- •3. Метод замены переменной в неопределенном интеграле
- •4. Метод интегрирования по частям в неопределённом интеграле
- •5. Определение интеграла его свойства
- •Свойства интеграла
- •6. Механический и геометрический смысл определенного интеграла
- •7. Определенный интеграл с переменным верхним пределом
- •8.Интегрирование рациональных дробей
- •9.Интеграл простейших рациональных дробей
- •14. Объем тела вращения его вычисления
- •15. Дифференциальное уравнение основные понятия
- •10. Интегрирование иррациональных функций
- •17. Линейное дифференциальное уравнение первого порядка
- •18. Понижение порядка дифференциального уравненияI. Пусть левая часть уравнения (1) не содержит явно искомую
- •22. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •20. Линейные уравнения второго порядка
- •21. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •23.Функции нескольких переменных, линия уровня функции двух переменных Функции нескольких переменных
- •Линия уровня функции двух переменных
- •24. Частнные производные функции двух переменных
- •25. Полное приращение и полный дифференциал функции двух переменных
- •Связь полного приращения фнп с ее полным дифференциалом
- •Достаточное условие дифференцируемости фнп
- •Приложения полного дифференциала фнп
- •29. Экстремумы функции двух переменных
- •30. Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных в замкнутой области
20. Линейные уравнения второго порядка
Это уравнение - неоднородное линейное; если F(x)=0, то уравнение называется однородным линейным.
Общее решение неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и какого-либо частного решения неоднородного уравнения. Общее решение однородного уравнения имеет вид y=C1y1+C2y2, где C1,C2 - постоянные; y1, у2 - линейно независимые решения уравнения (две функции называются линейно независимыми, если их отношение не является постоянной). Такие решения у1 и y2 образуют так называемую фундаментальную систему решений.
Если известно только одно частное решение однородного уравнения у1 то другое находится по формуле
где С - постоянная.
Если коэффициенты р(х), q(x) и F(x) разлагаются в сходящиеся ряды по степеням х-х0 в некоторой окрестности точки х0, то решения ищут также в форме рядов по степеням х-х0, сходящихся в той же окрестности. Коэффициенты разложения находятся приравниванием коэффициентов при одинаковых степенях разности x-x0.
Задача отыскания решений однородного уравнения значительно упрощается, если коэффициенты дифференциального уравнения постоянны:
где а0, a1, а2 - данные числа. Решения уравнения зависят от корней характеристического уравнения a0k2+а1k+a2=0. в табл. 1 даны результаты в зависимости от дискриминанта
Таблица 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В табл. 1 функция φ(х) есть частное решение неоднородного уравнения; оно может быть найдено по способу неопределенных коэффициентов, если правая часть дифференциального уравнения имеет следующую структуру:
где Р1(х) и Р2(х) - многочлены.
В общем же случае применяют вариацию произвольных постоянных, а именно: заменяют постоянные C1 и С2 функциями C1(x) и С2(х); производные этих функций должны удовлетворять системе алгебраических линейных уравнений:
Найдя С′1 и С′2, получают
где D1 и D2 - произвольные постоянные.
Уравнение вида x2y"+xp(x)y'+q(x)y=0 в том случае, если р(х) и q(x) разлагается в сходящиеся ряды по степеням х, имеет решение
где k определяется из уравнения
а коэффициенты а0, а1, ... находят методом неопределенных коэффициентов.
ПРИМЕР 1. Уравнение Эйлера:
В этом случае
и решение имеет вид
ПРИМЕР 2. Уравнение Бесселя:
Для k получается
откуда k=±y.
Два решения имеют вид
21. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
Общее
решение линейного однородного
дифференциального уравнения
с
непрерывными на интервале
интегрирования Xкоэффициентами
определяется
линейной комбинацией
,
где
-
линейно независимые частные решения
ЛОДУ на X,
а
-
произвольные постоянные.
Таким
образом, общее решение линейного
однородного дифференциального уравнения
второго порядка
с
постоянными коэффициентами имеет
вид y0 =
C1 ⋅
y1 +
C2 ⋅
y2 ,
где y1 и y2 –
частные линейно независимые решения,
а С1 и C2 –
произвольные постоянные. Осталось
научиться находить частные
решения y1 и y2.
Эйлер
предложил искать частные решения в
виде
.
Если
принять
частным
решением уравнения
,
то при подстановке этого решения в
уравнение мы должны получить
тождество.
Так
мы получили характеристическое
уравнение.
Решения k1 и k2 этого
квадратного уравнения определяют
частные решения
и
нашего
ЛОДУ второго порядка с постоянными
коэффициентами.
В зависимости
от коэффициентов p и q корни
характеристического уравнения могут
быть:
действительными и различными
,
действительными и совпадающими
,
комплексно сопряженной парой
.
В
первом случае линейно независимыми
частными решениями исходного
дифференциального уравнения являются
и
,
общее решение ЛОДУ второго порядка с
постоянными коэффициентами
есть
.
Функции
и
действительно
линейно независимы, так как определитель
Вронского
отличен
от нуля для любых действительных x
при
.
Во
втором случае одним частным решением
является функция
.
В качестве второго частного решения
берется
.
Покажем, что
действительно
является частным решением ЛОДУ второго
порядка с постоянными коэффициентами
и
докажем линейную независимость y1 и y2.
Так
как k1 =
k0 и k2 =
k0 совпадающие
корни характеристического уравнения,
то оно имеет вид
.
Следовательно,
-
исходное линейное однородное
дифференциальное уравнение. Подставим
в него
и
убедимся, что уравнение обращается в
тождество:
Таким
образом,
является
частным решением исходного
уравнения.
Покажем линейную
независимость функций
и
.
Для этого вычислим определитель Вронского
и убедимся, что он отличен от
нуля.
Вывод:
линейно независимыми частными решениями
ЛОДУ второго порядка с постоянными
коэффициентами
являются
и
,
и общее решение есть
при
.
В
третьем случае имеем пару комплексных
частных решений ЛОДУ
и
.
Общее решение запишется как
.
Эти частные решения могут быть заменены
двумя действительными функциями
и
,
соответствующими действительной и
мнимой частям. Это хорошо видно, если
преобразовать общее решение
,
воспользовавшись формулами из теории
функции комплексного
переменного
:
где С3 и С4 –
произвольные постоянные.
Итак,
обобщим теорию.
Алгоритм
нахождения общего решения линейного
однородного дифференциального уравнения
второго порядка с постоянными
коэффициентами
.
Записываем характеристическое уравнение k2 + p ⋅ k + q = 0.
Находим корни характеристического уравнения k1 и k2.
В зависимости от значений корней характеристического уравнения записываем общее решение ЛОДУ с постоянными коэффициентами в виде
, если ;
, если ;
,
если
.
Рассмотрим
примеры для каждого случая.
Пример.
Найдите
общее решение линейного однородного
дифференциального уравнения второго
порядка с постоянными
коэффициентами
.
Решение.
Запишем
характеристическое уравнение k2 +
4 ⋅
k + 4 = 0.
Найдем его корни
Получили
два совпадающих корня, следовательно,
общее решение имеет вид
.
Пример.
Найти
общее решение дифференциального
уравнения
.
Решение.
Мы
имеем ЛОДУ второго порядка с постоянными
коэффициентами. Запишем характеристическое
уравнение и найдем его корни:
Корни
действительные и различные, поэтому,
общее решение однородного уравнения
имеет вид
.
Пример.
Найти
общее решение дифференциального
уравнения
.
Решение.
Характеристическое
уравнение ЛОДУ второго порядка с
постоянными коэффициентами имеет
вид
k2 -
k + 3 = 0.
Найдем его корни:
Получили
пару комплексно сопряженных корней
характеристического уравнения,
следовательно, общее решение исходного
уравнения имеет вид
