С постоянными коэффициентами

Не существует общих методов для нахождения в конечном виде общего решения линейного уравнения с переменными коэффициентами. Однако для ДУ с постоянными коэффициентами такой метод существует.

Определение 2.5.ЛОДУ второго порядка с постоянными коэффициентами называется ДУ вида

С постоянными коэффициентами - student2.ru , (2.3)

где С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru - постоянные действительные числа.

Для нахождения общего решения ЛОДУ второго порядка с постоянными коэффициентами достаточно найти два линейно независимых частных решения.

Будем искать частные решения в виде С постоянными коэффициентами - student2.ru , где С постоянными коэффициентами - student2.ru - некоторое число (предложено Л.Эйлером). Тогда

С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Подставляем полученные выражения производных в уравнение (2.3), получаем:

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Так как С постоянными коэффициентами - student2.ru , то С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Следовательно, если С постоянными коэффициентами - student2.ru будет удовлетворять полученному приведенному квадратному уравнению, то С постоянными коэффициентами - student2.ru будет решением уравнения (2.3).

Уравнение С постоянными коэффициентами - student2.ru называется характеристическим уравнением по отношению к уравнению (2.3).

Поскольку характеристическое уравнение является квадратным уравнением, то возможны следующие случаи по наличию корней:

1. С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru - два различных действительных корня;

2. С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru - два равных действительных корня;

3. С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru - два комплексных корня;

Рассмотрим каждый случай отдельно.

I. Корни характеристического уравнения действительны и различны: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

В этом случае частными решениями будут функции С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru . Эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение имеет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru . (2.4)

II. Корни характеристического уравнения действительны и равны: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

В этом случае частными решениями будут функции С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru (можно убедиться, подставив функцию С постоянными коэффициентами - student2.ru в исходное ДУ). Эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение имеет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru . (2.5)

III. Корни характеристического уравнения комплексные числа: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение имеет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru . (2.6)

Пример 2.3. Решить ЛОДУ второго порядка: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Находим корни характеристического уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение примет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

,

Пример 2.4. Решить ЛОДУ второго порядка: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Находим корни характеристического уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение примет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

,

Пример 2.5. Решить задачу Коши для ЛОДУ второго порядка:

С постоянными коэффициентами - student2.ru

при начальных условиях С постоянными коэффициентами - student2.ru

Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Находим корни характеристического уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение примет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Найдем частное решение, удовлетворяющее данным начальным условиям. Определим соответствующие значения С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru . Сначала найдем С постоянными коэффициентами - student2.ru :

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Далее получаем

С постоянными коэффициентами - student2.ru Þ С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Таким образом, частное решение: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

,

Пример 2.6. Решить ЛОДУ второго порядка: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Находим корни характеристического уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение примет вид

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

,

Наши рекомендации