Материал: Дифференциальные уравнения. Провоторова Е.Н

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

уравнение (4.2) называется характеристическим уравнением ДУ (для его составления достаточно в уравнении (4.1) заменить y′′, y′, y соответственно на к2, к,

1).

При решении характеристического уравнения (4.2)

возможны следующие три случая:

 

 

1 случай:

 

 

Корни к1 и к2 уравнения (4.2 )

действительные и

различные к1≠ к2 (D = p2/4 – q > 0).

 

 

В этом случае частными решениями уравнениями

уравнения (4.1) являются функции у1

= ек1х и

у2 = ек2х.

Они образуют фундаментальную

систему

решений

(линейно не зависимо), т.к их вронскиан

W(x) = k2e(k1 + k2)x – k1e(k1 + k2)x = e(k1+k2)x( к2 – к1) ≠ 0.

Следовательно, общее решение уравнение (4.1) имеет вид

у = с1ек1х + с2eк2х . ( 4.3)

Случай 2:

Корни к1 и к2 характеристического уравнения (1.2) действительные и равные. (D = p2/4 – q = 0, k1 = k2 = - p / 2)

В этом случае имеем лишь одно частное решение у1 =

ек1х

Покажем, что на ряду с у1 решением уравнения (4.1) будет и

у2 = хек1х

Действительно, подставим функцию у2 в уравнение (4.1) получим

y′′+ py′ + qy = ек1х(х(к21 + рк1 +q) + (р +2к))

Но k21 + pk1 + q = 0, т. к. k1 есть корень уравнения

(4.2); р + 2k1 = 0, так как по условию k1 = k2 = - p/ 2 .

 

Поэтому y′′2+ py′2 + qy2 = 0, т. е. функция у2

= xek1x

является решением уравнения (4.1).

 

 

Частные решения у1 = ek 1 x и у2 = xek1x образуют

фундаментальную систему решений: W(x)

≠

0.

Следовательно, в этом случае общее решение ЛОДУ (2.1) имеет вид

у = с1ек1х + xс2eк2х

(4.4)

Случай 3. Корни k1 и k2 уравнения

( 4.2)

комплексные:

k1 = α + βi k2 = α -βi.

В этом случае частными решениями уравнения (4.1) являются функции у1 = e(α+iβ)x и у2 = е(α - iβ)x. По формулам

Эйлера

eφi = cos φ + isinφ, e-iφ = cosφ - isinφ

имеем

У1 = e(α+iβ)x = eαxcosφ+ isinφeαx

у2 = е(α - iβ)x = eαxcosφ - isinφeαx

Найдем два действительных частных решения уравнения (4.1). Для этого составим две линейные комбинации решений y1 и у2:

(У1 + у2)/2 = eαxcosβφ = y1* ; (У1 – у2)/2i = sinφeαx = y2*

Функции y1* и y2* являются решениями уравнения (4.1), что следует из свойств решений ЛОДУ второго порядка. Эти решения образуют фундаментальную систему решений, так как W(х) ≠ 0. Поэтому общее решение уравнения (4.1) запишется в виде

у = eαx (с1 cosβx + c2 sinβx) (4.5)

Задача нахождения общего решения ЛОДУ п-го порядка (n >2) с постоянными коэффициентами

yn + p1y(n-1) + p2y(n-2) +…+pny = 0

(4.6)

где рi, i = 1,…,n, — числа, решается аналогично случаю уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

Сформулируем необходимые утверждения и рассмотрим примеры.

Частные решения уравнения (4.6) также ищем в виде у = ekx, где k -постоянное число.

Характеристическим для уравнения (4.6) является алгебраическое уравнение n-го порядка вида уравнение n-го порядка вида

kn + p1k(n-1) + p2k(n-2) + …+ pn = 0.

(4.7)

Уравнение (4.7) имеет, как известно, n корней (в их числе могут быть комплексные). Обозначим их через k1,

k2, ….,kn

1 случай: Корни k1, k2, ….,kn 2 уравнения (4.7 ) действительные и различные.

В этом случае частными решениями уравнениями уравнения (4.1) являются функции у1 = ек1х , у2 = ек2х,…

уn = екnх Они образуют фундаментальную систему решений (линейно не зависимы).

Следовательно, общее решение уравнение (4.7) имеет вид

 

у = с1ек1х + с2eк2х + …+. с nекnх

Случай 2: Корни к1 и к2

характеристического

уравнения

действительные, но не все простые. Тогда

каждому

простому корню соответствует одно решение,

а каждому корню

k кратности

m соответствует m

частных решений вида

 

у1 = екх,

у2 = хекх

,…, уm = хm-1 екх

Пример 1. Решить уравнение

y'v - у'" — Зу" + 5у' — 2у = 0.

Решение: Характеристическое уравнение

k4 - k3 - 3k2 + 5k - 2 = (k + 2)(k - 1)3 = 0

имеет корни k1 = - 2, k2 = 1, k3 = 1, k4 = 1. Следовательно,

у= c1e-2x + c2ex + c3x ex + c4x2ex

—общее решение уравнения.

Случай 3. Среди корней уравнения (2.7) есть комплексно -сопряженные корни. Тогда каждой паре a±βi простых комплексно-сопряженных корней соответствует два частных решения еαxcosβx и еαxsinβx, а каждой паре а

± βi корней кратности т > 1 соответствуют 2т частных решений вида

eαxcosβφ, xeαxcosβφ,…, xm-1eαxcosβφ

eαxsinβφ, xeαxsinβφ,…, xm-1eαxsinβφ

Эти решения, как можно доказать, образуют фундаментальную систему решений.

2.5.Линейные неоднородные дифференциальные уравнения со специальной правой частью.

Рассмотрим ЛНДУ второго порядка с постоянными коэффициентами

y′′+py′+qy

=

f(x)

,

(5.1)

где р и q — некоторые числа.

Будем искать общее решение уравнения (5.1) как сумму общего решения у соответствующего однородного уравнения и частного решения у' неоднородного уравнения. Частное решение уравнения (5.1) может быть найдено методом вариации произвольных постоянных.

Для уравнений с постоянными коэффициентами (5.1) существует более простой способ нахождения у*, если правая часть f(x) уравнения (5.1) имеет так называемый «специальный вид»:

1.f(x) = Pneαx

2.f(x) = eαx(Рn(х) cosβx + Qm(x)sinβx).

Суть метода, называемого методом неопределенных коэффициентов, состоит в следующем: по виду правой части f(x) уравнения (5.1) записывают ожидаемую форму частного решения с неопределенными коэффициентами, затем подставляют ее в уравнение (5.1) и из полученного тождества находят значения коэффициентов.

Источник: https://studfile.net/preview/16565560/