Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Otvety_k_ekzamenu_po_matematicheskomu_analizu.docx
Скачиваний:
40
Добавлен:
24.09.2019
Размер:
4.38 Mб
Скачать

8. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

В этой статье мы разберем принципы решения линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами , где p и q – произвольные действительные числа. Сначала остановимся на теории, далее применим полученные результаты в решении примеров и задач. Если Вам будут встречаться незнакомые термины, то обращайтесь к разделу определения и понятия теории дифференциальных уравнений. Сформулируем теорему, которая указывает, в каком виде находить общее решение ЛОДУ. Общее решение линейного однородного дифференциального уравнения с непрерывными на интервале интегрирования X коэффициентами 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:

  1. действительными и различными ,

  1. действительными и совпадающими ,

  1. 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 .

  1. Записываем характеристическое уравнение k2 + p k + q = 0.

  1. Находим корни характеристического уравнения k1 и k2.

  1. 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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]