравнения типа Винера-Хопфа. В задачах с уравнениями – моделями вида (1) по
формуле (5) можно найти искомые величины, моделируемые матрицами .
1.Полетаев Г.С. Об
уравнениях и системах одного типа в кольцах с факторизационными парами. – Киев,
1988. – 20 с. – (Препринт / АН УССР. Институт математики:88.31).
2.Полетаев Г. С. Об
однопроекторных второго порядка уравнениях с правильно факторизуемыми
коэффициентами в кольце с факторизационной парой // Вестник Херсонского гос.
техн. университета. – 2000. - № 2 (8). – С. 191 – 195.
3.Полетаев Г.С. О
постановках, матричных моделях некоторых обратных задач механики балок и
представлениях факторизованных матриц влияния // Матем. моделир. в образовании,
науке и промышленности. - С.-Пб.-2000.-С.146 - 148.
4.McNabb A., Schumitzky A. Factorization of Operators
I: Algebraic Theory and Examples // J. Funct. Anal. – 1972. – 9, № 3.
– Р. 262 – 295.
5.Полетаев Г.С.,
Солдатов Л.И. О задачах механики и уравнениях с неизвестной треугольной
матрицей и проекторами // Совр. методы проектир. машин. Расчет, конструирование
и технология изготовления / Сб. научн. труд. – Вып. 1. в 3-х т. – Т. 2 – Мн.:
УП «Технопринт», 2002. – 477 с. – С. 244 – 249.
6.Полетаев Г.С.,
Солдатов Л.И. О моделировании некоторых задач механики матричными уравнениями с
треугольными неизвестными // Нелинейная динамика механических и биологических
систем / Межвуз. научн. сб. Сарат. гос. техн. ун. – т., вып. 2. – Саратов, 2004.
– С. 133 – 136.
7.Крейн М. Г.
Интегральные уравнения на полупрямой с ядрами, зависящими от разности
аргументов // Успехи мат. наук. – 1958. – 13, вып. 5. – С. 3 – 120.
8. Гантмахер Ф. Р.
Теория матриц. – М.: Наука, 1988. – 549 с.