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
, (2.3)
где и - 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 , где - некоторое число (предложено Л.Эйлером). Тогда
, .
Подставляем полученные выражения производных в уравнение (2.3), получаем:
.
Так как , то .
Следовательно, если будет удовлетворять полученному приведенному квадратному уравнению, то будет решением уравнения (2.3).
Уравнение называется характеристическим уравнением по отношению к уравнению (2.3).
Поскольку характеристическое уравнение является квадратным уравнением, то возможны следующие случаи по наличию корней:
1. и - два различных действительных корня;
2. и - два равных действительных корня;
3. и - два комплексных корня;
Рассмотрим каждый случай отдельно.
I. Корни характеристического уравнения действительны и различны: .
В этом случае частными решениями будут функции и . Эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение имеет вид
. (2.4)
II. Корни характеристического уравнения действительны и равны: .
В этом случае частными решениями будут функции и (можно убедиться, подставив функцию в исходное ДУ). Эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение имеет вид
. (2.5)
III. Корни характеристического уравнения комплексные числа: и .
Общее решение имеет вид
. (2.6)
Пример 2.3. Решить ЛОДУ второго порядка: .
Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:
.
Находим корни характеристического уравнения: и .
Общее решение примет вид
.
,
Пример 2.4. Решить ЛОДУ второго порядка: .
Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:
.
Находим корни характеристического уравнения: .
Общее решение примет вид
.
,
Пример 2.5. Решить задачу Коши для ЛОДУ второго порядка:
при начальных условиях
Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:
.
Находим корни характеристического уравнения: и .
Общее решение примет вид
.
Найдем частное решение, удовлетворяющее данным начальным условиям. Определим соответствующие значения и . Сначала найдем :
.
Далее получаем
Þ .
Таким образом, частное решение: .
,
Пример 2.6. Решить ЛОДУ второго порядка: .
Решение. Составляем и решаем характеристическое уравнение:
.
Находим корни характеристического уравнения: и .
Общее решение примет вид
.
,