матем_лекции
.doc
Доказательство. Подставим
в
уравнение (9). Получим:
то
есть
–решение
уравнения.
Следствие. Если
и
–решения
уравнения (9), то
так
же является его решением в силу теорем
(1) и (2).
Определение. Два
решения
и
уравнения
(9) называются линейно зависимыми (на
отрезке
),
если можно подобрать такие числа
и
,
не равные одновременно нулю, что линейная
комбинация этих решений тождественно
равна нулю на
,
то есть если
.
Если
же таких чисел подобрать нельзя, то
решения
и
называются
линейно независимыми (на отрезке
).
Очевидно,
решения
и
будут
линейно зависимы тогда и только тогда,
когда их отношение постоянно, то
есть
(или
наоборот
).
В
самом деле, если
и
–линейно
зависимы, то
,
где по меньшей мере одна
постоянная
или
отлична
от нуля. Пусть, например,
.
Тогда
,
,
Обозначая
получим
,
то есть отношение
–постоянно.
Обратно,
если
то
.
Здесь коэффициент при
,
то есть отличен от нуля, что по определению
означает, что
и
являются
линейно зависимыми.
Замечание. Из
определения линейно независимых решений
и рассуждений выше можно сделать вывод,
что если
и
–линейно
независимы, то их отношение не может
быть постоянным.
Например,
функции
и
при
–линейно
независимы, так как
,
так как
.
А вот функции 5x и x–линейно зависимы,
так как их отношение
.
Теорема. Если
и
–линейно
независимые частные решения линейного
однородного уравнения второго порядка,
то их линейная комбинация
,
где
и
–произвольные
постоянные, является общим решением
этого уравнения.
Доказательство. В
силу теорем 1 и 2 (и следствия к
ним)
является
решением уравнения (9) при любом выборе
постоянных
и
.
Если
решения
и
–линейно
независимы, то
–общее
решение, так как это решение содержит
две произвольные постоянные, которые
не могут быть сведены к одной.
В
тоже время, если бы
и
были
линейно зависимыми решениями, то
уже
не являлось бы общим решением. В этом
случае
,
где α–константа. Тогда
![]()
,
где
является
постоянной.
не
может быть общим решением дифференциального
уравнения второго порядка, так как
зависит лишь от одной постоянной.
Итак, общее решение уравнения (9):
|
|
(11) |
где
и
–линейно
независимые частные решения этого
уравнения, а
и
–произвольные
постоянные.4. Линейные однородные
дифференциальные уравнения второго
порядка с постоянными коэффициентамиПусть
линейное однородное дифференциальное
уравнение
(9)
имеет постоянные коэффициенты p и q.
Будем искать частные решения этого
уравнения в виде
|
|
(12) |
Найдем
и
из
формулы (12): ![]()
Подставим
в
уравнение (9). Получим:
Но
.
Поэтому
|
|
(13) |
Квадратное уравнение (13), из которого определяется число k, называется характеристическим уравнением данного линейного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.
Заметим,
что для составления характеристического
уравнения достаточно в дифференциальном
уравнении производные
и
заменить
на k и
,
а функцию y рассматривать как
производную нулевого порядка и y заменить
на
,
то есть на единицу.
Например,
характеристическое уравнение
дифференциального уравнения
имеет
вид
.
Решим характеристическое уравнение.
|
|
(14) |
При
этих значениях k функции
будут
решениями уравнения (9).
Возможны три различных случая.
Случай
I. Если
,
то корни характеристического уравнения
действительны и различны, то есть
.
Тогда частными решениями уравнения (9)
будут функции
и
.
Эти функции линейно независимы и,
следовательно, общим решением линейного
однородного дифференциального уравнения
второго порядка с постоянными
коэффициентами будет:
|
|
(15) |
Пример
10. Найти общее решение уравнения
.
Решение. Составим характеристическое уравнение и найдем его корни.
. ![]()
Тогда
общее решение дифференциального
уравнения составляем по формуле (15): ![]()
Случай
II. Если
,
то в силу формулы (14) характеристическое
уравнение (13) имеет равные корни
.
Такие корни называются кратными. В этом
случае одно частное решение дифференциального
уравнения будет
.
Другое частное решение, линейно
независимое с
,
следует выбрать так, чтобы
Тогда
,
что и означает, что
и
–линейно
независимы. Найдем
,
определив функцию
,
подставляя
в
дифференциальное уравнение.
.
Тогда 
Подставляя
и
в
уравнение
,
получим
.
Вынося за скобки общий множитель
и
сокращая на него, что возможно, так
как
,
получим далее
или
и
.
Но
,
поэтому имеем
,
откуда
и
,
где a и b–постоянные. Но так как
мы ищем какое–либо частное решение
дифференциального уравнения, то можно
взять
и
.
Тогда
,
a
или
.
Таким
образом, мы имеем два линейно независимых
частных решения линейного уравнения:
и
.
Тогда общее решение этого уравнения
будет иметь вид:
|
|
(16) |
Пример 11. Решить дифференциальное уравнение
.
Решение. Составим
характеристическое уравнение этого
дифференциального уравнения:
.
Тогда
и
.
Общее решение данного дифференциального
уравнения составляем по формуле (16):
.
Случай III. Если
,
то на основании формулы (14) характеристическое
уравнение (13) имеет комплексные
корни:
где
.
Таким образом,
Тогда
частные решения линейного однородного
уравнения
будут
иметь вид:
![]()
Тогда
общее решение уравнения формально можно
записать так:
,
где
и
–некоторые
комплексные постоянные, подобранные
таким образом, чтобы общее решение было
действительным. Избавимся в последнем
выражении от мнимых величин, воспользовавшись
формулами Эйлера:
![]()
![]()
Отсюда
где
и
–какие
угодно (ввиду произвольности
постоянных
и`
)
действительные постоянные. Таким
образом, если характеристическое
уравнение имеет комплексные корни, то
общее решение линейного однородного
уравнения находится по формуле:
|
|
(17) |
Пример
12. Составить общее решение
дифференциального уравнения
.
Решение. Составим
характеристическое уравнение и найдем
его корни. Имеем
.
Отсюда
.
Тогда согласно формуле (17) получаем
общее решение данного дифференциального
уравнения
.
В заключение этого пункта составим таблицу, использование которой облегчает студенту отыскание общего решения уравнения
.
|
N |
|
|
|
1 2 3
4 |
|
|
5. Линейные неоднородные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентамиРассмотрим линейное неоднородное уравнение второго порядка
|
|
(18) |
где p и q–постоянные
числа, а
–заданная
функция. Имеет место теорема о структуре
общего решения линейного неоднородного
уравнения.
Теорема. Общее
решение линейного неоднородного
уравнения (18) равно сумме какого–нибудь
частного решения этого уравнения
и
общего решения
соответствующего
однородного уравнения
.
Доказательство. Нужно
доказать, что сумма
есть
общее решение уравнения (18). Подставим
эту функцию в уравнение. Имеем
или,
учитывая, что производная суммы равна
сумме производных, получим
.
Получили
тождество, так как выражение, стоящее
в первых скобках тождественно равно
нулю в силу того, что
–решение
однородного уравнения, а выражение во
вторых скобках равно
,
так как
является
решением неоднородного уравнения.
Следовательно,
|
|
(19) |
является
решением линейного неоднородного
уравнения. И при этом оно будет общим
решением, так как в его состав в силу
того, что
,
входят две произвольные постоянные.
Таким
образом, если известно общее
решение
однородного
уравнения, то основная задача при
интегрировании неоднородного уравнения
(18) сводится к нахождению какого–либо
его частного решения ![]()
Рассмотрим
метод неопределенных коэффициентов, с
помощью которого в некоторых случаях
можно определить решение
неоднородного
уравнения.
Случай I. Правая часть уравнения (18) есть показательная функция
.
Ищем частное решение уравнения также в форме показательной функции
|
|
(20) |
где A–неопределенный
коэффициент. Отсюда
,
.
Подставим в уравнение
|
|
(21) |
выражения
для
и
его производных, получим:
.
Сократив обе части уравнения на
,
получим
.
Здесь возможны два случая:
1)m не
является корнем характеристического
уравнения, то есть
.
Тогда можно найти неизвестный
коэффициент A. Получим
.
И тогда
.
2)Число m является
корнем характеристического уравнения,
то есть
.
Тогда A найти нельзя и частное
решение уравнения (21) нельзя представить
в виде
.
В
этом случае а) если один корень
характеристического уравнения равен m,
а другой отличен от m, то частное
решение уравнения (21) следует искать в
виде
и
б) если оба корня характеристического
уравнения равны m, то частное решение
ищут в виде
.
Проверим,
например, что
в
том случае, если m –однократный
корень характеристического уравнения,
то есть
.
Подставим в уравнение (21)
и
его первую и вторую производные. Если
,
то
и
тогда имеем
![]()
![]()
Так
как
,
то
,
а
(см.
формулу 14). Значит, неизвестный
коэффициент
и
,
где A уже известно. Но если оба
корня характеристического корня равны m,
то есть
,
что и означает, что
,
то
невозможно
найти в виде
,
а, как было сказано выше, его ищут в
виде
.
Пример
13. Решить уравнение
.
Решение. Найдем
общее решение однородного линейного
уравнения
.
Для этого составим характеристическое
уравнение
.
Его корни
.
