лекция. Лекции+6-7. Определение. Дифференциальным уравнением порядка

• Название: Определение. Дифференциальным уравнением порядка
• Анкор: лекция
• Дата: 02.01.2023
• Размер: 0.66 Mb.
• Имя файла: Лекции+6-7.doc
• Тип: Решение; #870919
• страница: 3 из 6

Линейные однородные дифференциальные уравнения с

произвольными коэффициентами.
Рассмотрим уравнение вида
Определение. Выражение называется линейным дифференциальным оператором.

Линейный дифференциальный оператор обладает следующими свойствами:
1)

2)
Решения линейного однородного уравнения обладают следующими свойствами:
1) Если функция у₁ является решением уравнения, то функция Су₁, где С – постоянное число, также является его решением.

2) Если функции у₁и у₂ являются решениями уравнения, то у₁ +у₂ также является его решением.
Структура общего решения.
Определение. Фундаментальной системой решений линейного однородного дифференциального уравнения n –го порядка на интервале (a, b) называется всякая система n линейно независимых на этом интервале решений уравнения.
Определение. Если из функций y_i составить определитель n – го порядка

,

то этот определитель называется определителем Вронского.

( Юзеф Вроньский (1776 – 1853) – польский математик и философ - мистик)
Теорема. Если функции линейно зависимы, то составленный для них определитель Вронского равен нулю.
Теорема. Если функции линейно независимы, то составленный для них определитель Вронского не равен нулю ни в одной точке рассматриваемого интервала.
Теорема. Для того, чтобы система решений линейного однородного дифференциального уравнения была фундаментальной необходимо и достаточно, чтобы составленный для них определитель Вронского был не равен нулю.
Теорема. Если - фундаментальная система решений на интервале (a, b), то общее решение линейного однородного дифференциального уравнения является линейной комбинацией этих решений.

,

где C_i –постоянные коэффициенты.
Применение приведенных выше свойств и теорем рассмотрим на примере линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка.

Общее решение линейного однородного дифференциального

уравнения второго порядка.
Из вышеизложенного видно, что отыскание общего решения линейного однородного дифференциального уравнения сводится к нахождению его фундаментальной системы решений.

Однако, даже для уравнения второго порядка, если коэффициенты р зависят от х, эта задача не может быть решена в общем виде.

Тем не менее, если известно одно ненулевое частное решение, то задача может быть решена.
Теорема. Если задано уравнение вида и известно одно ненулевое решение у = у₁, то общее решение может быть найдено по формуле:


Таким образом, для получения общего решения надо подобрать какое – либо частное решение дифференциального уравнения, хотя это бывает часто довольно сложно.

Линейные однородные дифференциальные уравнения с

постоянными коэффициентами.
Решение дифференциального уравнения вида или, короче, будем искать в виде , где k = const.

Т.к. то

При этом многочлен называется характеристическим многочленом дифференциального уравнения.

Для того, чтобы функция являлась решением исходного дифференциального уравнения, необходимо и достаточно, чтобы

т.е.

Т.к. e^kx¹ 0, то - это уравнение называется характеристическим уравнением.
Как и любое алгебраическое уравнение степени n, характеристическое уравнение имеет nкорней. Каждому корню характеристического уравнения k_iсоответствует решение дифференциального уравнения.
В зависимости от коэффициентов k характеристическое уравнение может иметь либо n различных действительных корней, либо среди действительных корней могут быть кратные корни, могут быть комплексно – сопряженные корни, как различные, так и кратные.

Не будем подробно рассматривать каждый случай, а сформулируем общее правило нахождения решения линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.
1) Составляем характеристическое уравнение и находим его корни.

2) Находим частные решения дифференциального уравнения, причем:

a) каждому действительному корню соответствует решение e^kx;

б) каждому действительному корню кратности m ставится в соответствие m решений:



в) каждой паре комплексно – сопряженных корней характеристического уравнение ставится в соответствие два решения:

и .

г) каждой паре m – кратных комплексно – сопряженных корней характеристического уравнения ставится в соответствие 2m решений:



3) Составляем линейную комбинацию найденных решений.
Эта линейная комбинация и будет являться общим решением исходного линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.

Пример. Решить уравнение .
Составим характеристическое уравнение:








Общее решение имеет вид:


Пример. Решить уравнение
Это линейное однородное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами второго порядка. Для нахождения общего решения необходимо отыскать какое - либо частное решение.

Таким частным решением будет являться функция


Исходное дифференциальное уравнение можно преобразовать:


Общее решение имеет вид:










Окончательно:

Пример. Решить уравнение
Составим характеристическое уравнение:


Общее решение:
Пример. Решить уравнение
Характеристическое уравнение:




Общее решение:

Пример. Решить уравнение
Характеристическое уравнение:



Общее решение:

Пример. Решить уравнение
Характеристическое уравнение:






Общее решение:


Пример. Решить уравнение
Характеристическое уравнение:




Общее решение:

Пример. Решить уравнение
Характеристическое уравнение:






Общее решение:

Пример. Решить уравнение
Это уравнение не является линейным, следовательно, приведенный выше метод решения к нему неприменим.

Понизим порядок уравнения с помощью подстановки

Тогда












Окончательно получаем:
Это выражение будет общим решением исходного дифференциального уравнения. Полученное выше решение у₁ = С₁ получается из общего решения при С = 0.

Пример. Решить уравнение
Производим замену переменной:














Общее решение: