- •Лекція №9 Тема: Рівняння вищих порядків. Метод степеневих рядів.
- •Метод степеневих рядів.
- •Лекція № 10-11
- •Тема: Лінійна залежність та незалежність функцій
- •Формула Ліувіля-Остроградського
- •Лекція № 12
- •Лекція № 13
- •Випадок простих коренів
- •Випадок кратних коренів
- •Лекція № 14
- •Лекція № 16-17
- •Лекція № 18
Лекція № 10-11
Тема: Лінійні диференціальні рівняння n-го порядку.
Озн. Диференціальне рівняння виду:
(1)
– наз. звичайним лінійним диференціальним
рівнянням n-го
порядку. Функції
,
є визначені і неперервні на деякому інтервалі (можуть бути сталими); наз. ще коефіцієнтами рівняння. f(x) – вільний член. Рівняння є лінійним відносно відомої функції ‘y’ і її похідних.
Якщо f(x) = 0, то рівняння звуть однорідним.
(2)
В противному випадку рівняння звуть неоднорідним.
Введемо таке позначення:
![]()
![]()
L[y] означає, що до функції ‘y’ застосовується усі операції записаного вище лінійного диференціального оператора n-го порядку.
Властивість 1:
Якщо
та
є розв’язками однорідного
диференціального рівняння
n-го порядку
(2), то їх сума
також є розв’язком рівняння (2).
Доведення:
В ході доведення ми показали
адитивність оператора L,
тобто
.
Властивість 2:
Якщо
є розв’язком рівняння (2), а ‘c’
довільна відмінна від 0, то розв’язком
буде
.
Доведення:
![]()
В ході доведення ми показали
однорідність оператора L,
тобто
![]()
Зауваження:
Якщо
-
розв’язки рівняння (2), а
-
довільні сталі відмінні від нуля, то
розв’язком рівняння (2) буде:
.
В операторно му вигляді матимемо:
.
Очевидно, що у(х) = 0 є розв’язком рівняння (2), і цей розв’язок наз. тривіальним розв’язком.
Тема: Лінійна залежність та незалежність функцій
Введемо поняття лінійної залежності функцій аналогічно до відповідних понять для векторів.
Озн.
Систему функцій
наз. лінійно-незалежною на АВ, якщо
тотожність
(с
-
const),
виконуються тільки тоді, коли всі с
=
0. В противному випадку цю систему функцій
наз. лінійно-незалежну.
Приклади:
1)
.
Тоді запишемо:
![]()
Система є лінійно-залежною. Фактично, це означає, що ми можемо одну із функцій можемо представити у вигляді лінійної комбінації іншої.
2) Функції
- лінійно-незалежні. Переконаємось в
цьому. Нехай, ці функції лінійно-залежні,
то або
або
.
.
Не зменшуючи загальності
вважаємо, що
.
Поділимо обидві частини
рівняння на
.
;
Продиференціюємо. Матимемо:
.
Отримали суперечність оскільки
жоден із множників
0,
а їх добуток рівний.
Озн.
Систему з n-лінійно-незалежних
на інтервалі АВ розвязків
однорідного лінійного диференціального
рівняння n-ого
порядку наз. фундаментальною системою
розв’язків цього рівняння. (щоб розв’язати
однорідне рівняння (2) нам потрібно
знайти його фундаментальну систему
розв’язків.)
Теорема:
Якщо функції
мають в інтервалі АВ похідні (n
-1) – порядку включно і є лінійно-незалежними,
то:
Цей визначник (де термінал)
позначається:
і наз. детермінантом Вронського,
або ще наз. Вронськіаном.
Доведення:
Оскільки система функцій
лінійно-залежна, то:
,
причому хоча б одне із сталих ‘с’
відмінне від нуля.
Не зменшуючи загальності, ми
завжди можемо поміняти індекс цієї
сталої з n.
Тоді запишемо
;
,
.
Про диференціюємо записане рівняння до (n-1) порядку.

![]()
![]()
……………………………….
![]()
Тоді визначник Вронського:

Оскільки останній стовпець визначника є лінійною комбінацією n – 1 - елемента інших стовпців.
Теорема доведена.
Приклад:
Система функцій 1, х, х
...
х
- лінійно незалежна на АВ.
Перевірка: Знайдемо визначник Вронського для цих функцій. Маємо:

Приклад:
Функції e
,
e
…
e
-
лінійно-незалежні якщо k
різні числа.

Приклад:
Функції
,
,
, … ,
- є лінійно незалежні (доведення
аналогічно).
Теорема 2:
Для того, щоб розв’язки
лінійного однорідного диференціального
рівняння (2) були лінійно-незалежні на
АВ необхідно і достатньо, щоб детермінант
Вронського
W [
]
0,
.
Доведення:
Якщо визначник Вронського W
[
]
0,
то функції
- лінійно-незалежні незалежно від того
є вони розв’язками рівняння (2) чи ні
(це слідує з теореми (1) ). Нехай ці функції
є лінійно-незалежними на інтервалі АВ
і є розв’язками рівняння (2). Покажемо,
що в цьому випадку визначник Вронського
не дорівнює нулю (
0
), для будь-якого x з
АВ. Припустимо протилежне: існує точка
в якій W [x
]
= 0, виберемо числа
,
,
які є розв’язками системи.

Такі числа ми завжди можемо
вибрати оскільки детермінант системи
W [x
]
= 0. Згідно зауваження (1) функція
є розв’язком рівняння (2) з нульовими
початковими умовами.
Але ці умови задовольняє тривіальний розв’язок у = 0. За теоремою існування та єдиності задачі Коші, рівняння (2) за записаних вище умов має єдиний розв’язок. Тобто:
Звідси випливає (оскільки
одночасно), що система функції
є лінійно-незалежна. Прийшли до
суперечності.
Теорема доведена.
Теорема 3:
Якщо функції
є лінійно-незалежними на АВ розв’язками
лінійного однорідного диференціального
рівняння (2) n-того
порядку то функція
(x
[АВ],
-
довільні сталі є загальним розв’язком
рівняння (2)).
Доведення:
Дійсно які б ми не взяли сталі
їх лінійна комбінація
:
,
згідно зауваження (1) буде розв’язком
рівняння (2). Нехай також довільним
розв’язком цього рівняння буде функція
U(x).
Покладемо U(x
)
= U
,
U
=
U
,
… , U
.
Складемо для функцій „U”
та чисел U
,
U
,
… , U
таку систему:

Дана система складена для
невідомих
.
Оскільки
є лінійно-незалежні, то визначник
Вронського для цієї системи чисел
,
що задовольняє нашу систему.
Підставимо ці числа в розв’язок
рівняння (2), матимемо
.
Даний розв’язок задовольняє
ті ж самі початкові умови, що і функція
U(x),
за теоремою існування єдиності розв’язку
задачі Коші для рівняння n-ого
порядку, звідси слідує, що U(x)
= y(x).
А це означає, що
є
загальним розв’язком рівняння (2).
Отже щоб побудувати загальний розв’язок однорідного рівняння (2) потрібно знайти його фундаментальну систему розв’язків та взяти їх лінійну комбінацію, яка і буде загальним розв’язком рівняння (2).
Приклад:
Рівняння
має
два лінійно-незалежні розв’язки.
.
Тоді загальний розв’язок запишемо так:
.
