- •§1. Дифференциальные уравнения и их решение
- •7. Линейные уравнения первого порядка
- •2) Найти общее решение .
- •8. Уравнение Бернулли
- •9. Уравнения в полных дифференциалах
- •10. Уравнения вида и
- •11. Уравнения Лагранжа и Клеро
- •12. Определение типа дифференциального уравнения первого порядка
- •§2. Уравнения высших порядков
- •§3. Линейные дифференциальные уравнения и системы
- •Свойства линейного дифференциального оператора
- •Система из линейно независимых (лнз) на промежуткерешенийдля лодУn-го порядка называется фундаментальной системой решений (фср) этого уравнения.
- •Типовой пример Решить задачу Коши.
- •Решение неоднородного линейного уравнения с постоянными коэффициентами методом вариации постоянных
- •Вопросы промежуточного контроля
- •Типовые задания для контроля знаний и закрепления практических навыков
- •Вариант №2
§3. Линейные дифференциальные уравнения и системы
Уравнение вида
,
где
и
непрерывные на промежутке
функции аргумента
,
называетсялинейным
неоднородным дифференциальным уравнением
(ЛНДУ) n-го
порядка.
ТЕОРЕМА
Если
на отрезке
коэффициенты
и правая часть
уравнения непрерывны, то на всем этом
отрезке существует, и притом единственное,
решение дифференциального уравнения
с начальными условиями
,
,
… ,
,
где
.
Если
в данном уравнении
,
то уравнение называетсялинейным
однородным дифференциальным уравнением
(ЛОДУ) n-го
порядка. Обозначим
левую часть линейного дифференциального
уравнения и назовемлинейным
дифференциальным оператором
n-го
порядка.
Свойства линейного дифференциального оператора
.
.
.
.
Следствие.
Из свойств
и
следует линейность оператора
,
то есть
![]()
Система из линейно независимых (лнз) на промежуткерешенийдля лодУn-го порядка называется фундаментальной системой решений (фср) этого уравнения.
ТЕОРЕМА
Пусть
функции
являются решениями ЛОДУn-го
порядка
с непрерывными коэффициентами. Тогда
для того, чтобы система
была линейно независима на
,
необходимо и достаточно, чтобыопределитель
Вронского

для
любого
.
Типовой пример
Исследовать
на линейную зависимость систему функций
.
►Составим определитель Вронского:
.
Следовательно,
система функций
– линейно независима.
◄
Типовой пример
Исследовать на линейную зависимость следующую систему функций
.
►Составим определитель Вронского:

Следовательно,
система функций
- линейно независима.
◄
Типовой пример
Исследовать
на линейную зависимость систему функций
.
►Аналогично,
для любого
.
Следовательно,
система функций
– линейно независима.
◄
Таким образом, определитель Вронского играет определяющую роль в выяснении линейной зависимости системы функций.
Если
определитель Вронского построен на
частных решениях
дифференциального уравнения, то
справедливаформула
Лиувилля – Остроградского
,
где
– первый коэффициент дифференциального
уравнения.
Для
линейного однородного дифференциального
уравнения второго порядка
фундаментальная система состоит из
двух линейно независимых решений
;
его общее решение находится по формуле
.
Если
для такого уравнения известно одно
частное решение
,
то второе его решение,линейно
независимое с первым,
можно найти по формуле, являющейся
следствием формулы
Лиувилля – Остроградского:
.
Типовой пример
Найти
общее решение дифференциального
уравнения
,
проверив, что одно его частное решение
имеет вид
.
►Разделим
обе части данного уравнения на
:
.
Здесь
коэффициенты
и
непрерывны при
,
следовательно, решение дифференциального
уравнения существует в области
.
Подставляя
,
получим тождество, поэтому
является решением этого уравнения.
Найдем второе частное решение по формуле.
Сначала вычислим
.
Произвольную
постоянную
при вычислении неопределенного интеграла
можно не писать, так как нас интересует
лишь одно частное решение.
Теперь найдем
.
Заметим,
что подынтегральное выражение в последнем
интеграле является производной от
функции
,
поэтому
.
(Постоянную
здесь также можно не писать.)
Таким образом, второе частное решение исходного уравнения имеет вид
.
Проверим, что два полученных решения линейно независимы. Вычислим определитель Вронского:
при
.
В
рассматриваемой области
,
откуда следует, что решения
и
линейно независимы. Тогда общее решение
дифференциального уравнения будет
иметь вид
,
где
и
- произвольные постоянные.◄
ТЕОРЕМА (о структуре общего решения ЛОДУ)
Пусть
функции
являются непрерывными на
ЛНЗ решениями ЛОДУn-го
порядка
.
Тогда общее решение ДУ для любого
можно представить в виде
,
где
.
Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
Уравнение вида
,
где
,
,
называетсяЛОДУ
n-ого
порядка с постоянными коэффициентами.
Рассмотрим
методы получения ФСР
для ЛОДУ. Будем искать решение этого
уравнения в виде
подстановки
Эйлера.
Последовательно находим производные
.
Подставим их в дифференциальное уравнение
.
Так
как
,
то
.
Из этого алгебраического уравнения и
находится требуемое значение
.
Алгебраическое
уравнение n-го
порядка
называетсяхарактеристическим
уравнением
для ЛОДУ n-го
порядка:
.
Такое
характеристическое уравнение всегда
имеет
корней
с учетом кратности. Если все его корни
различны, то ФСР состоит из
функций
и
.
Если среди корней
есть кратные и, например,
корень
кратности
,
то возникает
одинаковых функций
,
которые являются линейно зависимыми.
Тогда строится другая система функций
,
которая уже будет линейно независимой.
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения:
.
►Составим характеристическое уравнение, найдем его корни:
![]()
![]()
.
Составим
систему
и вычислим определитель Вронского
для
любого
,
следовательно,
–ЛНЗ
и образуют ФСР. Тогда
– общее решение данного ЛОДУ.◄
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения
.
►Найдем корни характеристического уравнения:
![]()
![]()
.
Следовательно,
.
Все корни различны. В итоге имеем
–ФСР
данного ЛОДУ;
–общее
решение.◄
Типовой пример
Дано
ДУ
;
найти его общее решение.
►Характеристическое уравнение:
имеет
кратный корень
.
Составим
систему
и вычислим определитель Вронского
,
следовательно,
–ЛНЗ
и образуют ФСР данного ЛОДУ.
–общее
решение.◄
Типовой пример
Дано
ДУ
;
найти его общее решение.
►Характеристическое
уравнение
имеет два комплексно-сопряженных корня
.Согласно
предложенному алгоритму
– ЛНЗ и образуют ФСР.
Общее решение будет иметь вид
.«Ограничиться»
комплексной формой решения значило бы
выйти за рамки нашего рассмотрения.
Можно воспользоваться знаменитой
формулой Эйлера
![]()
и
получить из комплексной пары
и
две линейно независимыедействительные
функции:

Запишем
–по
формуле Эйлера.
Тогда общее решение будет иметь вид
.
Последнее представление считается более удобным.◄
Сформулируем общее правило, следуя которому составляется фундаментальная система решений.
Алгоритм построения ФСР для ЛОДУ n-го порядка с постоянными коэффициентами.
Фундаментальная система решений ЛОДУ с постоянными коэффициентами строится на основе характера корней характеристического уравнения.
Если
действительный
корень характеристического уравнения
кратности
,
то ему соответствует
ЛНЗ решений:
.
Если
комплексно-сопряженная
пара корней характеристического
уравнения кратности
,
то ей соответствует
ЛНЗ решений:
.
Совокупность всех ЛНЗ решений, соответствующих корням характеристического уравнения, образуют ФСР.
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения:
.
►Характеристическое уравнение
![]()
![]()
![]()
имеет корни
.
Корень
![]()
действительный и простой. Для
комплексно-сопряженных корней
находим значения
.
Согласно алгоритму, составляем ФСР:
.
Общее решение однородного уравнения
имеет вид:
◄
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения:
.
►Характеристическое уравнение
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
имеет
следующие корни:
.
Корни
![]()
действительные и простые. Для
комплексно-сопряженных корней
находим значения
.
Применяя алгоритм, получаем ФСР
;
составляем общее решение:
.◄
В частности, характеристическое уравнение для линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами второго порядка
![]()
является
квадратным:
.
Поэтому общее решение уравнения может
иметь один из трех видов:
а)
если дискриминант характеристического
уравнения
а
его
различные действительные корни, то
решение уравнения выглядит как
;
б) если D = 0, характеристическое уравнение имеет один корень λ0, и общее решение уравнения имеет вид
;
в)
при D
< 0 характеристическое уравнение имеет
комплексно сопряженные корни
,
а общее решение уравнения записывается
в форме
![]()
Типовые примеры
Найти общее решение уравнения.
1)
.
►Составим
и решим характеристическое уравнение
Значит, общее решение записывается в
виде:
.
◄
2)![]()
►Характеристическое
уравнение
имеет
один действительный корень λ
= 0 кратности 3
и два комплексно сопряженных корня:
- 2 ± 3i.
Так как е0∙х
= 1, общее решение записывается в форме
(17)
и (18):
.◄
