- •Понятие дифференциального уравнения. Порядок ду. Решение ду. Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям.
- •Дифференциальные уравнения с разделенными переменными. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными и приводящиеся к ним.
- •Однородные дифференциальные уравнения первого порядка и приводящиеся к ним.
- •Уравнения в полных дифференциалах. Понятие интегрирующего множителя. Уравнения в полных дифференциалах
- •Уравнения, не разрешенные относительно производной. Уравнения, не содержащие явно одну из переменных.
- •Дифференциальное уравнение Лагранжа
- •Дифференциальное уравнение Клеро
- •Линейные однородные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Интегрирование лоду -го (второго) порядка с постоянными коэффициентами.
- •Метод вариации произвольных постоянных для построения решения линейного неоднородного дифференциального уравнения
- •Понятие системы дифференциальных уравнений. Нормальные системы дифференциальных уравнений. Общее и частное решение системы ду.
- •Интегрирование нормальных систем ду.
- •Устойчивость решения дифференциального уравнения первого порядка по Ляпунову. Асимптотическая устойчивость решения дифференциального уравнения первого порядка.
- •Устойчивость автономных систем. Простейшие типы точек покоя.
Линейные однородные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Интегрирование лоду -го (второго) порядка с постоянными коэффициентами.
Уравнение вида
|
где a1, …, an – некоторые постоянные, называется линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами
В
общем случае у однородного линейного
дифференциального уравнения с постоянными
коэффициентами
имеется
так называемое характеристическое
уравнение
Корни
этого уравнения – характеристические
числа – являются показателями степеней
слагаемых, входящих в решение. Если
среди корней уравнения
нет
кратных, то решением однородного
уравнения является функция вида
где
все
–
некоторые константы, зависящие от
начальных условий. Количество слагаемых
в этой функции совпадает со степенью
дифференциального уравнения. Если же,
скажем,
–
корень характеристического уравнения
кратности m,
то соответствующее слагаемое принимает
вид
а
общее количество слагаемых, входящих
в решение однородного дифференциального
уравнения уменьшается на m
– 1.
Линейные неоднородные дифференциальные уравнения -го (второго) порядка. Теорема о структуре общего решения ЛНДУ -го (второго) порядка. Метод вариации произвольной постоянной. Теорема о наложении решений.
Дифференциальное уравнение называется линейным, если неизвестная функция и все ее производные входят в уравнение линейно:
|
Если f (x) тождественно равна нулю, то уравнение называется однородным; в противном случае оно называется неоднородным.
Терема 1 о структуре общего решения линейного неоднородного дифференциального уравнения. Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения с непрерывными на интервале (a, b) коэффициентами и правой частью
Ln(y)
=
|
(20) |
равно сумме общего решения соответствующего однородного уравнения
Ln(y)
=
|
(21) |
и частного решения неоднородного уравнения (20)
Теорема
2 о наложении решений. Если
y1,чн(x)
- частное решение неоднородного уравнения
Ln(y)
= f1(x),
y2,чн(x)
- частное решение неоднородного уравнения
Ln(y)
= f2(x),
то функция
является
частным решением неоднородного уравнения
.
Метод вариации произвольных постоянных для построения решения линейного неоднородного дифференциального уравнения
Метод
состоит в замене произвольных постоянных
в
общем решении
соответствующего однородного уравнения
на
вспомогательные функции
,
производные которых удовлетворяют
линейной алгебраической системе
Определителем
системы (1) служит вронскиан
функций
,
что обеспечивает её однозначную
разрешимость относительно
.
Если
—
первообразные для
,
взятые при фиксированных значениях
постоянных интегрирования, то функция
является решением исходного линейного неоднородного дифференциального уравнения.
Интегрирование ЛНДУ -го (второго) порядка с постоянными коэффициентами и правой частью специального вида.
Дифференциальное уравнение называется линейным, если неизвестная функция и все ее производные входят в уравнение линейно:
|
Если f (x) тождественно равна нулю, то уравнение называется однородным; в противном случае оно называется неоднородным.
Метод подбора частного решения неоднородного уравнения с правой частью специального вида. Методом Лагранжа может быть решено любое неоднородное уравнение с постоянными коэффициентами. Однако если свободный член в уравнении (20) имеет вид
|
(37) |
где
Pm1(x)
и Qm2(x)
- многочлены степеней, соответственно,
m1
и m2,
можно сразу указать вид частного решения
в форме с неопределёнными коэффициентами.
Общее
правило
таково: составим из коэффициентов при
x
в экспоненте и тригонометрических
функциях число
и
пусть r
- кратность числа s0
как корня характеристического уравнения,
m
= max(m1,
m2).
Тогда частное решение надо искать в
виде
,
где Rm(x)
и Sm(x)
- многочлены степени m
с неопределёнными коэффициентами.
Дифференцируя функцию yчн
n
раз, подставив эти производные в уравнение
и приравнивая коэффициенты при одинаковых
степенях x
и одинаковых тригонометрических функциях
(sin x
или
cos x),
получим систему из 2(m
+ 1) уравнений относительно 2(m
+ 1) неопределённых коэффициентов
многочленов Rm(x)
и Sm(x).
Решив эту систему, определим коэффициенты
функции yчн(x).
Технику
работы с этим правилом будем осваивать,
начиная с простейших случаев, при этом
будем формулировать частные правила,
вытекающие из общего.
I.
Если f(x)
= Pm(x)
(т.е. f(x)
- многочлен степени m),
то частное решение ищется в виде yчн(x)=
Rm(x),
если число 0 не является корнем
характеристического уравнения, и в виде
yчн(x)=
xr
Rm(x),
если число 0 - корень характеристического
уравнения кратности r.
Rm(x)
- многочлен степени m
с неопределёнными коэффициентами.
Это
правило следует из общего, если записать
f(x)
= Pm(x)
в виде f(x)
= e0
x
[Pm(x)
cos 0x
+ 0 sin 0x].
В этом случае s0
= 0 + 0i,
m1
= m,
m2
= 0, max(m1,
m2)
= m,
поэтому
yчн(x)=
xr
e0
x
[Rm(x)
cos 0x
+ Sm(x)
sin 0x]
= xr
Rm(x)
.
