Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ИДЗ_№7_Дифференциальные_уравнения.doc
Скачиваний:
86
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
1.79 Mб
Скачать

4. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Дифференциальное уравнение

(16)

где коэффициенты – постоянные, называетсялинейным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами.

Если , то уравнение (16) называетсянеоднородным.

Если , то уравнение (16) называетсяоднородным.

I. Рассмотрим однородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами:

(17)

Общим решением уравнения (17) является функция

(18)

где – фундаментальная система решений уравнения (17).

Фундаментальной системой решений называется всякая система линейно независимых решений, содержащая столько функций, каков порядок дифференциального уравнения.

Функции называютсялинейно зависимыми в интервале , если существуют постоянные числа, не все равные нулю, такие чтодля любых. Если же указанное тождество выполняется только в случае, когдаи, то функцииназываютсялинейно независимыми в интервале .

Кратко критерий линейной независимостиможет быть сформулирован следующим образом: функцииявляются линейно независимыми, если определитель Вронского

отличен от нуля. В противном случае функции линейно зависимы.

Алгоритм нахождения общего решения однородного уравнения (17):

1) составляют соответствующее ему характеристическое уравнение (заменяя в однородном уравнении производные от искомой функции на k в соответствующей степени, то есть на,наина)

(18).

Полученное квадратное уравнение может иметь (в зависимости от дискриминанта ) два различных действительных решения, два совпадающих (кратный корень) действительных решения и пару комплексно-сопряженных решений;

2) в зависимости от корней характеристического уравнения выделяются частные решения (соответствующие корням характеристического уравнения), образующие фундаментальную систему решений и записывается соответствующее общее решение (18).

Корни характеристического уравнения

Частные

решения

Общее решение однородного дифференциального уравнения

I

Два действительных и различных корня, т.е. ,

II

Два действительных и совпадающих корня, т.е.

III

Два комплексно сопряженных решения, т.е.

Пример. Найти общее решение дифференциального уравнения

a) , b) ,

c) .

Решение.Во всех трех случаях имеем однородные линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами. Общее решение найдем по приведенному выше алгоритму.

Пример a. .

Составим характеристическое уравнение

и решим его

; ;.

Характеристическое уравнение имеет два различных действительных решения, т.е. имеем первый случай. В соответствии с приведенной таблицей можно выписать фундаментальную систему решений данного уравнения

,

и получить общее решение исходного дифференциального уравнения

.

Сделаем проверку найденного общего решения. Для этого найдем первую и вторую производную от общего решения

,

,

.

Подставим общее решение вместе с найденными производными в исходное уравнение

Пример b. .

Составим характеристическое уравнение

.

Не сложно заметить, что в правой части уравнения записан полный квадрат разности

.

Откуда получим (аналогичный результат можно было получить, используя обычный метод решения квадратных уравнений).

Характеристическое уравнение имеет два совпадающих действительных решения (или один действительный корень кратности два), т.е. имеем второй случай. В соответствии с приведенной таблицей можно выписать фундаментальную систему решений данного уравнения

,

и получить общее решение исходного дифференциального уравнения

.

Пример c. .

Составим характеристическое уравнение

и решим его

;

;

.

Характеристическое уравнение имеет два комплексно сопряженных решения, т.е. имеем третий случай. В соответствии с приведенной таблицей можно выписать фундаментальную систему решений данного уравнения

,

и получить общее решение исходного дифференциального уравнения

.

II. Рассмотрим теперь решение линейного неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами (16):

.

В общем случае это уравнение может быть решено методом вариации произвольных постоянных (методом Лагранжа). Алгоритм нахождения решения методом Лагранжа состоит в следующем:

1. Находим общее решение однородного линейного уравнения (17), соответствующего исходному неоднородному уравнению (16)

.

2. Будем искать общее решение неоднородного уравнения в виде общего решения однородного уравнения, считая, что произвольные постоянные являются функциями независимой переменной x, т.е. в виде

.

При этом функции могут быть найдены как решения системы

которая является линейной системой двух алгебраических уравнений с двумя неизвестными относительно . Определитель этой системы является определителем Вронского, который отличен от нуля, еслиобразуют фундаментальную систему решений. Поэтому система двух алгебраических уравнений с двумя неизвестными имеет единственное решение. Интегрируя полученные равенства, найдем функциии тем самым получим общее решение исходного неоднородного уравнения.

Метод вариации произвольных постоянных достаточно сложен, поэтому в ряде случаев, когда правая часть имеет специальный вид, можно использовать другой метод – метод неопределенных коэффициентов, воспользовавшись следующим утверждением о структуре общего решения неоднородного обыкновенного дифференциального уравнения.

Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения (16) равно сумме общего решениясоответствующего однородного уравнения (17) и частного решенияисходного неоднородного уравнения (16), т.е.

.

Общее решение линейного однородного уравнения находим по алгоритму, приведенному выше. Далее необходимо найти частное решение неоднородного уравнения. В некоторых случаях вид частного решения устанавливается по правой части исходного неоднородного уравнения.

Если правая часть дифференциального уравнения имеет вид

где – многочлены степениn и m соответственно, а и b – некоторые постоянные числа, то частное решение неоднородного уравнения будет иметь следующую структуру:

где – многочлены степени, записанные с неопределенными коэффициентами;r – равно числу корней характеристического уравнения (18), совпадающему с числом . Таким образом,, если среди корней характеристического уравнениянет числа;, если существует один корень характеристического уравненияили, совпадающий с числом;, если существует двукратный корень характеристического уравнения, совпадающий с числом.

Зная структуру частного решения неоднородного уравнения, неизвестными которого являются только коэффициенты многочленов, подставим его вместе с производными в исходное уравнение и, приравнивая коэффициенты подобных членов слева и справа, получаем необходимое количество линейных алгебраических уравнений для вычисления этих неизвестных коэффициентов.

Таким образом, для правой части специального вида общее решение дифференциального уравнения может быть легко найдено с помощью элементарных операций, таких как дифференцирование и решение линейных алгебраических уравнений, не прибегая к операции интегрирования, которая необходима в методе вариации произвольных постоянных.

Частными случаями правой части специального вида дифференциального уравнения являются следующие:

  1. , которая получается из общего случая при ;

  2. , которая получается из общего случая при ;

  3. , которая получается из общего случая при .

В заданиях 4 и 5 необходимо найти общие решения линейных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами, в которых правая часть имеет специальный вид. Эти задания можно решать как методом вариации произвольных постоянных (методом Лагранжа), так и методом неопределенных коэффициентов. По нашему мнению, последний метод предпочтительнее, так как в нем не требуется применять операцию интегрирования. При решении задания 4 будут показаны оба метода. В задании 5 будет проиллюстрирован только один метод – метод неопределенных коэффициентов.

Задание 4. Найти общее решение дифференциального уравнения.

Сделать проверку.

Решение. Имеем обыкновенное дифференциальное уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами. Решим данное уравнение двумя способами: первый способ – метод неопределенных коэффициентов (правая часть специального вида); второй способ – метод вариации произвольных постоянных.

Первый способ. Общее решение исходного линейного неоднородного дифференциального уравнения имеет вид:

.

где – общее решение соответствующего однородного уравнения,

–частное решение исходного неоднородного уравнения.

а) Найдем – общее решение соответствующего однородного уравнения, т.е. уравнения

.

Для этого составим характеристическое уравнение, заменив в нем на,наина:

Решая квадратное уравнение, получим корни характеристического уравнения ,. Эти корни являются действительными и различными, поэтому фундаментальная система решений, соответствующая этим корням, будет иметь вид,. Следовательно, общее решение однородного уравнения определяется формулой:

.

б) Найдем – частное решение исходного неоднородного уравнения. Для этого рассмотрим правую часть исходного неоднородного уравнения

.

Правая часть исходного уравнения будет иметь специальный вид, если ,,, т.е.,, т.е.. Так как правая часть имеет специальный вид, структура частного решения в общем случае будет иметь вид:

.

Так как и число, то. Так каки, то, т.е.,. Тогда структура частного решение исходного неоднородного уравнения с неопределенными коэффициентами будет иметь вид:

,

,

.

Коэффициенты A и B определим методом неопределенных коэффициентов. Для этого найдем первую и вторую производные от частного решения

,

Подставим найденные выражения в исходное уравнение:

Разделим обе части на и приравняем коэффициенты при одинаковых степенях переменной, т.е. при,и. Получим систему, из которой найдем коэффициентыи. Таким образом,

или

Решая систему двух линейных алгебраических уравнений с двумя переменными, получим ,. Тогда частное решение

.

Общее решение исходного неоднородного уравнения определяется формулой

Таким образом,

Сделаем проверку.

,

Подставим ,,в исходное уравнение

Получили верное равенство.

Второй способ a) Запишем общее решение соответствующего однородного дифференциального уравнения (как это было сделано в первом способе в пункте a):

.

б) Будем искать общее решение неоднородного линейного уравнения в виде общего решения однородного линейного уравнения, считая, что произвольные постоянные являются функциями независимой переменной x, т.е. в виде

.

Функции могут быть найдены из решения системы

где ,,,,, т.е.

, .

Таким образом,

, .

Тогда

Обозначив через , окончательно получим

Ответ: общее решение

Задание 5. Найти общее решение (общий интеграл) дифференциального уравнения. Сделать проверку.

.

Решение. Данное уравнение является обыкновенным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами.

Его общее решение имеет вид:

.

где – общее решение соответствующего однородного уравнения,

–частное решение исходного неоднородного уравнения.

а). Найдем – общее решение соответствующего однородного уравнения, т.е. уравнения

.

Для этого составим характеристическое уравнение, заменив в нем на,наина:

.

Решая квадратное уравнение (, , ), найдем корни характеристического уравнения , т.е.и. Имеем два комплексно-сопряженных корня (третий случай), поэтому фундаментальная система решений, соответствующая этим корням, будет иметь вид:,. Следовательно, общее решение однородного уравнения определяется формулой:

.

б) Найдем – частное решение исходного неоднородного уравнения. Для этого рассмотрим правую часть исходного неоднородного уравнения

.

Правая часть исходного уравнения будет иметь специальный вид, если ,,, т.е.,, т.е.. Так как правая часть имеет специальный вид, то структура частного решения в общем случае будет иметь вид:

.

,

т.е. ,.

Тогда структура частного решение исходного неоднородного уравнения с неопределенными коэффициентами будет иметь вид:

,

.

Коэффициенты A и B определим методом неопределенных коэффициентов. Для этого подставим частное решение с неопределенными коэффициентами в исходное уравнение, предварительно вычислив первую и вторую производные

.

Тогда

Таким образом,

Разделим обе части равенства на и приравняем коэффициенты прии. Получим систему, из которой найдем коэффициентыи. Таким образом,

или

Тогда частное решение

.

Общее решение исходного неоднородного уравнения определяется формулой

Таким образом,

Проверка выполняется аналогично тому, как это было показано в задании 4.