Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Ankilov

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
07.02.2015
Размер:
2.14 Mб
Скачать

Откуда 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)

(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

 

 

 

 

 

 

(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

 

(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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]