Ankilov
.pdfОткуда находим U уравнения имеет вид
2x / 1 x2 , U ln 1 x2 C . |
Следовательно, общее |
решение |
y ln 1 x2 C ln x . Для |
отыскания частного |
решения, |
удовлетворяющего условию y(e) 0 , положим |
x e, |
y 0 . Получим: |
0 ln 1 e2 C , |
откуда C ln 1 e2 . |
|
|
|
Таким образом, решение задачи Коши имеет вид y ln 1 x2 ln x . 1 e2
Пример 6.1.10. Решить задачу Коши
2 y ln y y x dy ydx 0, |
y(0) 1. |
||||||
Решение. Уравнение можно привести к уравнениям вида |
|||||||
dy |
y |
|
, |
dx |
2 y ln y y x . |
||
2 y ln y y x |
dy |
||||||
dx |
|
|
y |
||||
Первое уравнение для функции |
y y(x) |
нелинейное, второе после элементарных |
преобразований приводится к виду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
dx |
|
1 |
x 1 2ln y. |
|
|
|
(6.3) |
||||||||||
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Последнее уравнение является линейным |
относительно функции x x( y) (считаем |
|||||||||||||||||||
искомой функцией x , а аргументом y ). Представляем x в виде x U ( y)V ( y) |
и подставляем |
|||||||||||||||||||
в (6.3): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VU V V / y U 1 2 ln y. |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
||
Функции U и V находим из системы V y |
0, |
VU 1 2ln y. Из первого уравнения |
||||||||||||||||||
имеем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dV dy , |
ln |
|
V |
|
ln |
|
y |
|
lnC , |
V C / y; |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
V |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
второе уравнение системы при C 1 дает: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
y 1U 1 2 ln y. |
|
|
|
|
|||||||||||||
Отсюда |
U y 2 y ln y dy y2 |
ln y C . |
Тогда |
общее |
решение |
имеет вид |
||||||||||||||
x y ln y C / y . Подставляя в это выражение значения x 0, |
y 1, |
находим C 0 . Задача |
||||||||||||||||||
Коши имеет решение: x y ln y . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Признак. Уравнение Бернулли имеет вид y P(x) y Q(x) y , |
где – |
вещественное |
||||||||||||||||||
число, 0, |
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод решения: Замена |
z(x) y1 , переводящая уравнение Бернулли в линейное |
|||||||||||||||||||
уравнение z (1 )P(x)z 1 Q(x) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Пример 6.1.11. Найти решение задачи Коши: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
y y cos x y2 cos x, |
y(0) 1 . |
|
|
|
161
Решение. Сделаем замену z(x) 1/ y(x) . Получаем:
|
z |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
z2 |
z cos x z2 cos x, z |
z cos x cos x . |
||||||
|
||||||||
Последнее уравнение |
– |
линейное. Его |
|
общее решение z 1 Ce sin x , C – |
произвольная постоянная. Тогда общее решение исходного уравнения y 1 C exp( sin x) 1.
Удовлетворяя начальному условию, получим C 2 . Решение задачи Коши имеет вид y 1 2 exp( sin x) 1 .
6.1.5. Уравнения в полных дифференциалах
Признак. Уравнение в полных дифференциалах имеет вид функции M (x, y) и N(x, y) удовлетворяют условию
M (x, y) N(x, y) .
y x
M (x, y)dx N(x, y)dy 0 , где
(6.4)
|
Метод |
решения. Соотношение (6.4) |
равносильно |
существованию |
функции |
|||
F F(x, y) , удовлетворяющей условиям: |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
F(x, y) M (x, y), |
F(x, y) N (x, y) . |
|
(6.5) |
|
|
|
|
|
x |
y |
|
|
|
|
Следует найти функцию F(x, y) . Интегрированием из первого условия (6.5) получим |
|||||||
|
|
|
|
F(x, y) M (x, y)dx ( y) , |
|
|
(6.6) |
|
где ( y) – пока произвольная функция. Подставляя F(x, y) из (6.6) |
во второе уравнение |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|||
(6.5), |
имеем |
|
|
M (x, y)dx ( y) N (x, y) , откуда находим |
( y) , |
а затем и |
( y) (при |
|
этом |
постоянную |
интегрирования в выражении |
для ( y) можно задать произвольным |
конкретным числом). Общий интеграл исходного уравнения имеет вид F(x, y) C , где C – произвольная постоянная.
Пример 6.1.12. Найти общий интеграл уравнения:
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
||
sin y y sin x |
|
dx x cos y cos x |
|
dy 0 . |
|
|||||
|
|
|
||||||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
y |
|
||||||
Решение. Проверим, является ли данное уравнение уравнением в полных |
||||||||||
дифференциалах: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M sin y y sin x |
1 |
, |
N x cos y cos x |
1 |
, |
|||||
x |
y |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
M |
cos y sin x, |
|
N cos y sin x . |
|
||||||
y |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
162
Итак, My Nx – верно. Тогда имеем:
F |
sin y y sin x |
1 |
, |
|
|
|
|
||
|
x |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
y cos x ln |
|
x |
|
( y) . |
|
|
|
|
||||||
F sin y y sin x |
x |
dx ( y) x sin y |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Далее, подставляя F в уравнение |
|
F |
x cos y cos x |
1 |
, находим ( y) : |
|||||||
|
y |
|
y |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
x cos y cos x ( y) x cos y cos x y |
||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
( y) ln |
y |
ln |
C |
. |
|
|
|
||
( y) y , |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ
Тогда F(x, y) xsin y y cos x ln xyC . Общий интеграл исходного уравнения имеет
ˆ
вид (положили C 1 ): xsin y y cos x ln xy C , где C – произвольная постоянная.
6.2.Дифференциальные уравнения высших порядков
6.2.1.Дифференциальные уравнения n-го порядка – основные понятия
Задача Коши для д. у. n -го порядка формулируется следующим образом: найти решение д. у.
|
|
|
|
|
|
y |
(n) |
|
|
|
|
|
(n 1) |
) , |
|
|
|
|
(6.7) |
|
|
|
|
|
|
|
F(x, y, y ,..., y |
|
|
|
|
|
|||||||
удовлетворяющее начальным условиям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
y(x0 ) y0 , y (x0 ) y1 , y (x0 ) y2 ,..., |
y(n 1) (x0 ) yn 1 . |
(6.8) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(n 1) |
) : |
|
Теорема 6.2.1. Пусть в уравнении (6.7) функция F(x, y, y ,...y |
|
|
|||||||||||||||||
1. |
Непрерывна по всем своим аргументам в некоторой области D их изменения. |
||||||||||||||||||
2. |
Имеет ограниченные |
частные |
производные |
1-го |
порядка по |
переменным |
|||||||||||||
|
|
(n 1) |
в области |
D . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y, y ,..., y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда найдется интервал (x0 h; x0 h) , на котором существует единственное решение |
|||||||||||||||||||
д. у. (6.7), удовлетворяющее начальным условиям (6.8). |
|
условия |
(6.8) |
имеют вид: |
|||||||||||||||
Для |
|
уравнения |
2-го |
порядка |
y |
|
F(x, y, y ) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y(x0 ) y0 , y (x0 ) y1 , |
где x0 , y0 , y1 – заданные |
числа. |
Геометрически это означает, что |
||||||||||||||||
требуется |
найти интегральную кривую |
на |
плоскости |
xOy , проходящую через точку |
|||||||||||||||
M 0 (x0 , y0 ) |
с заданным углом наклона касательной ( tg y1 ). |
|
|
|
|
||||||||||||||
Общим решением д. у. (6.7) называется |
|
функция |
y (x, C1 , C2 ,..., Cn ) , |
||||||||||||||||
удовлетворяющая условиям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
163
1.При любых значениях постоянных C1 ,C2 ,...,Cn эта функция является решением д. у.
2.При любых начальных условиях (6.8) найдутся значения C1 ,C2 ,...,Cn такие, что функция y (x, C1 , C2 ,..., Cn ) будет удовлетворять этим условиям.
Любое решение, полученное из общего решения при каких-либо конкретных значениях C1,...,Cn , называется частным решением. Общим интегралом д. у. п-го порядка называется
уравнение вида (x, y,C1,C2 ,...,Cn ) 0 , неявно определяющее общее решение. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Пример 6.2.1. |
Показать, |
|
что функция |
y C C |
e x является |
общим |
решением |
||||||||||||
уравнения y y 0 . |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Решение. Находим производные: y C2 e x , |
y C2 e x y , т. е. y |
обращает д. у. |
|||||||||||||||||
y y 0 в тождество по x |
при любых значениях C1 и C2 . Далее, пусть даны произвольно |
|||||||||||||||||||
начальные |
условия |
y(x0 ) y0 , |
|
y (x0 ) y1 . |
Покажем, |
что |
постоянные C1 |
и |
C2 |
можно |
||||||||||
подобрать так, что y C C |
e x |
будет удовлетворять этим условиям. Имеем: |
y C |
C |
e x , |
|||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
y C2e x . |
Полагая |
x x0 , |
|
получаем систему |
C1 C2e x0 |
y0 , C2e x0 y1 , из которой |
||||||||||||||
однозначно |
определяются |
|
C |
2 |
y ex0 |
и |
C |
y |
0 |
y . |
Таким |
образом, |
решение |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
y y |
0 |
y y ex0 x удовлетворяет поставленным начальным условиям. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.2.2. Уравнения, допускающие понижения порядка
Укажем два вида дифференциальных уравнений, допускающих понижение порядка. Признак 1. Уравнение не содержит искомой функции и ее производных до порядка
(К-1) включительно, т. е. младшая производная, входящая в уравнение, есть y( K ) .
Метод решения: замена p y( K ) , понижающая порядок уравнения на К единиц. При этом p p(x) есть функция переменной x .
Пример 6.2.2. Найти общее решение дифференциального уравнения
|
|
|
|
|
|
xy |
|
y |
|
|
|
|
x |
2 |
|
|
|
2 |
(x 0) . |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|||||||||||||||||
Решение. Уравнение не содержит функции |
|
y |
и ее производной y . |
Введем новую |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
неизвестную функцию p(x) y (x) . Уравнение примет вид |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
xp p x |
2 |
p |
2 |
|
|
|
p |
p |
|
|
|
p |
2 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
1 |
|
. |
(6.9) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
x |
||||||||||||||||||||||||
Это однородное уравнение. Введем новую функцию u(x) p(x) / x : |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
du |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
xu |
u u |
1 u , |
|
x dx |
|
1 u . |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Разделяем переменные и интегрируем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
du |
dx , ln |
|
u |
1 u2 |
|
|
|
|
u 1 u2 |
|
|
2Cxu C 2 x2 |
|
|||||||||||||||||
|
|
ln |
|
xC |
|
, |
|
Cx, |
1. |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
1 u2 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C x2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Так как u p / x , то 2Cp C 2 x2 |
1, |
|
|
|
p(x) |
|
|
. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2C |
|
|
|
|
164
Мы |
|
получили |
|
общее решение |
|
|
уравнения |
|
(6.9). |
|
|
|
Учитывая, что |
p y , |
имеем |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
C |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y 2 x |
|
|
|
. Отсюда двукратным интегрированием находим y(x) : |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
C x3 |
|
|
|
1 |
|
|
x C1 , |
|
y |
|
|
C |
x |
4 |
1 |
|
|
x2 C1 x C2 . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2C |
|
24 |
|
|
4C |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Признак 2. Уравнение не содержит независимого переменного x . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Метод |
решения: |
|
замена |
|
|
|
y p( y) . |
|
При |
|
этом |
|
|
|
|
p |
рассматривается |
|
как |
новая |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
неизвестная функция от y : |
p p( y) . Тогда y |
|
|
dy |
|
|
|
dp |
|
|
|
dp |
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
dx |
dx |
dy |
dx |
|
p p, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dp |
|
dp |
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dp |
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
y |
|
|
|
|
d( p p) |
|
|
|
p p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
p |
2 |
|
2 |
p . |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
dx |
|
|
dx |
|
dx |
dy |
dx |
p p |
dy |
dx |
|
|
( p ) |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Аналогично находят производные более высокого порядка. Замена понижает порядок |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
уравнения на единицу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Пример 6.2.3. Найти решение задачи Коши: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yy |
|
|
|
2 |
y |
2 |
y |
|
|
y(0) |
0,5, |
|
|
|
|
|
|
0,25. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( y ) |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
y |
(0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Решение. Вводим новую функцию p( y) y . Имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ypp p2 |
|
|
y2 p, |
|
|
|
|
p p / y y . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.10) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Это линейное уравнение для p( y) . Найдем общее решение однородного уравнения: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
p |
p |
|
0, |
|
|
dp dy |
|
|
dp |
dy |
, |
|
|
ln |
|
p |
|
ln |
|
y |
|
ln |
|
C |
|
, |
|
p Cy. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Считая C C( y) функцией и подставляя |
|
p C( y) y в уравнение (6.10), получим: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C( y) y C1 , p y( y C1 ), |
|
dy |
|
y( y C1 ) . |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
C ( y) y y, |
C ( y) 1, |
|
|
|
dx |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Разделяем переменные и интегрируем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx, ln |
|
|
|
|
|
|
|
xC C |
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y( y C1 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y C1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Последнее соотношение есть общий интеграл исходного уравнения. Кроме того, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
уравнение |
|
|
имеет |
|
решения |
|
|
y C, |
|
|
|
y |
|
1 |
|
|
|
. |
|
|
Удовлетворим |
|
начальным |
условиям. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
C |
x |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
||||||||
Соотношение |
|
y |
|
|
y( y C1 ) |
с |
|
учетом |
|
|
условия для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 1; |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
y (0) дает |
|
4 |
2 C1 |
2 , |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
согласно начальному условию для y(0) |
|
из общего интеграла получаем |
C2 |
0 . Функции |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y C и y 1/ C x начальным условиям не удовлетворяют. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ответ: |
ln |
|
|
y |
|
|
x |
или y |
|
|
|
|
ex |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
y 1 |
|
1 |
ex |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
165
6.3. Линейные дифференциальные уравнения
6.3.1. Основные понятия
Линейным однородным дифференциальным уравнением (д. у.) n-го порядка называется уравнение вида
|
|
|
|
pn (x) y(n) pn 1 (x) y(n 1) pn 2 (x) y(n 2) |
... p0 (x) y 0 , |
|
|
(6.11) |
||||||||||||||||||||
где pn (x), |
pn 1 (x), |
..., p0 (x) |
– функции, непрерывные на интервале (a,b), |
pn (x) 0 . |
||||||||||||||||||||||||
Например, |
уравнение |
y'' 3y' 2 y 0 |
является |
|
линейным однородным |
уравнением |
||||||||||||||||||||||
второго |
порядка, |
причем |
|
n = 2, |
|
p2 (x) 1, |
|
|
p1 (x) 3 , |
p0 (x) 2 . |
Уравнение |
|||||||||||||||||
y''' x2 y'' xy' y 0 |
является |
линейным |
однородным при |
n = 3, |
p3 (x) 1 , |
p2 (x) x2 , |
||||||||||||||||||||||
p1 (x) x , p0 (x) 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Теорема 6.3.1. Если функции y1 y1 (x) |
|
и |
y2 y2 (x) |
есть решения уравнения (6.11), то |
||||||||||||||||||||||||
функция |
C1 y1 C2 y2 |
также |
является |
решением |
уравнения |
(6.11) |
при |
любых значениях |
||||||||||||||||||||
констант C1 и C2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Пусть имеем систему из n функций |
y1 (x), |
y2 (x), ..., yn (x) , определенных |
на |
|||||||||||||||||||||||||
интервале (a,b) . Функции y1 (x), y2 (x), ..., yn (x) |
называются линейно зависимыми на (a,b) , |
|||||||||||||||||||||||||||
если существуют числа C1 , |
C2 , ..., |
|
Cn , не все равные 0 , такие, что для всех |
x (a,b) |
||||||||||||||||||||||||
справедливо |
тождество |
C1 y1 (x) C2 y2 (x) ... Cn yn (x) 0 . |
|
Если же |
это |
тождество |
||||||||||||||||||||||
выполняется |
только при |
C1 C2 |
... Cn =0, то |
функции |
y1 (x), |
y2 (x), |
..., yn (x) |
|||||||||||||||||||||
называются линейно независимыми на (a,b) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Пример 6.3.1. Доказать, что функции 1, |
cos2 x, |
sin2 x |
образуют линейно зависимую |
|||||||||||||||||||||||||
систему на интервале ( ; ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Решение. |
Действительно, |
равенство |
C 1 C |
2 |
cos2 |
x C |
3 |
sin 2 |
x 0 |
выполняется |
для |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
всех x ( ; ) |
при C1 1, |
C2 |
C3 1. Значит, функции линейно зависимые. |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Пример 6.3.2. Доказать, что система функций |
1, |
x, |
|
x2 линейно |
независимая |
на |
||||||||||||||||||||||
интервале ( ; ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Решение. |
Равенство |
|
C 1 C |
2 |
x C |
3 |
x2 |
0 |
|
должно |
|
выполняться |
при |
любом |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
x ( ; ) . Положим здесь |
x 0 , в |
результате |
получим |
C1 0 . |
Равенство |
примет |
вид |
|||||||||||||||||||||
C2 x C3 x2 0 . |
Дифференцируя |
обе |
части равенства, |
получаем |
C2 2C3 x 0 , |
откуда, |
||||||||||||||||||||||
полагая x 0 , |
находим C2 |
0 , |
тогда |
|
C3 |
0 . Так как все значения C1 , |
C2 , |
C3 |
равны 0, то |
|||||||||||||||||||
система функций линейно независимая. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Пусть n функций y1 (x), |
y2 (x), ..., |
yn (x) |
имеют производные (n 1) -го порядка. |
|
166
Определитель
|
y1 (x) |
y2 (x) |
... |
yn (x) |
|
|||
|
|
|||||||
W (x) |
|
|
|
|
... |
|
|
(6.12) |
y1 (x) |
y2 (x) |
yn (x) |
||||||
|
... |
|
... |
|
... |
... |
|
|
|
y(n 1) |
(x) |
y(n 1) |
(x) ... |
y(n 1) |
(x) |
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
n |
|
|
называется определителем Вронского, или вронскианом. Вронскиан является функцией от x , определенной в некотором интервале.
Теорема 6.3.2. Если определитель Вронского системы функций y1 (x), y2 (x), ..., yn (x) отличен от 0 в любой точке интервала (a,b) , то функции образуют линейно независимую
систему на этом интервале. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 6.3.3. Доказать, что функции |
образуют линейно независимую систему на |
||||||||||||
интервале ( ; ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. Находим вронскиан системы функций y |
ex , y |
2 |
e2 x : |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
W (x) |
|
ex |
e2 x |
|
|
|
ex |
e2 x |
|
2e3x e3x e3x . |
|||
|
|
|
|
||||||||||
|
(ex ) |
(e2 x ) |
|
|
ex |
2e2 x |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как W (x) 0 , то система функций линейно независимая.
Заметим, что утверждение, обратное утверждению теоремы 6.3.2, вообще говоря, неверно.
Теорема 6.3.3. Пусть функции y1 (x), y2 (x), ..., yn (x) являются решениями линейного однородного уравнения n -го порядка (6.11). Тогда:
1.Определитель Вронского системы функций либо равен 0 в любой точке (a;b) , либо отличен от 0 в любой точке (a;b) .
2.Система функций является линейно независимой системой на (a;b) тогда и только тогда, когда вронскиан системы отличен от 0 в любой точке интервала (a;b) .
3.Система функций является линейно зависимой системой на (a;b) тогда и только тогда, когда вронскиан системы равен 0 в любой точке (a;b) .
Фундаментальной системой решений линейного однородного д. у. n-го порядка (6.11)
называется система функций y1 (x), y2 (x), ..., yn (x) , удовлетворяющая условиям:
1.Каждая функция системы является решением д.у. (6.11).
2.Система функций линейно независимая.
Теорема 6.3.4. Общее решение линейного однородного д. у. n-го порядка (6.11) имеет
вид y C1 y1 (x) C2 y2 (x) ... Cn yn (x) , |
где |
C1 ,C2 ,..,Cn |
– произвольные константы, а |
||
функции y1 (x), y2 (x), ..., |
yn (x) образуют фундаментальную систему решений д. у. (6.11). |
||||
Линейным неоднородным д. у. n -го порядка называется уравнение |
|
||||
pn (x) y(n) pn 1 (x) y(n 1) pn 2 (x) y(n 2) |
... p0 (x) y f (x) . |
(6.13) |
|||
Теорема 6.3.5. Общее решение линейного неоднородного д. у. (6.13) имеет вид суммы |
|||||
y y0. y0.0. y ч.н. общего |
решения |
y0.0. |
линейного |
однородного уравнения |
(6.11), |
соответствующего данному, и какого-либо частного решения y ч.н. неоднородного уравнения
(6.13).
Учитывая утверждение теоремы 6.3.4, общее решение линейного неоднородного д. у. n_го порядка можно записать в виде
y C1 y1 (x) C2 y2 (x) ... Cn yn (x) y ч.н..
167
6.3.2. Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами
Признак. Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
имеет вид
an y(n) an 1 y(n 1) ... a1 y a0 y f (x) , |
(6.14) |
где a0 , a1, ..., an – постоянные ( an 0 ).
Метод решения. Общее решение уравнения (6.14) складывается из общего решения
y0.0. однородного уравнения |
|
an y(n) an 1 y(n 1) ... a1 y a0 y 0 |
(6.15) |
ичастного решения y ч.н. неоднородного уравнения (6.14): y y0.0. y ч.н..
1.Для нахождения y0.0. составляем характеристическое уравнение
|
|
|
|
|
|
|
a |
n |
K n |
|
a |
n 1 |
K n 1 ... a K a |
0 |
0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Пусть K1 , |
K2 , |
..., Kn – его корни, причем корень повторяется столько раз, какова его |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
кратность. Каждому из корней K1 , K2 , |
|
..., Kn |
соответствуют в выражении для |
y0.0. |
свои |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
слагаемые. Именно: |
|
K1 K2 ... Km |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m , то ему |
|||||||||||||||||||
|
если корень |
|
– |
|
действительный корень кратности |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
соответствуют |
|
в выражении |
|
|
для |
y |
0.0. |
|
|
m |
|
|
слагаемых |
|
C e x C |
e x x ... C |
m |
e x xm 1 , |
где |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ci ,i 1,...m – произвольные постоянные. Например, если корень имеет кратность |
m 1, то |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ему соответствует одно слагаемое C e x ; если m 2 – два слагаемых: C e x C |
e x x ; |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
если K1 i и K2 |
|
i |
|
– пара комплексно-сопряженных корней кратности |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
m , то соответствующие (2 m ) слагаемых в выражении для y0.0. имеют вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
C e x cos x C |
2 |
xe x cos x |
... C |
m |
xm 1e x cos x |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Cm 1e x sin x Cm 2 xe x sin x ... C2m xm 1e x sin x, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
где Ci (i 1,2,...,2m) |
– произвольные постоянные. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Например, |
если |
|
K1,2 i |
– |
|
|
корни |
|
кратности |
1, то |
им |
в выражении |
для |
y0.0. |
||||||||||||||||||||||||||||||
соответствуют слагаемые C e x |
cos x C |
e x sin x ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y0.0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
если эти корни имеют кратность |
|
2, то в выражении для |
войдут |
слагаемые |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
C e x cos x C |
2 |
xe x |
cos x C |
e x sin x C |
4 |
xe x |
sin x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Частные случаи. Рассмотрим уравнение 2-го порядка a2 y'' a1 y' a0 y 0 , |
|
a2 |
0 . Его |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
характеристическое уравнение a |
2 |
k 2 a k a |
0 |
0 |
есть квадратное уравнение. Различают три |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
случая: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дискриминант уравнения |
|
Д а2 |
4а |
2 |
а |
0 |
0 , |
тогда характеристическое уравнение |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
имеет два различных действительных корня К1 и К2, поэтому y |
o.o. |
C eК1x |
C |
eК2 x ; |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Д а2 |
4а |
2 |
а |
0 |
0 , |
|
тогда |
|
|
корень |
|
|
только |
|
один: |
К1 = К2 = К, |
|
поэтому |
|||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yo.o. C1eКx C2eКx x ;
168
Д а12 4а2 а0 0 , тогда квадратное уравнение имеет два различных комплексных
корня K1,2 i ( 0 ). Поэтому yo.o. C1e x cos x C2 e x sin x .
2. Частное решение y ч.н. неоднородного уравнения (6.14) находим методом подбора,
который можно применить, в частности, в случае, когда вид правой части уравнения (6.14) следующий:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) e x P (x)cos x Q |
m |
(x)sin x , |
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.16) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Ps (x) и Qm (x) – многочлены |
|
степени |
s |
и |
m соответственно; , |
– |
некоторые |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
действительные числа. При этом y ч.н. необходимо искать в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y ч.н. x |
k |
e |
x |
~ |
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
x , |
|
|
|
|
|
|
|
(6.17) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
(x) cos x Q (x) sin |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
где |
|
max s, m ; |
|
~ |
|
(x); |
|
~ |
(x) |
– многочлены степени с неопределенными |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
P |
|
Q |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
коэффициентами; |
k есть кратность числа ( i ) как корня характеристического уравнения |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
если |
( i ) не является корнем, то k = 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
Частные случаи. Если f (x) Ps (x) |
– многочлен степени s |
(тогда в |
(6.16) 0 ), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
то |
y ч.н. x |
k ~ |
(x) , |
где |
|
~ |
|
|
– многочлен степени |
s |
с неопределенными коэффициентами; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ps |
|
Ps (x) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
k |
– |
кратность |
нулевого |
корня K i 0 |
(т. е. кратность |
числа «ноль» |
как |
корня |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
характеристического |
|
|
|
уравнения). |
|
|
Например, |
если |
|
|
K 0 |
не |
|
является |
корнем |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
характеристического |
|
уравнения, то |
|
|
y ч.н. |
~ |
(x) ; |
если |
K 0 |
– |
корень |
кратности |
1, то |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Ps |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
~ |
|
|
|
если |
K 0 |
– |
корень |
|
кратности 2, |
то |
|
y ч.н. x |
2 |
~ |
|
если |
K 0 |
– |
корень |
||||||||||||||||||||||||||||
y ч.н. xPs (x) ; |
|
|
|
Ps (x) ; |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
кратности 3, то y ч.н. x |
3 |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Ps (x) и т. д. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s , – |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
Если |
|
f (x) e x P (x) |
(в |
(6.16) 0 ), |
|
где |
P (x) |
|
многочлен степени |
некоторое |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
~ |
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
число, то |
|
y ч.н. |
|
= x |
|
e |
x |
(x) , |
|
где |
|
|
|
– многочлен степени s с неопределенными |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Ps |
|
Ps (x) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
коэффициентами; |
|
k |
|
– |
кратность |
числа |
|
|
как |
корня |
|
характеристического |
уравнения. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Например, если число |
не является корнем, то y ч.н. = e |
x |
~ |
(x) ; если |
|
– корень кратности 1, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Ps |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
то |
y ч.н. |
xe |
x ~ |
(x) ; |
если |
|
|
|
– корень |
кратности |
2, |
то y |
|
|
x |
2 |
e |
x ~ |
|
|
и |
т. д. Все |
||||||||||||||||||||||||||||
Ps |
|
|
ч.н. |
|
Ps (x) , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
рассуждения справедливы для случая s 0 , когда Ps (x) a const, |
~ |
|
|
|
~ |
const . |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ps |
(x) a |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Если |
|
|
|
|
|
f (x) Ps (x)cos x Qm (x)sin x |
|
|
|
(в |
|
|
|
(6.16) |
|
|
|
|
0 ), |
то |
|||||||||||||||||||||||||||||
y ч.н. x |
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
где |
|
k |
– |
кратность |
числа |
|
K i |
как |
корня |
||||||||||||||||||||||
|
P |
(x) cos x Q (x) sin x , |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
характеристического уравнения, max s, m . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Если |
|
f (x) e x a cos x bsin x , |
|
где |
, |
a, |
|
|
b |
|
|
– |
некоторые |
числа |
|
(в |
(6.16) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ps (x), |
Qm (x) |
|
|
|
– |
|
~ |
|
многочлены |
|
|
|
|
нулевой |
степени, |
|
|
т. е. |
|
|
s m 0 ), |
то |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
x |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y ч.н. x e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
b |
|
– |
подлежащие |
определению |
произвольные |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
a cos x b sin x , |
|
|
a, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
постоянные, |
k |
– |
кратность числа |
K i |
|
как корня характеристического уравнения. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В частности, |
при |
0 |
|
f (x) a cos x bsin x , |
y ч.н. x |
|
~ |
|
|
~ |
|
|
|
|
|
0 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
a cos x b sin x , а при |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
имеем f (x) ae |
x |
, |
|
|
|
|
|
~ |
|
e |
x |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
y ч.н. ax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
169
Замечание 1. Когда выражение (6.16) содержит или только sin x , или только cos x , частное решение y ч.н. необходимо искать в виде, содержащем слагаемые и с sin x , и с
cos x .
Замечание 2. Если правая часть уравнения (6.14) содержит несколько слагаемых вида (6.16), то частные решения находятся для каждого слагаемого отдельно и затем суммируются в выражении для общего решения неоднородного уравнения.
6.3.3. Линейные уравнения второго порядка с переменными коэффициентами. Метод вариации произвольных постоянных
Признак. Уравнение имеет вид
|
y P1 (x) y P2 (x) y Q(x) . |
|
|
(6.18) |
|||
Метод решения. Согласно методу вариации постоянных общее решение уравнения |
|||||||
(6.18) следует искать в виде y C1(x) y1 |
C2 (x) y2 , где y1 , |
y 2 |
– фундаментальная система |
||||
решений соответствующего однородного уравнения |
|
|
|
||||
|
|
y P1 (x) y P2 (x) y 0 . |
|
|
(6.19) |
||
Функции C1 (x) и C2 (x) определяются из системы: |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
(6.20) |
|
y1C1 y2C2 0, y1C1 |
y2C2 Q(x) . |
|
||||
Сначала находим C1 , |
C2 , затем интегрированием C1 , |
C2 . |
|
|
|||
Заметим, что при всяком фиксированном x система (6.20) представляет собой систему |
|||||||
из двух линейных уравнений |
относительно |
неизвестных |
C1 C1 (x) |
и C2 C2 (x) . |
Определитель матрицы системы (6.20) равен определителю Вронского системы функций y1 (x), y2 (x) . Так как функции y1 (x), y2 (x) образуют фундаментальную систему решений
однородного уравнения (6.19), то определитель Вронского отличен от 0 при любом x . Значит, линейная система (6.20) имеет единственное решение.
Пример 6.3.4. Найти общее решение уравнения:
|
|
y y sin x 5 2 |
cos x 12 . |
|
|
|
|||
Решение. Соответствующее однородное уравнение y y 0 . |
|
||||||||
Его характеристическое уравнение K 2 1 0 имеет корни |
K1,2 i , и общее решение |
||||||||
однородного уравнения имеет вид y0.0. C1 cos x C2 sin x , |
где |
y1 cos x, |
y2 sin x . Общее |
||||||
решение исходного неоднородного уравнения ищем в виде y C1 (x)cos x C2 (x)sin x . |
|||||||||
Составляем систему уравнений (6.20) для C1 , C2 : |
|
|
|
|
|
|
|
||
cos xC1 (x) sin xC2 (x) 0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(6.21) |
|
|
|
|
5 |
|
|
1 |
||
|
|
2 |
(cos x) |
2 |
|
|
|||
sin xC1 |
(x) cos xC2 (x) (sin x) |
|
|
|
|
170