- •§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
Типовой пример Решить задачу Коши.
,
,
,![]()
►Составляем характеристическое уравнение и решаем его:
,
,
,
,
.
Общее решение исходного уравнения имеет вид
.
Находим:
![]()
![]()
.
Используем начальные условия:

Решаем систему:
,
,
,
.
Решение задачи Коши имеет вид
.
◄
Решение неоднородных линейных уравнений методом подбора
частного решения
ТЕОРЕМА (об общем решении ЛНДУ n-го порядка)
Общее
решение ЛНДУ есть сумма общего решения
ЛОДУ и какого-либо частного решения
неоднородного уравнения:
,
где
– ФСР.
Пусть требуется найти общее решение неоднородного линейного уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами
![]()
Его решение представляет собой сумму общего решения соответствующего однородного уравнения и частного решения неоднородного уравнения. При некоторых специальных видах неоднородности это частное решение можно подобрать по известной схеме.
1)
Если
гдеРп
(х)
– многочлен степени п,
то частное решение уравнения (19)
,
если число k не является корнем характеристического уравнения, или
,
если k – корень характеристического уравнения кратности s. Коэффициенты А0, А1,…, Ап можно найти методом неопределенных коэффициентов, подставив уч и его производные нужных порядков в уравнение.
2)
При
,
если числаa±bi
не являются корнями характеристического
уравнения, частное решение имеет вид
,
где
многочлены с неопределенными коэффициентами
одной и той же степениl
= max(m,
n).
Если же a±bi – корни характеристического уравнения кратности s, то
.
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения
![]()
►Найдем
общее решение однородного уравнения
Характеристическое уравнение
имеет корни 0 (кратности 1) и 1 (кратности
2). Следовательно,
Перейдем к поиску частного решения.
Поскольку число 1 – коэффициент прих
в показателе степени правой части
уравнения – является корнем
характеристического уравнения кратности
2, ищем уч
в
виде (21)
при s
= 2, n
= 0:
yч=Ax2ex.
Тогда
![]()
Подставим
полученные выражения в исходное
неоднородное уравнение:
![]()
![]()
Следовательно, общее решение исходного уравнения имеет вид
◄
3) Если правая часть уравнения представляет собой сумму функций, для каждой из которых можно подбором найти частное решение:
![]()
то
частное решение такого уравнения
является суммой частных решений уравнений
и![]()
Типовой пример
Найти
общее решение уравнения
![]()
►Характеристическое
уравнение:
Общее решение однородного уравнения:
.
Найдем частное решение, соответствующее
неоднородностиf1(x)
= 3x.
Так как λ
= 0 – корень характеристического
уравнения, частное решение имеет вид
(21)
yч1 = x (Ax + B) = Ax2 + Bx.
Поскольку
при подстановке в уравнение получаем
2A
– 2Ax
– B
= 3x,
откуда 2A
– B
= 0, - 2A
= 3. Решая полученную систему, находим:
![]()
Для f2(x) = sin 2x yч2 задаем по формуле (22) при a = 0, b = 2, l = 0:
yч2=Asin2x+Bcos2x,
![]()
Подставим в уравнение:
![]()
Отсюда
В
= 0,1, А
= - 0,2,
уч2 = - 0,2 sin2x + 0,1 cos2x.
Таким образом, найдено общее решение исходного уравнения:
◄
Типовой пример
Найти
общее решение
.
►Находим корни характеристического уравнения:
![]()
Следовательно, общее решение однородного уравнения имеет вид
(
;
–
фундаментальная система решений):
.
Правая
часть уравнения представляет собой
сумму функций
и
.
Для нахождения частных решений,
соответствующих этим функциям,
составляем:
для
![]()
S=1
(кратность числа
среди корней характеристического
уравнения)
;
для
(кратность
числа
среди корней характеристического
уравнения).![]()
т.е.
–
частное решение нелинейного уравнения
с неизвестными коэффициентами. Подставляем
в исходное уравнение:
.
Для выполнения тождества необходимо равенство коэффициентов:

Поэтому
Таким образом, частное решение исходного
уравнения имеет вид
,
а его общее решение –
◄
Пример
Линейные
дифференциальные уравнения второго
порядка находят применение при изучении,
например,
экономической
модели паутинообразного типа с запасами
товаров, в
которой скорость изменения цены
зависит от величины запаса. Пусть спрос
и предложение являются линейными
функциями цены, то есть
,
где
–константы,
.
В
случае непрерывного анализа запасы
подобно переменным
непрерывно изменяются во времени. По
определению, если запасы в момент времени
составляют
,
то
,
и
.
Пусть
в каждый момент времени продавцы
устанавливают цену
так, что
скорость возрастания пропорциональна
разности запасов по сравнению с заданным
уровнем
:
,
где
есть постоянная
положительная величина. Дифференцируя
это равенство, получим
![]()
,
то есть ускорение возрастания цены пропорционально скорости уменьшения запасов.
Подставляя
Это уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами:
.
Найдем
общее решение этого уравнения.
Характеристическое уравнение однородного
уравнения
имеет вид
.
В
обычном случае
,
член
– положителен.
Введем обозначение:
.Тогда корни
характеристического уравнения
.
Следовательно,
общее решение однородного уравнения
имеет вид
.
Частное
решение неоднородного уравнения (правая
часть которого равна константе
)
также ищем
в виде константы
.
Подставляя
в уравнение,
получим
.
Таким
образом, общее решение уравнения имеет
вид
+
.
Первые
два слагаемых можно преобразовать как
,
где
– вспомогательный
аргумент (![]()
),
,
а третье
слагаемое имеет смысл
цены равновесия
![]()
.Следовательно,
получен закон изменения цены во времени:
.
Цена
колеблется относительно уровня равновесия
.
Амплитуда
и фаза
колебаний
устанавливаются начальными условиями.
