Дифференциальные уравнения 2-го порядка
§1. Методы понижения порядка уравнения.
Дифференциальное уравнение 2-го порядка имеет вид:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image002_107.gif" width="19" height="25 src=">.gif" width="119" height="25 src="> (или Дифференциал" href="/text/category/differentcial/" rel="bookmark">дифференциального уравнения 2-го порядка). Задача Коши для дифференциального уравнения 2-го порядка (1..gif" width="85" height="25 src=">.gif" width="85" height="25 src=">.gif" height="25 src=">.
Пусть дифференциальное уравнение 2-го порядка имеет вид: https://pandia.ru/text/78/516/images/image009_41.gif" height="25 src=">..gif" width="39" height="25 src=">.gif" width="265" height="28 src=">.
Таким образом, уравнение 2-го порядка https://pandia.ru/text/78/516/images/image015_28.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="118" height="25 src=">.gif" width="117" height="25 src=">.gif" width="34" height="25 src=">. Решая его, получаем общий интеграл исходного дифференциального уравнения, зависящий от двух произвольных постоянных: https://pandia.ru/text/78/516/images/image020_23.gif" width="95" height="25 src=">.gif" width="76" height="25 src=">.
Решение.
Так как в исходном уравнении в явном виде отсутствует аргумент https://pandia.ru/text/78/516/images/image011_39.gif" height="25 src=">.gif" width="35" height="25 src=">..gif" width="35" height="25 src=">.gif" width="82" height="38 src="> ..gif" width="99" height="38 src=">.
Так как при https://pandia.ru/text/78/516/images/image029_18.gif" width="85" height="25 src=">.gif" width="42" height="38 src=">.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="68" height="35 src=">..gif" height="25 src=">.
Пусть дифференциальное уравнение 2-го порядка имеет вид: https://pandia.ru/text/78/516/images/image011_39.gif" height="25 src=">..gif" width="161" height="25 src=">.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="33" height="25 src=">..gif" width="225" height="25 src=">..gif" width="150" height="25 src=">.
Пример 2. Найти общее решение уравнения: https://pandia.ru/text/78/516/images/image015_28.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="107" height="25 src=">..gif" width="100" height="27 src=">.gif" width="130" height="37 src=">.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="183" height="36 src=">.
3. Порядок степени понижается, если удается преобразовать его к такому виду, что обе части уравнения становятся полными производными по https://pandia.ru/text/78/516/images/image052_13.gif" width="92" height="25 src=">..gif" width="98" height="48 src=">.gif" width="138" height="25 src=">.gif" width="282" height="25 src=">, (2.1)
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image060_12.gif" width="42" height="25 src=">.gif" width="42" height="25 src="> – заданные функции, непрерывные на том промежутке, на котором ищется решение. Предполагая, что a0(x) ≠ 0, поделим (2..gif" width="215" height="25 src="> (2.2)
Примем без доказательства, что (2..gif" width="82" height="25 src=">.gif" width="38" height="25 src=">.gif" width="65" height="25 src=">, то уравнение (2.2) называется однородным, и уравнение (2.2) называется неоднородным в противном случае.
Рассмотрим свойства решений лоду 2-го порядка.
Определение. Линейной комбинацией функций https://pandia.ru/text/78/516/images/image071_10.gif" width="93" height="25 src=">.gif" width="42" height="25 src=">.gif" width="195" height="25 src=">, (2.3)
то их линейная комбинация https://pandia.ru/text/78/516/images/image076_10.gif" width="182" height="25 src="> в (2.3) и покажем, что в результате получается тождество:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image078_10.gif" width="368" height="25 src=">.
Поскольку функции https://pandia.ru/text/78/516/images/image074_11.gif" width="42" height="25 src="> являются решениями уравнения (2.3), то каждая из скобок в последнем уравнении тождественно равна нулю, что и требовалось доказать.
Следствие 1. Из доказанной теоремы вытекает при https://pandia.ru/text/78/516/images/image080_10.gif" width="77" height="25 src="> – решение уравнения (2..gif" width="97" height="25 src=">.gif" width="165" height="25 src="> называется линейно независимой на некотором промежутке, если ни одна из этих функций не представляется в виде линейной комбинации всех остальных.
В случае двух функций https://pandia.ru/text/78/516/images/image085_11.gif" width="119" height="25 src=">, т. е..gif" width="77" height="47 src=">.gif" width="187" height="43 src=">.gif" width="42" height="25 src=">. Таким образом, определитель Вронского для двух линейно независимых функций не может быть тождественно равен нулю.
Пусть https://pandia.ru/text/78/516/images/image091_10.gif" width="46" height="25 src=">.gif" width="42" height="25 src=">.gif" width="605" height="50">..gif" width="18" height="25 src="> удовлетворяют уравнению (2..gif" width="42" height="25 src="> – решение уравнения (3.1)..gif" width="87" height="28 src=">..gif" width="182" height="34 src=">..gif" width="162" height="42 src=">.gif" width="51" height="25 src="> получается тождество. Таким образом,
https://pandia.ru/text/78/516/images/image107_7.gif" width="18" height="25 src=">, в которой определитель для линейно независимых решений уравнения (2..gif" width="42" height="25 src=">.gif" height="25 src="> оба множителя в правой части формулы (3.2) отличны от нуля.
§4. Структура общего решения лоду 2-го порядка.
Теорема. Если https://pandia.ru/text/78/516/images/image074_11.gif" width="42" height="25 src="> – линейно независимые решения уравнения (2..gif" width="19" height="25 src=">.gif" width="129" height="25 src=">есть решение уравнения (2.3), следует из теоремы о свойствах решений лоду 2-го порядка..gif" width="85" height="25 src=">.gif" width="19" height="25 src=">.gif" width="220" height="47">
Постоянные https://pandia.ru/text/78/516/images/image003_79.gif" width="19" height="25 src="> из этой системы линейных алгебраических уравнений определяются однозначно, так как определитель этой системы https://pandia.ru/text/78/516/images/image006_56.gif" width="51" height="25 src=">:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image116_7.gif" width="138" height="25 src=">.gif" width="19" height="25 src=">.gif" width="69" height="25 src=">.gif" width="235" height="48 src=">..gif" width="143" height="25 src="> (5..gif" width="77" height="25 src=">. Согласно предыдущему параграфу общее решение лоду 2-го порядка легко определяется, если известны два линейно независимых частных решения этого уравнения. Простой метод нахождения частных решений уравнения с постоянными коэффициентами предложил Л. Эйлер..gif" width="25" height="26 src=">, получим алгебраическое уравнение, которое называется характеристическим:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image124_5.gif" width="59" height="26 src="> будет решением уравнения (5.1) только при тех значениях k, которые являются корнями характеристического уравнения (5.2)..gif" width="49" height="25 src=">..gif" width="76" height="28 src=">.gif" width="205" height="47 src="> и общее решение (5..gif" width="45" height="25 src=">..gif" width="74" height="26 src=">..gif" width="83" height="26 src=">. Проверим, что эта функция удовлетворяет уравнению (5.1)..gif" width="190" height="26 src=">. Подставляя эти выражения в уравнение (5.1), получим
https://pandia.ru/text/78/516/images/image141_6.gif" width="328" height="26 src=">, т. к..gif" width="137" height="26 src=">.
Частные решения https://pandia.ru/text/78/516/images/image145_6.gif" width="86" height="28 src="> линейно независимы, т. к..gif" width="166" height="26 src=">.gif" width="45" height="25 src=">..gif" width="65" height="33 src=">.gif" width="134" height="25 src=">.gif" width="267" height="25 src=">.gif" width="474" height="25 src=">.
Обе скобки в левой части этого равенства тождественно равны нулю..gif" width="174" height="25 src=">..gif" width="132" height="25 src="> есть решение уравнения (5.1)..gif" width="129" height="25 src="> будет иметь вид:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image162_6.gif" width="179" height="25 src="> f(x) (6.1)
представляется в виде суммы общего решения https://pandia.ru/text/78/516/images/image164_6.gif" width="195" height="25 src="> (6.2)
и любого частного решения https://pandia.ru/text/78/516/images/image166_6.gif" width="87" height="25 src="> будет решением уравнения (6.1)..gif" width="272" height="25 src="> f(x). Это равенство является тождеством, т. к..gif" width="128" height="25 src="> f(x). Следовательно.gif" width="85" height="25 src=">.gif" width="138" height="25 src=">.gif" width="18" height="25 src="> – линейно независимые решения этого уравнения. Таким образом:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image173_5.gif" width="289" height="48 src=">
https://pandia.ru/text/78/516/images/image002_107.gif" width="19" height="25 src=">.gif" width="11" height="25 src=">.gif" width="51" height="25 src=">, а такой определитель, как мы видели выше, отличен от нуля..gif" width="19" height="25 src="> из системы уравнений (6..gif" width="76" height="25 src=">.gif" width="76" height="25 src=">.gif" width="140" height="25 src="> будет решением уравнения
https://pandia.ru/text/78/516/images/image179_5.gif" width="91" height="25 src="> в уравнение (6.5), получим
https://pandia.ru/text/78/516/images/image181_5.gif" width="140" height="25 src=">.gif" width="128" height="25 src="> f(x) (7.1)
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image185_5.gif" width="34" height="25 src="> уравнения (7.1) в случае, когда правая часть f(x) имеет специальный вид. Это метод называется методом неопределенных коэффициентов и состоит в подборе частного решения в зависимости от вида правой части f(x). Рассмотрим правые части следующего вида:
1..gif" width="282" height="25 src=">.gif" width="53" height="25 src=">, могут равняться нулю. Укажем вид, в котором надо брать частное решение в этом случае.
а) Если число https://pandia.ru/text/78/516/images/image191_5.gif" width="393" height="25 src=">.gif" width="157" height="25 src=">.
Решение.
Для уравнения https://pandia.ru/text/78/516/images/image195_4.gif" width="86" height="25 src=">..gif" width="62" height="25 src=">..gif" width="101" height="25 src=">.gif" width="153" height="25 src=">.gif" width="383" height="25 src=">.
Обе части сокращаем на https://pandia.ru/text/78/516/images/image009_41.gif" height="25 src="> в левой и правой частях равенства
https://pandia.ru/text/78/516/images/image206_5.gif" width="111" height="40 src=">
Из полученной системы уравнений находим: https://pandia.ru/text/78/516/images/image208_5.gif" width="189" height="25 src=">, а общее решение заданного уравнения есть:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image190_5.gif" width="11" height="25 src=">.gif" width="423" height="25 src=">,
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image212_5.gif" width="158" height="25 src=">.
Решение.
Соответствующее характеристическое уравнение имеет вид:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image214_6.gif" width="53" height="25 src=">.gif" width="85" height="25 src=">.gif" width="45" height="25 src=">.gif" width="219" height="25 src=">..gif" width="184" height="35 src=">. Окончательно имеем следующее выражение для общего решения:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image223_4.gif" width="170" height="25 src=">.gif" width="13" height="25 src="> отлично от нуля. Укажем вид частного решения в этом случае.
а) Если число https://pandia.ru/text/78/516/images/image227_5.gif" width="204" height="25 src=">,
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image226_5.gif" width="16" height="25 src="> является корнем характеристического уравнения для уравнения (5..gif" width="229" height="25 src=">,
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image229_5.gif" width="147" height="25 src=">.
Решение.
Корни характеристического уравнения для уравнения https://pandia.ru/text/78/516/images/image231_4.gif" width="58" height="25 src=">.gif" width="203" height="25 src=">.
Правая часть заданного в примере 3 уравнения имеет специальный вид: f(x) https://pandia.ru/text/78/516/images/image235_3.gif" width="50" height="25 src=">.gif" width="55" height="25 src=">.gif" width="229" height="25 src=">.
Для определения https://pandia.ru/text/78/516/images/image240_2.gif" width="11" height="25 src=">.gif" width="43" height="25 src="> и подставляем в заданное уравнение:
Приводя подобные члены, приравнивая коэффициенты при https://pandia.ru/text/78/516/images/image245_2.gif" width="46" height="25 src=">.gif" width="100" height="25 src=">.
Окончательно общее решение заданного уравнения имеет вид: https://pandia.ru/text/78/516/images/image249_2.gif" width="281" height="25 src=">.gif" width="47" height="25 src=">.gif" width="10" height="25 src="> соответственно, причем один из этих многочленов может равняться нулю. Укажем вид частного решения в этом общем случае.
а) Если число https://pandia.ru/text/78/516/images/image255_2.gif" width="605" height="51">, (7.2)
где https://pandia.ru/text/78/516/images/image257_2.gif" width="121" height="25 src=">.
б) Если число https://pandia.ru/text/78/516/images/image210_5.gif" width="80" height="25 src=">, то частное решение лнду будет иметь вид:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image259_2.gif" width="17" height="25 src=">. В выражении (7..gif" width="121" height="25 src=">.
Пример 4. Указать вид частного решения для уравнения
https://pandia.ru/text/78/516/images/image262_2.gif" width="129" height="25 src=">..gif" width="95" height="25 src=">. Общее решение лоду имеет вид:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image266_2.gif" width="183" height="25 src=">..gif" width="42" height="25 src=">..gif" width="36" height="25 src=">.gif" width="351" height="25 src=">.
Далее коэффициенты https://pandia.ru/text/78/516/images/image273_2.gif" width="34" height="25 src=">.gif" width="42" height="28 src="> есть частное решение для уравнения с правой частью f1(x), а Вариация" href="/text/category/variatciya/" rel="bookmark">вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа).
Непосредственное нахождение частного решения лнду, кроме случая уравнения с постоянными коэффициентами, причем со специальными свободными членами, представляет большие трудности. Поэтому для нахождения общего решения лнду обычно применяют метод вариации произвольных постоянных, который всегда дает возможность найти общее решение лнду в квадратурах, если известна фундаментальная система решений соответствующего однородного уравнения. Этот метод состоит в следующем.
Согласно вышеизложенному, общее решение линейного однородного уравнения:
https://pandia.ru/text/78/516/images/image278_2.gif" width="46" height="25 src=">.gif" width="51" height="25 src="> – не постоянные, а некоторые, пока неизвестные, функции от f(x). . нужно брать из интервала. В действительности, в этом случае определитель Вронского отличен от нуля во всех точках интервала, т. е. во всем пространстве – комплексный корень характеристического уравнения..gif" width="20" height="25 src="> линейно независимых частных решений вида:
В формуле общего решения этим корнем соответствует выражение вида.
Линейным дифференциальным уравнением второго порядка называется уравнение вида
y "" + p (x )y " + q (x )y = f (x ) ,
где y - функция, которую требуется найти, а p (x ) , q (x ) и f (x ) - непрерывные функции на некотором интервале (a, b ) .
Если правая часть уравнения равна нулю (f (x ) = 0 ), то уравнение называется линейным однородным уравнением . Таким уравнениям и будет в основном посвящена практическая часть этого урока. Если же правая часть уравнения не равна нулю (f (x ) ≠ 0 ), то уравнение называется .
В задачах от нас требуется разрешить уравнение относительно y "" :
y "" = −p (x )y " − q (x )y + f (x ) .
Линейные дифференциальные уравнения второго порядка имеют единственное решение задачи Коши .
Линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка и его решение
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка:
y "" + p (x )y " + q (x )y = 0 .
Если y 1 (x ) и y 2 (x ) - частные решения этого уравнения, то верны следующие высказывания:
1) y 1 (x ) + y 2 (x ) - также является решением этого уравнения;
2) Cy 1 (x ) , где C - произвольная постоянная (константа), также является решением этого уравнения.
Из этих двух высказываний следует, что функция
C 1 y 1 (x ) + C 2 y 2 (x )
также является решением этого уравнения.
Возникает справедливый вопрос: не является ли это решение общим решением линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка , то есть таким решением, в котором при различных значениях C 1 и C 2 можно получить все возможные решения уравнения?
Ответ на этот вопрос следуюший: может, но при некотором условии. Это условие о том, какими свойствами должны обладать частные решения y 1 (x ) и y 2 (x ) .
И это условие называется условием линейной независимости частных решений.
Теорема . Функция C 1 y 1 (x ) + C 2 y 2 (x ) является общим решением линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка, если функции y 1 (x ) и y 2 (x ) линейно независимы.
Определение . Функции y 1 (x ) и y 2 (x ) называются линейно независимыми, если их отношение является константой, отличной от нуля:
y 1 (x )/y 2 (x ) = k ; k = const ; k ≠ 0 .
Однако установить по определению, являются ли эти функции линейно независимыми, часто очень трудоёмко. Существует способ установления линейной независимости с помощью определителя Вронского W (x ) :
Если определитель Вронского не равен нулю, то решения - линейно независимые . Если определитель Вронского равен нулю, то решения - линейно зависимымые.
Пример 1. Найти общее решение линейного однородного дифференциального уравнения .
Решение. Интегрируем дважды и, как легко заметить, чтобы разность второй производной функции и самой функции была равна нулю, решения должны быть связаны с экспонентой, производная которой равна ей самой. То есть частными решениями являются и .
Так как определитель Вронского
не равен нулю, то эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение данного уравнения можно записать в виде
.
Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами: теория и практика
Линейным однородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида
y "" + py " + qy = 0 ,
где p и q - постоянные величины.
На то, что это уравнение второго порядка, указывает наличие второй производной от искомой функции, а на его однородность - нуль в правой части. Постоянными коэффициентами называются уже упомянутые выше величины.
Чтобы решить линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами , нужно сначала решить так называемое характеристическое уравнение вида
k ² + pq + q = 0 ,
которое, как видно, является обычным квадратным уравнением .
В зависимости от решения характеристического уравнения возможны три различных варианта решения линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами , которые сейчас разберём. Для полной определённости будем считать, что все частные решения прошли проверку определителем Вронского и он во всех случаях не равен нулю. Сомневающиеся, впрочем, могут проверить это самостоятельно.
Корни характеристического уравнения - действительные и различные
Иными словами, . В этом случае решение линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
.
Пример 2. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Пример 3. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет вид , его корни и - вещественные и различные. Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Корни характеристического уравения - вещественные и равные
То есть, . В этом случае решение линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
.
Пример 4. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение 
имеет равные корни . Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
Пример 5. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет равные корни . Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
Здесь мы применим метод вариации постоянных Лагранжа для решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка. Подробное описание этого метода для решения уравнений произвольного порядка изложено на странице
Решение линейных неоднородных дифференциальных уравнений высших порядков методом Лагранжа >>>
.
Пример 1
Решить дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами методом вариации постоянных Лагранжа:
(1)
Решение
Вначале мы решаем однородное дифференциальное уравнение:
(2)
Это уравнение второго порядка.
Решаем квадратное уравнение :
.
Корни кратные: .
Фундаментальная система решений уравнения (2) имеет вид:
(3)
.
Отсюда получаем общее решение однородного уравнения (2):
(4)
.
Варьируем постоянные C 1
и C 2
.
То есть заменим в (4) постоянные и на функции:
.
Ищем решение исходного уравнения (1) в виде:
(5)
.
Находим производную :
.
Свяжем функции и уравнением:
(6)
.
Тогда
.
Находим вторую производную:
.
Подставляем в исходное уравнение (1):
(1)
;
.
Поскольку и удовлетворяют однородному уравнению (2), то сумма членов в каждом столбце последних трех строк дает нуль и предыдущее уравнение приобретает вид:
(7)
.
Здесь .
Вместе с уравнением (6) мы получаем систему уравнений для определения функций и :
(6)
:
(7)
.
Решение системы уравнений
Решаем систему уравнений (6-7). Выпишем выражения для функций и :
.
Находим их производные :
;
.
Решаем систему уравнений (6-7) методом Крамера. Вычисляем определитель матрицы системы:
.
По формулам Крамера находим:
;
.
Итак, мы нашли производные функций:
;
.
Интегрируем (см. Методы интегрирования корней). Делаем подстановку
;
;
;
.
.
.
;
.
Ответ
Пример 2
Решить дифференциальное уравнение методом вариации постоянных Лагранжа:
(8)
Решение
Шаг 1. Решение однородного уравнения
Решаем однородное дифференциальное уравнение:
(9)
Ищем решение в виде .
Составляем характеристическое уравнение:
Это уравнение имеет комплексные корни:
.
Фундаментальная система решений, соответствующая этим корням, имеет вид:
(10)
.
Общее решение однородного уравнения (9):
(11)
.
Шаг 2. Вариация постоянных - замена постоянных функциями
Теперь варьируем постоянные C 1
и C 2
.
То есть заменим в (11) постоянные на функции:
.
Ищем решение исходного уравнения (8) в виде:
(12)
.
Далее ход решения получается таким же, как в примере 1. Мы приходим к следующей системе уравнений для определения функций и :
(13)
:
(14)
.
Здесь .
Решение системы уравнений
Решаем эту систему. Выпишем выражения функций и :
.
Из таблицы производных находим:
;
.
Решаем систему уравнений (13-14) методом Крамера. Определитель матрицы системы:
.
По формулам Крамера находим:
;
.
.
Поскольку ,
то знак модуля под знаком логарифма можно опустить. Умножим числитель и знаменатель на :
.
Тогда
.
Общее решение исходного уравнения:
.
Линейное
однородное дифференциальное уравнение
второго порядка с постоянными
коэффициентами
имеет общее решение
,
где
и
линейно-независимые частные решения
этого уравнения.
Общий вид решений
однородного дифференциального уравнения
второго порядка с постоянными
коэффициентами
,
зависит от корней характеристического
уравнения
.
|
Корни характеристического уравнения |
Вид общего решения |
|
Корни
|
|
|
Корни
действительные и одинаковые |
|
|
Корни
комплексные
|
и
действительные и различные
=
=
,
Пример
Найти общее решение линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами:
1)
Решение:
.
Решив его, найдем
корни
,
действительные и различные. Следовательно,
общее решение имеет вид:
.
2)
Решение:
Составим
характеристическое уравнение:
.
Решив его, найдем
корни
действительные и одинаковые. Следовательно,
общее решение имеет вид:
.
3)
Решение:
Составим
характеристическое уравнение:
.
Решив его, найдем
корни
комплексные. Следовательно, общее
решение имеет вид:.
Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
Где
. (1)
Общее решение
линейного неоднородного дифференциального
уравнения второго порядка
имеет вид
,
где
– частное решение этого уравнения,– общее решение соответствующего
однородного уравнения, т.е. уравнения.
Вид частного
решения
неоднородного уравнения (1) в зависимости
от правой части
:
|
Правая
часть
|
Частное
решение
|
|
|
|
|
|
|
|
Где
|
|
|
где
|
–многочлен
степени
,
где
– число корней характеристического
уравнения, равных нулю.
,
где
=
является корнем характеристического
уравнения.
– число, равное числу корней
характеристического уравнения,
совпадающих с
.
– число корней характеристического
уравнения, совпадающих с
.Рассмотрим различные виды правых частей линейного неоднородного дифференциального уравнения :
1.
,
где– многочлен степени
.
Тогда частное решение
можно искать в виде
,
где
,
а
– число корней характеристического
уравнения, равных нулю.
Пример
Найти общее решение
.
Решение:
.
Б) Так как правая
часть уравнения является многочленом
первой степени и ни один из корней
характеристического уравнения
не равен нулю (
),
то частное решение ищем в виде,
где
и
– неизвестные коэффициенты. Дифференцируя
дважды
и подставляя
,
и
в исходное уравнение, находим.
Приравнивая
коэффициенты при одинаковых степенях
в обеих частях равенства
,
,
находим
,
.
Итак, частное решение данного уравнения
имеет вид
,
а его общее решение.
2.
Пусть правая часть имеет вид
,
где– многочлен степени
.
Тогда частное решение
можно искать в виде
,
где
– многочлен той же степени, что и
,
а
– число, показывающее, сколько раз
является корнем характеристического
уравнения.
Пример
Найти общее решение
.
Решение:
А) Найдем общее
решение соответствующего однородного
уравнения
.
Для этого запишем характеристическое
уравнение
.
Найдем корни последнего уравнения
.
Следовательно, общее решение однородного
уравнения имеет вид
.
характеристического уравнения
,
где
– неизвестный коэффициент. Дифференцируя
дважды
и подставляя
,
и
в исходное уравнение, находим.
Откуда
,
то есть
или
.
Итак, частное
решение данного уравнения имеет вид
,
а его общее решение
.
3.
Пусть правая часть имеет вид
,
где
и
– данные числа. Тогда частное решение
можно искать в виде,
где
и
– неизвестные коэффициенты, а
– число, равное числу корней
характеристического уравнения,
совпадающих с
.
Если в выражение функции
входит хотя бы одна из функций
или
,
то в
надо всегда вводитьобе
функции.
Пример
Найти общее решение .
Решение:
А) Найдем общее
решение соответствующего однородного
уравнения
.
Для этого запишем характеристическое
уравнение
.
Найдем корни последнего уравнения
.
Следовательно, общее решение однородного
уравнения имеет вид
.
Б) Так как правая
часть уравнения есть функция
,
то контрольное число данного уравнения,
оно не совпадает с корнями
характеристического уравнения
.
Тогда частное решение ищем в виде
Где
и
– неизвестные коэффициенты. Дифференцируя
дважды,
получими.
Подставляя
,
и
в исходное уравнение, находим
.
Приводя подобные слагаемые, получим
.
Приравниваем
коэффициенты при
и
в правой и левой частях уравнения
соответственно. Получаем систему
.
Решая ее, находим
,
.
Итак, частное решение исходного дифференциального уравнения имеет вид .
Общее решение исходного дифференциального уравнения имеет вид .
Уравнение
где и – непрерывные функция в интервале называется неоднородным линейным дифференциальным уравнение второго порядка, функции и – его коэффицинентами. Если в этом интервале, то уравнение принимает вид:
и называется однородным линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Если уравнение (**) имеет те же коэффициенты и , как уравнение (*), то оно называется однородным уравнением, соответствующим неоднородному уравнению (*).
Однородные дифференциальные линейные уравнения второго порядка
Пусть в линейном уравнении
И - постоянные действительные числа.
Частное решение уравнения будем искать в виде функции , где – действительное или комплексное число, подлежащее определению. Дифференцируя по , получаем:
Подставляя в исходное дифуравнение, получаем:
Отсюда, учитывая, что , имеем:
Это уравнение называется характеристическим уравнением однородного линейного дифуравнения. Характеристическое уравнение и дает возможность найти . Это уравнение второй степени, поэтому имеет два корня. Обозначим их через и . Возможны три случая:
1) Корни действительные и разные . В этом случае общее решение уравнения:
Пример 1
2) Корни действительные и равные . В этом случае общее решение уравнения:
Пример 2
Оказались на этой странице, пытаясь решить задачу на экзамене или зачете? Если так и не смогли сдать экзамен - в следующий раз договоритесь заранее на сайте об Онлайн помощи по высшей математике .
Характеристическое уравнение имеет вид:
Решение характеристического уравнения:
Общее решение исходного дифуравнения:
3) Корни комплексные . В этом случае общее решение уравнения:
Пример 3
Характеристическое уравнение имеет вид:
Решение характеристического уравнения:
Общее решение исходного дифуравнения:
Неоднородные дифференциальные линейные уравнения второго порядка
Рассмотрим теперь решение некоторых типов линейного неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
где и – постоянные действительные числа, – известная непрерывная функция в интервале . Для нахождения общего решения такого дифференциального уравнения необходимо знать общее решение соответствующего однородного дифференциального уравнения и частное решение . Рассмотрим некоторые случаи:
Частное решение дифференциального уравнения ищем также в форме квадратного трехчлена:
Если 0 – однократный корень характеристического уравнения, то
Если 0 – двухкратный корень характеристического уравнения, то
Аналогично обстоит дело, если – многочлен произвольной степени
Пример 4
Решим соответствующее однородное уравнение.
Характеристическое уравнение:
Общее решение однородного уравнения:
Найдем частное решение неоднородного дифуравнения:
Подставляя найденные производные в исходное дифуравнение, получаем:
Искомое частное решение:
Общее решение исходного дифуравнения:
Частное решение ищем в виде , где – неопределенный коэффициент.
Подставляя и в исходное дифференциальное уравнение, получим тождество, откуда находим коэффициент.
Если – корень характеристического уравнения, то частное решение исходного дифференциального уравнения ищем в виде , когда – однократный корень, и , когда – двукратный корень.
Пример 5
Характеристическое уравнение:
Общее решение соответствующего однородного дифференциального уравнения:
Найдем частное решение соответствующего неоднородного дифференциального уравнения:
Общее решение дифуравнения:
В этом случае частное решение ищем в форме тригонометрического двучлена:
где и – неопределенные коэффициенты
Подставляя и в исходное дифференциальное уравнение, получим тождество, откуда находим коэффициенты.
Эти уравнения определяют коэффициенты и кроме случая, когда (или когда – корни характеристического уравнения). В последнем случае частное решение дифференциального уравнения ищем в виде:
Пример 6
Характеристическое уравнение:
Общее решение соответствующего однородного дифуравнения:
Найдем частное решение неоднородного дифуравнения
Подставляя в исходное дифуравнение, получаем:
Общее решение исходного дифуравнения:
Сходимость числового ряда
Дано определение сходимости ряда и подробно рассматриваются задачи на исследование сходимости числовых рядов - признаки сравнения, признак сходимости Даламбера, признак сходимости Коши и интегральный признак сходимости Коши.
Абсолютная и условная сходимость ряда
На странице рассмотрены знакочередующиеся ряды, их условная и абсолютная сходимость, признак сходимости Лейбница для знакочередующихся рядов - содержится краткая теория по теме и пример решения задачи.