Линейные однородные дифференциальные уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами. Вид частных решений, характеристическое уравнение

ЛОДУ с постоянными коэффициентами

у⁽ⁿ⁾ + P₁y^(n-1) +…+ P_n-1 y’ + P_n y = 0, где все P_i (i= )= const

будем искать частное решение y=e^kx , к – неизвестная постоянная

y’=ke^kx

y’’=k²e^kx

……

y⁽ⁿ⁾=k⁽ⁿ⁾ e^kx

 

k⁽ⁿ⁾ e^kx + P₁k^(n-1) e^kx + … + P_ne^kx = e^kx(k⁽ⁿ⁾ + P₁k^(n-1) + … + P_n) = 0

e^kx 0 => k⁽ⁿ⁾ + P₁k^(n-1) + … + P_n = 0, (1)

ð y=e^kx - решение ДУ

(1) – характеристическое уравнение для ЛОДу с постоянными коэффициентами, выражения слева характеристический многочлен.

Решением характеристич уравнения (1) дает систему частных решений ЛОДу, структура ФСР зависит от вида корней характер уравнения.

(1) – алгебраическое уравнение n-ой степени, может иметь не более, чем n корней, обознач-м эти корни характеристического уравнения через k₁ ,k₂ …k_n

Возможны случай

1)все корни хар-го уранения вещественны и различны

2)все корни различны, но среди них есть комплексные

3)среди действительных корней имеются кратные

4)среди комплексных корней есть кратные

Общий алгоритм решения ЛОДу с постоянным коэффициентом

1) составим характер уравнение : y=e^kx , k⁽ⁿ⁾ + P₁k^(n-1) + … + P_n = 0

2) найти корни характер уравнения k₁ ,k₂ …k_n

3) по характеру корней находим частное линейно-независимое решение по таблице 1

4) подставляем частное решение на основе Теоремы о структуре общего решения ЛОДУ и получаем общее решение y =

№	Вид корня	Соответственное решение
	Действ корень кратности 1	ekx
	Пара корней a bi;кратнос 1	eаxcosbx , eаxsinbx
	Действит корень кратност α	ekx, хekx, х2ekx, х3ekx,…, хα-1ekx
	Пара сопряж корней α a bi	eаxcosbx , eаxsinbx хeаxcosbx , хeаxsinbx х2eаxcosbx , х2eаxsinbx хα-1eаxcosbx , хα-1eаxsinbx

 

55. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения n-го порядка. Теорема о структуре общего решения (док. для n=2). Теорема о суперпозиции решений (док. для n=2).

ЛНДУ

у⁽ⁿ⁾ + P₁y^(n-1) +…+ P_n-1 y’ + P_n y = f(x) (1) P_i – непрерывна на отрезке (a,b)

Теорема о структуре общего решения ЛНДУ

Общее решение ЛНДУ есть сумма частного решения и общего решения соответственного ему однородного уравнения

Док-во:

Для уравнения 2-го порядка ( но теорема применима для уравнений любого порядка)

n=2

(1’) y” + P₁(x) y’ + P₂(x) y = f(x)

Обозначим у*(х) – частное решение ЛНДУ

(х) – общее решение ЛОДУ

Показать, что

(2) у= у*+ - общее решение ЛНДУ

Найдем:

Дважды дифференцируем функцию (2) и подставляем у, y’,y” в (1’)

у*”(x) + ”(x) + P₁(x)[ у*(x)+ ’(x)] + P₂(x)[ у*(x)+ (x)] =

= [у*”(x)+ P₁(x) у*’(x)+ P₂(x) у*(x)] + [ ”(x) + P₁(x) ’ (x)+ P₂(x) (x)] = f(x) + 0 = 0

= C₁y₁(x) + C₂y₂(x), y_1,y₂ – частное решение ЛОДУ y” + P₁y’ + P₂ = 0

C₁C₂ – подбираем так, чтобы они удовлетворяли начальным условиям

y(x₀)=y₀ , y’(x₀)=y₀’, для любых х₀ (а,в), и любых y₀ ,y₀’

C₁y₁(x₀) + C₂y₂(x₀) + у*(x₀) = y₀

C₁y’₁(x₀) + C₂y’₂(x₀) + у*(x₀) = y₀’

Линейная неоднородная система, определитель этой системы, определитель Вронского

W[y_1, y₂]≠0 =>система имеет единственное решение при любых ₀ , ’₀ ,y*_{0 ,}y*’₀ , это означает у= у*+ - общее решение ЛНДУ

Теорема2 принцип суперпозиции (принцип сложения решений)

Если функция y_i(x) является решением ЛНДУ

(3) y⁽ⁿ⁾ + P₁y^(n-1) + … + P_ny = f_i(x) то функция = α₁y₁ + α₂y₂ + … + α_ny_n , то это функция является решением y⁽ⁿ⁾ + P₁y^(n-1) + … + P_ny = α₁ f₁(x) + α₂ f₂(x) + … + α_n f_n(x) (4)

Док-во: для n=2

Подставим y, y’, y”, в (4) , учитываем что y₁ y₂ решение соответственного уравнения (3)

α₁y₁” + α₂y₂” + P₁(x)[ α₁y₁+ α₂y₂] =

= [α₁y₁” + P₁(x)α₁y’₁ + P₂(x)α₁y₁] + [α₂y₂” + P₁(x)α₂y’₂ + P₂(x)α₂y₂] = α₁f₁(x) + α₂f₂(x)

 

56. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами. Метод неопределенных коэффициентов для уравнений со специальной правой частью. Метод вариации произвольных постоянных (вывод рабочей формулы).

Рассмотрим ЛНДУ с постоянными коэф-ми.

Ур-е у⁽ⁿ⁾ + P₁y^(n-1) +…+ P_n-1 y’ + P_n y = f(x) : Pi=const

Метод неопр-х коэф-в можно применять если правое ур-е имеет следующий вид: f(x)= , , -многочлены степени g и r соотв-но a и b некоторые числа. В основе метода неопр-х коэф-в лежит знание формы частного решения, а именно частное решение стоит искать в аналогич-ой форме свободного члена.

№	Вид правой части (f(x))	Корни харак-го уравнения	Вид частного решения y*
	P (x)=A x +A x +… +A x+ A	а) число 0 не явл-ся корнем хар-го ур-я б) число 0 явл-ся корнем хар-го ур-я кратности	а) y*=b x +b x +…+ +b б) y*=x (B x +B x +… +B )
	P (x)e = e ( A x + +A x +…+A x+ A ) p-действ-е число	а) число p не явл-ся корнем хар-го ур-я б) число p явл-ся корнем хар-го ур-я кратности	a) y*= e ( b x +b x +…+ +b ) б) y*= e x ( b x +b x +…+ +b )
	P (x)cosgx+Q (x)singx g-число	а) число gi-не явл-ся корнем хар-го ур-я б) число gi-явл-ся корнем хар-го ур-я кратности	а) y*= (x)cosgx+ (x)singx б) y*=x ( (x)cosgx+ (x)singx)
	P (x)e cosgx+ Q (x)e singx	а) число gi-не явл-ся корнем хар-го ур-я б) число gi-явл-ся корнем хар-го ур-я кратности	а) y*= (x) e cosgx+ (x)singx б) y*= x ( (x) e cosgx+ + (x)singx)

 

Замечание к таблице: 1)степени многоч-ов P и Q в случаях (3) и (4) можно считать одинаковыми, если они различны, то коэф-ты при недостающих степенях одного из многоч-ов можно считать=0.

2)правая часть ур-я может содержать несколько слагаемых; в этом случае сост-ся из неск-ких слагаемых в соотв-ии с Теоремой о неравенстве нулю вронскиана линейно-независимых решений ЛОДУ

 

Метод вариации производных постоянных(метод Лагранджа).

Метод позволяет найти решение ДУ независимо от вида правой части, когда известно общее решение соотв-го однородного ДУ.

Например: ДУ 2-го порядка. Пусть y”+P (x)y’+P (x)y=f(x) (1) пусть y (x) и y (x)-ФСРЛОДУ

y”+P (x)y’+P (x)y=0 (x)= C y (x)+C y (x) (2). Частное решение y*(x) в виде (14) считая при этом C и C не постоянными, а неизв-ми функциями от x.

y*= C (x)y (x)+C (x)y (x), y*= C’ (x)y (x)+C(x) y’ (x)+C’ (x)y (x)+ C(x) y’ (x)

Пусть C (x) и C (x) C’ (x)y (x)+ C’ (x)y (x)=0 /справедливое равенство (3), тогда y* ’= C (x)y’ (x)+ C (x)y’ (x); y* ”= C (x)y’ (x)+ C (x)y” (x)+ C’ (x)y’ (x)+ C (x)y” (x).

Подставим y*, y* ’, y* ” в (1): C (x)[ y” (x) + P (x)y ’(x) + P (x) y (x)] + C (x)[ y” (x) + P (x)y ’(x) + P (x) y (x)] + C’ (x)y’ (x)+ C’ (x)y’ (x)=f(x). Т.к. y (x), y (x) решения ОДУ, то выражения []=0 C’ (x)y’ (x) + C’ (x)y’ (x)=0.

Объясним два условия и (3):

C’ (x)y (x)+ C’ (x)y (x)=0

C’ (x)y’ (x)+ C’ (x)y’ (x)=f(x) (4)

 

Неопр-е ф-ии C’ (x) и C’ (x).

Определитель этой системы: W[y , y ]= 0 решая систему мы получим C (x)= (x),

C (x)= (x) проинтегрируем и получим решение C (x) и C (x) найдены. Подставим в y*.

Для ЛНДУ n-го порядка ф-ии C (x) определяются из системы:

C’ (x)y + C’ (x)y +…+ C’ (x)y =0

C’ (x)y’ + C’ (x)y’ +…+ C’ (x)y’ =0

……………………………………………

C’ (x)y + C’ (x)y +…+ C’ (x)y =0

C’ (x)y + C’ (x)y +…+ C’ (x)y =f(x)

 

Алгоритм решения ЛНДУ

1) найти ФСР однородного уравнения и записать его общее решение (ОУ)

2) записать частное решение неоднородного ДУ в форме общего решения ОУ считая C_i=C_i (x)

3) построить систему для определения C_i ‘(x) – решить ее

4) найти C_i (x) и подставить их в общее решение НДУ