- •1. Основные понятия
- •2. Виды интегрируемых нелинейных уравнений п-го порядка
- •2.1. Дифференциальное уравнение вида
- •2.2. Дифференциальное уравнение вида
- •2.3. Дифференциальные уравнения вида
- •2.4. Уравнения, левая часть которого есть точная производная
- •3.2. Уравнение вида
- •3.3. Уравнение, однородное относительно искомой функции и ее производных
- •3.4. Обобщенно однородное дифференциальное уравнение вида
- •Задания для самостоятельной работы
- •3. Уравнения п-го порядка, допускающие понижения порядка.
- •3.1. Уравнения вида
- •3.5. Уравнения, приводимые к виду
- •4.1.2. Неоднородное линейное уравнение
- •4.2. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами
- •4.2.1. Однородное уравнение
- •Алгоритм нахождения общего решения однородного линейного уравнения с постоянными коэффициентами
- •4.2.2. Неоднородные линейные уравнения
- •Алгоритм нахождения частного решения уравнения п-го порядка с постоянными коэффициентами методом вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа)
- •Алгоритм нахождения частного решения неоднородного линейного уравнения с постоянными коэффициентами методом неопределенных коэффициентов
- •Задания для самостоятельной работы
- •4.3. Линейные дифференциальные уравнения с переменными коэффициентами
- •4.3.1. Уравнения Эйлера
- •Задания для самостоятельной работы
- •4.4. Дифференциальные уравнения второго порядка
- •4.4.1. Приведение уравнения 2-го порядка к каноническому виду
- •4.4.2. Метод исключения из уравнения 2-го порядка слагаемого, содержащего первую производную искомой функции. Уравнение Чебышева
- •Задания для самостоятельной работы
- •4.4.3. Приведение уравнения 2-го порядка к самосопряженному виду
- •4.4.4. Краевая задача для уравнения 2-го порядка
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Решение уравнений второго порядка с помощью рядов
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Метод малого параметра.
- •Задания для самостоятельной работы
- •Контрольные работы
- •Ответы к заданиям для самостоятельной работы
- •Список использованных источников
4.4.4. Краевая задача для уравнения 2-го порядка
Наряду с задачей Коши, являющейся основной задачей теории дифференциальных уравнений, большое значение имеет задача, в которой, в отличие от задачи Коши, дополнительные условия задаются не в одной точке, а на концах некоторого промежутка [a,b], внутри которого ищется решение. Такие условия называются граничными или краевыми, а сама задача нахождения решения уравнения, удовлетворяющего краевым условиям, называется краевой задачей.
Пример 46.
Найти решение уравнения:
,
удовлетворяющее условиям:
.
▲ Поскольку это
однородное линейное уравнение с
постоянными коэффициентами, то для него
можно записать характеристическое
уравнение
,
корни которого
и определяют его общее решение:
.
Первое граничное
условие удовлетворяется при
,
при этом
.
Если
,
где n –
целое число, то из второго граничного
условия находим
.
Таким образом, в этом случае существует единственное решение краевой задачи
.
Если же
и
,
то все кривые пучка
являются графиками решений краевой
задачи.
При
и
решений краевой задачи не существует,
так как ни одна кривая пучка
не проходит через точку
,
где
,
.▲
Рассмотрим вопрос о решении простейшей краевой задачи для линейного уравнения 2-го порядка (84)
. (91)
где
и требуется найти решение этого уравнения,
удовлетворяющее краевым условиям
(92)
Сделаем стандартизацию краевой задачи (91), (92), преобразовав уравнение (91) и краевые условия (92) к специальному виду.
Преобразуем уравнение (91), приведя соответствующее однородное уравнение к самосопряженному виду
(93)
Для этого умножим
обе части уравнения (91)
на функцию
.
В итоге получим
или
![]()
так что
>0,
.
Заменим краевые условия (92) нулевыми краевыми условиями. Для этого сделаем замену искомой функции у по формуле
.
Получим
.
Таким образом, не умаляя общности, достаточно найти решение краевой задачи в стандартной форме
(94)
С этой целью введем
в рассмотрение функцию
,
удовлетворяющую следующим условиям:
-
непрерывна по х
при фиксированном s
при
. -
является при
решением
соответствующего однородного уравнения:
.
(95)
-
удовлетворяет
нулевым краевым условиям:
.
(96) -
В точке x = s производная
имеет разрыв первого рода со скачком
:
.
(97)
Функция
,
удовлетворяющая условиям 1.-4., называется
функцией Грина краевой задачи (94).
Если функция Грина существует, то решение
краевой задачи (94) также
существует и имеет вид
. (98)
Функция Грина строится согласно формулы

где z1(x) – решение задачи Коши:
;
z2(x) – решение задачи Коши:
;
;
W(z1(s), z2(s)) = W(s) – определитель Вронского.
Таким образом, формула для построения функции Грина имеет вид:
. (99)
Краевая задача для функции у может быть записана в общем виде так

где
-
заданные числа, а
- непрерывные на интервале
функции,
причем
.
Пример 47.
Найти решение уравнения:
,
удовлетворяющее условиям:
.
▲ Из краевых условий исходной задачи, для функции Грина имеем задачу: уравнение (95) принимает вид
![]()
краевые условия (96) будут выглядеть следующим образом
,
а условие (97)
.
Интегрируя уравнение
один раз, находим

Здесь
,
так как по условию производная
терпит разрыв при x = s.
Далее, интегрируя
,
получаем
(*)
Поскольку функция G непрерывная, то должно выполняться условие
.
(**)
Из краевых условий для функции G следует, что
(***)
Условие скачка
производной
при x = s приобретает
вид
.
(****)
Решив систему
уравнений (**) – (****)
относительно постоянных
,
получим
![]()
Подставив
в (*), закончим построение
функции Грина для предложенной краевой
задачи:

Решение поставленной краевой задачи будет иметь вид
.▲
Пример48. Найти функцию Грина для краевой задачи:
.
▲ Для функции Грина запишем дифференциальное уравнение
.
Используя подстановку
,
где
,
приведем это уравнение к виду:
.
Последовательно интегрируя его, получаем
.
Если ввести в
рассмотрение функцию Ф как -
,
то функцию U можно
представить также в виде
.
Следовательно,
(*)
Запишем теперь систему уравнений относительно Ci (i = 1,2,3,4):

Решив систему и подставив значения Ci в (*), окончательно получим
▲
