42. Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
Теоретическая справка
Дифференциальное уравнение
,
(2.1)
где
-
постоянные величины, называется линейным
однородным уравнением
-
го порядка с постоянными коэффициентами.
,
(2.2)
где
-
его линейно независимые частные решения.
Последние находятся с помощью
характеристического уравнения
.
(2.3)
Если
характеристическое уравнение имеет
действительных
различных корней
,
то каждому из них соответствует частное
решение
(2.4)
и общее решение уравнения (2.1) принимает вид
.
(2.5)
Если
уравнение (2.3) имеет
действительных
равных корней
(т.е.
корень
имеет
кратность
),
то в формуле (2.2) им соответствуют решения
.
(2.6)
Однократным
комплексно сопряженным корням
уравнения
(2.3) в формуле (2.2) соответствуют решения:
(2.7)
Комплексно сопряженным корням кратности соответствуют частные решения:
(2.8)
k n + a1k n -1 + a2k n -2 + ... + an -1 k + an = 0. |
(35) |
Уравнение
(35) называется характеристическим
уравнением
уравнения (34). Это уравнение имеет n
(возможно, комплексных корней) k1,
k2,
…, kn,
некоторые из которых могут быть равны
друг другу. Каждому из этих корней
соответствует функция из ФСР. Правило,
по которому формируется ФСР, заключается
в следующем:
Если
kj
- простой действительный корень
характеристического уравнения (т.е.
корень кратности r
= 1), то ему соответствует функция
в
ФСР;
если
kj
- действительный корень характеристического
уравнения кратности r
> 1 (т.е. kj
= kj
+1
= kj
+2
= …= kj
+
r
- 1 ),
то этому множеству корней соответствует
набор функций
в
ФСР;
если
-
простой комплексный корень
характеристического уравнения (здесь
-
мнимая единица), то корнем характеристического
уравнения будет и сопряженное с kj
число
.
Паре корней kj,
kj+1
соответствуют функции
,
в
ФСР;
если
-
комплексный корень характеристического
уравнения кратности r
> 1, то корнем характеристического
уравнения той же кратности будет и число
.
Паре корней kj,
kj+1,
каждый из которых имеет кратность r
> 1, соответствуют набор функций
,
,
,
,
,
,
….,
,
в
ФСР.
Обоснование
этого правила дадим для случая n
= 2. Рассмотрим уравнение второго порядка
|
(36) |
Его
характеристическое уравнение k2
+ a1 k + a2
= 0, в зависимости от значения дискриминанта
D = a12 - 4a
2, может иметь
1.
действительные неравные корни k1,
k2 (D > 0). Функции
,
по самому способу их нахождения, являются
решениями уравнения (36). Вронскиан этой
системы функций
,
следовательно - это фундаментальная
система решений. Общее решение уравнения
(36) в этом случае -
.
2.
действительные равные корни
.
Функция
,
как и в предыдущем случае, решение
уравнения (36).
для n = 2. Уравнение в этом случае имеет вид
y + a1(x)y + a2(x)y = b(x) ,
где a1(x), a2(x), b(x) - непрерывные на некотором промежутке функции. Частное решение
данного уравнения ищем в виде
y(x) = C1 y1 + C2 y2 ,
где y1(x), y2(x) - фундаментальная система решений однородного уравнения
y + a1(x)y + a2(x)y = 0 ,
a C1 = C1(x) и C2 = C2(x) - подлежащие определению функции. Предположим, что они
удовлетворяют системе:
C
1 y1 + C2 y2 = 0
C
1 y1 + C2 y2 = b(x) .
Тогда
y (x) = C
1 y1 + C2 y2 + C1 y1 + C2 y2 = C1 y1 + C2 y2 ;
y (x) = C
1 y1 + C2 y2 + C1 y1 + C2 y2 = b (x) + C1 y1 + C2 y2 .
Отсюда
y + a1(x)y + a2(x)y = b(x) + C1 y1 + C2 y2 + a1(x)(C1 y1 + C2 y2) + a2(x)(C1 y1 + C2 y2) =
= b(x) + C1 y1 + a2(x)y1 + a2(x)y1 + C2 y2 + a1(x)y2 + a2(x)y2 = b(x) ,
т.е. y + a1(x)y + a2(x)y = b(x), и наше утверждение доказано.
43.
Теорема 5.1 (структура общего решения
ЛНДУ). Общим решением у уравнения (5.1)
является сумма его произвольного
частного решения у* и общего решения
соответствующего
однородного уравнения (5.2), т. е.
Убедимся,
что функция (5.3) - решение уравнения
(5.1). Так как у* есть решение уравнения
(5.1), а
-
решение уравнения (5.2), то
В таком случае имеем:
Это
означает, что функция
является
решением уравнения (5.1).
