- •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
4.2. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами
4.2.1. Однородное уравнение
Рассмотрим однородное уравнение вида
, (44)
в котором коэффициенты
- постоянные вещественные числа. Это
уравнение имеет фундаментальную систему
решений
,
определенную при всех х и состоящую
из степенных, показательных и
тригонометрических функций. Общее
решение уравнения (44) имеет вид (35)
где - произвольные постоянные, и определено в области (36)
a < x <
b,
< +,
<
+,
…,
<
+.
Рассмотрим метод нахождения общего решения уравнения (44), который предложил Эйлер. Суть его заключается в том, что частное решение уравнения (44) ищется в виде
, (45)
где - некоторое вещественное или комплексное постоянное число, подлежащее определению.
Подставляя (45) в уравнение (44), будем иметь
,
(46)
поделив это
уравнение на
,
получим алгебраическое уравнение вида
,
(47)
которое называется характеристическим уравнением, а его корни – характеристическими числами уравнения (44).
Структура
фундаментальной системы решений
,
а также общего решения уравнения (44)
зависит от вида корней характеристического
уравнения (47).
Рассмотрим правила построения фундаментальной системы, а также позволяющие решить задачу нахождения общего решения однородного уравнения.
Правило 1.
Если все корни характеристического
уравнения (47) различные и действительные
числа, то есть
,
то соответствующее им частные решения
![]()
образуют фундаментальную систему, следовательно, общее решение уравнения (44) в этом случае имеет вид:
,
(48)
где
-
произвольные постоянные.
Правило 2.
Корни характеристического уравнения
(47) различные и среди них имеются
комплексные, то есть
.
Соответствующее
корню
решение принимает мнимую форму:
.
Чтобы освободиться от мнимой формы, преобразуем это решение по формуле Эйлера:
.
Отсюда получаем два линейно независимых частных решения уже в вещественной форме:
и
. (49)
Таким образом,
корням
в формуле общего решения уравнения (44)
соответствует выражение вида
, (50)
так как сопряженный
корень
не дает новых решений, не содержащихся
в формуле (50).
Если корни
характеристического уравнения чисто
мнимые:
,
то соответствующими независимыми
частными решениями будут
.
Следовательно,
корням
в формуле общего решения уравнения (44)
соответствует выражение вида
, (51)
где
-
произвольные постоянные.
Правило 3. Среди корней характеристического уравнения имеются кратные.
3.1. Пусть
среди корней характеристического
уравнения есть равные действительные
корни
,
то корню 1
кратности k соответствуют
k линейно независимых
частных решения
,
а соответствующая компонента общего решения уравнения (40) имеет вид:
, (52)
где
-
произвольные постоянные.
3.2. Пусть
среди корней характеристического
уравнения есть комплексный корень
кратности k, а это
значит, что есть также и сопряженный
ему корень
той же кратности. В этом случае паре
корней соответствуют 2k
линейно независимых частных решения:
![]()
Следовательно, соответствующая компонента общего решения уравнения (44) имеет вид:
,
(53)
где
и
-
произвольные постоянные.
