Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №1

Левые части уравнений в условиях (6) не зависят от а, и потому эти уравнения имеют вид f(t) = g(a), в то время как неравенства (6) данным свойством не обладают (обе их части зависят от а), что неудобно. Выразим из первого уравнения e^t1= 1/t₁lna и подставим это в соответствующее неравенство. Тогда получим

Аналогично, F_max = e^1/t2/t2. Тогда условия (6) превращаются в

Вспоминая определение функции φ, перепишем условия в форме:

Данные условия удобны тем, что левые части их не зависят уже от а (т. к. функция φ не зависит от а) и имеют вид f(t) = g(а) (т. е. переменные t и а разделены).

Рис. 3: Графики функций φ(t) (красный) и φ(1/t) (синий) и определение точек t1 и t2 (зеленая прямая — на уровне 1/ln a).

Проверку условий (9) проведем в два этапа: сначала докажем выполнение усиленного варианта второго из условий (9), а затем увидим, что первое условие (9) следует отсюда уже автоматически.

Поскольку точки t₁ и t₂ определяются как точки пересечения графика функции φ(t) с горизонтальной прямой на высоте 1/ln a, функция φ(t) имеет единственный minimum в точке t_min = —1, то ясно, что t₁ < —1 < t₂.

Покажем, что Vt € (—1,0) φ(1/t) > φ(t). Для этого рассмотрим функцию ξ(t) = φ(t)/φ(1/t) = t²е^{t — 1/t}'. Ясно, что ξ(-1) = 1, а поскольку

Дальше все просто. Т. к. φ(t) < φ

(1/t) Vt € (—1,0), то (обозначив 1/t через τ):

Поскольку t₁ < —1 < t₂, то соединяя (11) и (12), мы получим оба условия (9). Что и требовалось.

Коль скоро при a < е^-e оба условия (9) выполнены, то действительно функция F имеет 1 minimum и 1 maximum, выполняется условие (5), и уравнение (4) в самом деле имеет три решения. Значит, и эквивалентное ему исходное уравнение (1) имеет три решения. Указанное положение дел иллюстрируется Рис. 4.

Рис. 4:Графики функций у = a^x (красный), у = log_a х (синий) и у = х (зеленый) — случай трех точек пересечения.

Одна из точек пересечения графиков функций у = a^x (красный) и у = log_a x; (синий) лежит на прямой у = х, т. е. является еще и решением уравнений а^x = х и log_a х = х, а остальные две симметричны относительно этой прямой. При а —> е^-e данные точки «слипаются» на прямой у = х, при а = е~

^е имеет место касание графиков функций у = а^х и у = log_a х, а в дальнейшем, т. е. при a > е^-e точка пересечения будет уже одна, и находиться она будет, конечно же, снова на прямой у = х (Рис. 5).

Рис. 5:Графики функций у = а^х (красный), у = log_a х (синий) и у = х (зеленый) — случай одной точки пересечения.

Рассмотрим уравнение линейного одномерного классического осциллятора с трением (уравнение затухающих колебаний):

х^∙∙ + 2δх^∙ + w²₀х = 0. (1)

Соответствующее характеристическое уравнение

λ² + 2δλ + w²₀ = 0 имеет корни

λ_1,2 = — δ ± √(δ²

— w²₀)  — δ ± ip,

где

p = √(w²₀ — δ²)

Поэтому общее решение уравнения (1) есть:

x(t) = e^-δt(Ae^-ipt + Be^ipt). (2)

Уравнение второго порядка — две произвольные постоянные для того, чтобы удовлетворить любым начальным условиям.

Однако, здесь возникает трудность. Вот что говорит по этому поводу Л. И. Мандельштам («Лекции по теории колебаний», стр. 138):

«Рассмотрим последний случай, когда

δ = w₀, λ₁ =λ₂

При этом решение (2) принимает вид:

х = Ае^-λt. (3)

Если мы захотим приспособить такое решение к начальным условиям, то нам не хватит одной постоянной интегрирования. Нетрудно, однако, показать, что в этом специальном случае наряду с решением вида (3) имеет решение вида tе^-λt и общее решение таково:

х = Ае^-λt + Btе^-λt. (4)

В нем опять имеются две независимые константы, и его можно приспособить к любым начальным условиям.