- •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 № 14
Тема: Метод невизначених коефіцієнтів.
Знаходження частинного розв’язку лінійного
неоднорідного диференціального рівняння із
сталими коефіцієнтами.
Частинний розв’язок лінійного неоднорідного диференціального рівняння можна знайти методом варіації сталих, проте цей метод є досить громіздким. Існують для даних видів правої частини рівняння (1)(Л. 13) простіші методи знаходження частинних розв’язків без квадратур. Нехай права частина рівняння (1)(Л. 13) має вигляд:
,
де
-
довільний многочлен m-ого
степеня,
-
довільна стала.
Отже розглядаємо рівняння:
(1)
Оскільки
при диференціюванні множиться тільки
на сталий множник
,
то природно шукати частинний розв’язок
у вигляді добутку деякої функції на
.
Після виконання усіх операцій
зазначених в лівій частині рівняння
(1), скорочення на
,
в лівій частині залишиться многочлен
тотожний
.
Припустимо, що в шуканому
частинному розв’язку додатковим
многочленом до
буде деякий многочлен від (х), таким
чином частинний розв’язок будемо шукати
у вигляді:
(2),
де
-
многочлен з невідомими коефіцієнтами
та степенем.
Їх нам потрібно визначити:
для цього підставимо (2) в (1). У формулу
(3(Л. 13)) замість k
підставимо
,
замість
Помноживши через
ліву частину характеристичного рівняння
при
матимемо:
![]()
Звідси:
(3)
Якщо
не є коренем характеристичного рівняння
, тобто
,
тоді степінь многочлена
повинен
збігатися із степенем
Припускаємо, що:
,
де
-
невизначені коефіцієнти. Підставивши
цей вираз замість
в (3) матимемо тотожність. Прирівнявши
коефіцієнти при однакових степенях х
у лівій і правій частинах цієї тотожності,
дістанемо систему з m
+ 1 рівнянь відносно невідомих
.
Оскільки
то
система дає змогу знайти коефіцієнти
.
Приклад:
Розв’язати рівняння:
.
Розв’язання: Загальний
розв’язок шукаємо у вигляді:
.
Складемо характеристичне рівняння відповідного однорідного рівняння.
;
звідки
![]()
Оскільки
,
то:
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Припустимо, що
,
тобто
-
корінь характеристичного рівняння, і
нехай
-
корінь кратності
Тоді:
![]()
Тоді рівняння (3) набуде вигляду:
(4)
Многочлени лівої і правої
частини повинні бути однакового степеня,
тобто многочлен лівої частини має
степінь m. А
отже
-
та похідна від
буде m - того
степеня, тобто
матиме степінь m
+ r:
(5)
Ліва частина (4) містить похідні
з r-ої по
n-ту. При
підстановці (5) в (4) і знаходженні похідних
від
всі члени правої частини, починаючи з
зникають. Тому доцільно припустити, що
![]()
Тоді:
або
![]()
Отже, якщо
-
корінь характеристичного рівняння
кратності r,
то частинний розв’язок рівняння (1)
шукатимемо у вигляді:
,
де
-
многочлен того ж степеня що й
Отже, щоб знайти коефіцієнти
многочлена
підставимо в задане рівняння замість
у вираз
,
скорочуємо на
отриману рівність, прирівнюємо коефіцієнти
при однакових степенях х і з утвореної
системи рівнянь отримаємо коефіцієнти
многочлена
.
Приклад 1:
Розв’язати рівняння:
![]()
Розв’язання:
![]()
![]()
-
двократний корінь характеристичного
рівняння.
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Приклад 2:
Розв’язати диференціальне
рівняння:
![]()
Використавши т. 4 лекції 10-11
розв’язок цього рівняння буде:
,
де
-
частковий розв’язок рівняння:
![]()
-
частковий розв’язок рівняння:
![]()
![]()
![]()
шукаємо у вигляді:
,
бо 0 – двократний корінь характеристичного
рівняння.
![]()
![]()
Підставивши у рівняння отримаємо:
![]()
![]()
![]()
шукаємо у вигляді:
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Зауваження:
Отже, способом невизначених коефіцієнтів
можна розв’язувати неоднорідні
диференціальні рівняння в яких права
частина:
,
де
многочлен
степеня m, а
-
степеня n.
Нехай права частина рівняння (1) має вигляд:
де
многочлен
m-того
степеня,
- будь-які дійсні числа. В цьому випадку
частинний розв’язок шукають у вигляді:
.
Якщо число
є коренями характеристичного рівняння
кратності r, то:
.
Якщо рівняння (1) має вигляд:
де
-
многочлени відповідно степеня
,
то частинний розв’язок шукаємо у
вигляді:
де
-
частинний розв’язок рівняння:
-
частинний розв’язок рівняння:
Якщо число
не є коренями відповідно характеристичного
рівняння, то:
![]()
де
-
многочлен степеня
а
-
многочлен степеня
.
Тоді:
.
Нехай:
;
m-більше з
чисел
![]()
Тоді, якщо число
не є коренями характеристичного рівняння,
то частинний розв’язок з невизначеними
коефіцієнтами шукають у виді:
![]()
Якщо є число
є коренями характеристичного рівняння
кратності
,
то частинний розв’язок з невизначеними
коефіцієнтами шукаємо у вигляді:
![]()
Приклад:
Знайти розв’язок рівняння:
Розв’язання:
Розв’язок шукаємо у вигляді:
![]()
![]()
Тоді:
![]()
Знайдемо
методом невизначених коефіцієнтів.
Права частина
число
не
є коренем характеристичного рівняння,
тому розв’язок шукають у вигляді:
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
Отже:
![]()
![]()
