- •Конспект лекций по высшей математике. Обыкновенные дифференциальные уравнения.
- •Учебное пособие
- •Оглавление
- •1. Дифференциальные уравнения 1-го порядка
- •1.1. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Основные понятия
- •1.2. Обыкновенные дифференциальные уравнения 1-го порядка
- •1.3. Дифференциальные уравнения 1-го порядка с разделяющимися переменными
- •1.4. Однородные дифференциальные уравнения 1-го порядка
- •1.6. Обобщенное однородное уравнение
- •1.7. Линейные дифференциальные уравнения 1-го порядка
- •1.5. Дифференциальные уравнения, приводящиеся к однородным
- •1.8. Уравнение Бернулли
- •1.9. Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах
- •1.10. Интегрирующий множитель
- •2. Дифференциальные уравнения 2-го порядка
- •2.1. Методы понижения порядка уравнения
- •2.2. Линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка
- •2.3. Определитель Вронского
- •2.4. Структура общего решения лоду 2-го порядка
- •2.5. Лоду 2-го порядка с постоянными коэффициентами
- •2.6. Структура общего решения линейного неоднородного дифференциального уравнения (лнду) 2-го порядка
- •2.7. Решение лнду 2-го порядка с постоянными коэффициентами со специальной правой частью
- •2.8. Метод вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа)
- •3. Линейные уравнения высших порядков
- •3.1. Однородное уравнение
- •3.2. Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
- •4. Системы обыкновенных дифференциальных уравнений
- •4.1. Нормальные системы
- •4.2. Метод исключения
- •4.3. Линейные однородные системы дифференциальных уравнений (лос ду)
- •4.4. Лос ду с постоянными коэффициентами
- •4.5. Линейные неоднородные системы дифференциальных уравнений (лнс ду)
- •4.6. Метод вариации произвольных постоянных
2.8. Метод вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа)
Непосредственное нахождение частного решения линейного неоднородного дифференциального уравнения, кроме случая уравнения с постоянными коэффициентами, причём со специальными правыми частями, обычно представляет большие трудности. В связи с этим для нахождения общего решения ЛНДУ рассмотрим метод вариации произвольных постоянных, который всегда даёт возможность выразить общее решение ЛНДУ через элементарные функции и интегралы от них (в этом случае говорят, что решение «найдено в квадратурах»), если известна фундаментальная система решений соответствующего однородного уравнения.
Как было показано ранее, общее решение линейного однородного уравнения имеет вид:
, (8.1)
где
– линейно независимые на некотором
интервале
решения ЛОДУ, а
– произвольные постоянные.
Будем искать
частное решение ЛНДУ в форме (8.1), считая,
что
– не постоянные, а некоторые, пока
неизвестные, функции отx:
. (8.2)
Продифференцируем равенство (8.2):
. (8.3)
Подберём функции
и
так, чтобы выполнялось равенство:
.
Тогда вместо (8.3) получим:
. (8.4)
Продифференцируем это выражение ещё раз по x. В результате приходим к:
. (8.5)
Подставим
(8.2), (8.4), (8.5) в ЛНДУ 2-го порядка
,
после чего получим:
![]()
или
(8.6)
Так как
– решения ЛОДУ
,
то равенство (8.6) принимает вид:
.
Таким образом,
функция (8.2) будет решением ЛНДУ в том
случае, если функции
и
удовлетворяют системе уравнений:
(8.7)
Так как определителем
этой системы является определитель
Вронского для двух линейно независимых
на интервале X
решений соответствующего ЛОДУ, то он
не обращается в нуль ни в одной точке
интервала X.
Следовательно, решая систему (8.7), найдем
и
:
и
.
Интегрируя полученные равенства,
заключаем:
,
,
где
,
– произвольные постоянные.
Возвращаясь к равенству (8.2), получим общее решение неоднородного уравнения:
.
Пример.
Решить уравнение:
.
Решение.
Соответствующее
данному ЛНДУ однородное уравнение
.
Интегрируя его, получим общее решение:
.
Итак, двумя линейно независимыми
решениями, образующими общее решение,
являются функции
и
.
Предположим теперь,
что общим решением заданного уравнения
является выражение
.
Для определения
функций
и
имеем систему уравнений:
.
Отсюда получаем
,
.
Следовательно, общее решение заданного уравнения есть:
.
3. Линейные уравнения высших порядков
3.1. Однородное уравнение
Определение. Линейным уравнением n-го порядка называется уравнение вида:
. (1.1)
Если при всех
рассматриваемых значениях x
функция
равна нулю, то это уравнение называетсяоднородным,
в противном случае – неоднородным.
Предполагаем, что
коэффициенты
и свободный член
определены и непрерывны в интервале
.
Тогда уравнение (1.1) имеет единственное
решение
,
определенное во всем интервале
и удовлетворяющее начальным условиям:
,
причём начальные данные
можно задавать произвольно, а
нужно брать из интервала
.
Заметим, что
линейное однородное дифференциальное
уравнение (ЛОДУ) всегда имеет нулевое
решение
.
Для построения
общего решения ЛОДУ достаточно знать
n
линейно независимых в интервале
частных решений
,
то есть таких решений, для которых
тождество
,
где
– постоянные числа, может выполняться
только при
.
Такая система решений называетсяфундаментальной.
Известно, что для того чтобы система
решений ЛОДУ была фундаментальной,
необходимо и достаточно, чтобы её
определитель Вронского

был отличен от нуля хотя бы в одной точке из интервала . В действительности, в этом случае определитель Вронского отличен от нуля во всех точках интервала .
Если найдена фундаментальная система решений ЛОДУ, то формула
, (1.2)
где
– произвольные постоянные, даёт общее
решение этого уравнения в области
,
,
,
…,
.
