Линейные дифференциальные уравнения. Примеры

Опр. Линейным дифференциальным уравнением n-го порядка называется уравнение, в которое неизвестная функция y(x) и её производные входят линейно, т.е. в первой степени:

;

(19)

Если старший коэффициент q₀ (x) отличен от нуля на интервале (a, b), т.е. для , то, умножая (19) на , приводим уравнение к виду со старшим коэффициентом, равным 1:

;

(20)

; дальше мы будем рассматривать уравнение (20).
Если правая часть уравнения тождественно равна нулю на рассматриваемом интервале (f(x)=0 при ), то уравнение называется однородным. Таким образом, однородное уравнение - это уравнение вида

;

(21)

Задача Коши для уравнений (20) и (21) ставится также, как и для общего уравнения n-го порядка (17) : требуется найти решение уравнения (20) или (21), удовлетворяющее начальным условиям

(22)

где y₀, y₁, y₂, …, y_n-1 - заданные числа. Для уравнения (17) теорема существования и единственности решения задачи Коши требовала непрерывности функции и её производных ; если привести (20) к виду (17):
,
то . Таким образом, условия теоремы Коши приводят к необходимости непрерывности функций f(x) и p_i(x), i = 1, 2, …, n. Далее, вывод теоремы Коши для уравнения (17) заключался в том, что найдётся окрестность точки x₀, в которой существует однозначно определённое решение задачи Коши; для линейных уравнений (20) и (21) вывод более глобален: единственное решение существует на всём интервале (a, b), на котором выполняются условия теоремы:
Теорема существования и единственности решения задачи Коши для линейного уравнения: если функции f(x), p_i(x), i = 1, 2, …, n непрерывны на интервале (a, b), x₀ - произвольная точка этого интервала, то для любых начальных условий (22) существует единственная функция y(x), определённая на всём интервале (a, b) и удовлетворяющая уравнению (20) и начальным условиям (22).
Всё дальнейшее изложение ведётся в предположении, что условия теоремы существования и единственности решения задачи Коши выполняются, даже если это не оговаривается специально.

35 Однородные дифференциальные уравнения. Примеры.

Обыкновенное уравнение первого порядка называется однородным относительно x и y, если функция является однородной степени 0:

.

Однородную функцию можно представить как функцию от :

.

Используем подстановку , а затем воспользуемся: . Тогда дифференциальное уравнение сводится к уравнению с разделяющимися переменными:

.

Однородность по правой части

Дифференциальное уравнение является однородным, если оно не содержит свободного члена — слагаемого, не зависящего от неизвестной функции. Так, можно говорить, что уравнение — однородно, если .

В случае, если , говорят о неоднородном дифференциальном уравнении.

Именно для решения линейных однородных диф. уравнений была построена целая теория, чему способствовало выполнение у них принципа суперпозиции.