С постоянными коэффициентами

Методы решения дифференциальных уравнений высшего порядка.

Уравнение вида .

Простейшим уравнением n-го порядка является уравнение вида С постоянными коэффициентами - student2.ru . Запишем это уравнение в виде: С постоянными коэффициентами - student2.ru . Интегрируя по С постоянными коэффициентами - student2.ru левую и правую части выражения, получим С постоянными коэффициентами - student2.ru . Интегрируя еще раз получим

С постоянными коэффициентами - student2.ru

И так далее пока не будет найдено выражение общего интеграла y(x);

Некоторые типы дифференциальных уравнений второго порядка, приводимых к уравнениям первого порядка.

а). Уравнение вида С постоянными коэффициентами - student2.ru (3)

не содержит явным образом искомой функции С постоянными коэффициентами - student2.ru . Тогда полагая С постоянными коэффициентами - student2.ru , получим С постоянными коэффициентами - student2.ru . Подставляя эти выражения производных в уравнение (3)

получим С постоянными коэффициентами - student2.ru – дифференциальное уравнение 1-го порядка относительно неизвестной функции С постоянными коэффициентами - student2.ru от С постоянными коэффициентами - student2.ru . Проинтегрировав это уранение находим его общее решение С постоянными коэффициентами - student2.ru , а затем из соотношения С постоянными коэффициентами - student2.ru получаем общий интеграл уравнения (3): С постоянными коэффициентами - student2.ru

б). Уравнение вида С постоянными коэффициентами - student2.ru не содержит явным образом независимого переменного С постоянными коэффициентами - student2.ru . Положим С постоянными коэффициентами - student2.ru , считая С постоянными коэффициентами - student2.ru – функцией от С постоянными коэффициентами - student2.ru , тогда С постоянными коэффициентами - student2.ru . Уравнение приобретет вид С постоянными коэффициентами - student2.ru , т.е. вид дифференциального уравнения 1-го порядка относительно С постоянными коэффициентами - student2.ru . Вычислив С постоянными коэффициентами - student2.ru будем иметь: С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru . Итак, С постоянными коэффициентами - student2.ru – общий интеграл исходного уравнения.

Пример 1. Найти общее решение дифференциального уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Это уравнение допускает понижение порядка. Перепишем его в виде: С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru , т.е. С постоянными коэффициентами - student2.ru . Интегрируя обе части последнего уравнения, получим С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Далее применяем этот же метод еще раз: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Затем аналогично получим С постоянными коэффициентами - student2.ru ,

откуда С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение примет вид: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Пример 2. Найти общее решение дифференциального уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru .

В этом уравнении явно не содержится переменная С постоянными коэффициентами - student2.ru , поэтому замена С постоянными коэффициентами - student2.ru С постоянными коэффициентами - student2.ru обеспечивает понижение порядка дифференциального уравнения. Получим С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru , т.е. уравнение с разделяющимися переменными С постоянными коэффициентами - student2.ru . Разделим обе части на С постоянными коэффициентами - student2.ru и получим С постоянными коэффициентами - student2.ru . Интегрируем С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru .

При интегрировании произвольную постоянную обозначим в виде С постоянными коэффициентами - student2.ru для того, чтобы потенцированием упростить выражение:

С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Возвращаясь к обозначению С постоянными коэффициентами - student2.ru , продолжим решение дифференциального уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru , следовательно, С постоянными коэффициентами - student2.ru . Вычисляя интеграл в правой части понижением порядка С постоянными коэффициентами - student2.ru , будем иметь: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение имеет вид С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Пример 3. Найти общее решение дифференциального уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru .

В этом уравнении в явном виде не содержится С постоянными коэффициентами - student2.ru , поэтому можно понизить порядок дифференциального уравнения.

Обозначим С постоянными коэффициентами - student2.ru , тогда С постоянными коэффициентами - student2.ru . Подставляя эти выражения в исходное уравнение, получим С постоянными коэффициентами - student2.ru , т.е. С постоянными коэффициентами - student2.ru . Уравнение распадается на два уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Для решения уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru запишем С постоянными коэффициентами - student2.ru , следовательно, С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Уравнение С постоянными коэффициентами - student2.ru – уравнение с разделяющимися переменными: С постоянными коэффициентами - student2.ru или С постоянными коэффициентами - student2.ru , следовательно, С постоянными коэффициентами - student2.ru . Потенцируя, получим С постоянными коэффициентами - student2.ru , где С постоянными коэффициентами - student2.ru . Интегрируя С постоянными коэффициентами - student2.ru , получим С постоянными коэффициентами - student2.ru или в явном виде С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Общее решение имеет вид С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Линейные однородные уравнения n-го порядка

с постоянными коэффициентами

Это уравнения вида

С постоянными коэффициентами - student2.ru , (4)

где С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru ,…, С постоянными коэффициентами - student2.ru – постоянные, С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Решение. 1. Составляем характеристическое уравнение

С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Это алгебраическое уравнение будет иметь С постоянными коэффициентами - student2.ru корней.

2. Находим корни С постоянными коэффициентами - student2.ru .

3. По характеру корней выписываем фундаментальную систему решений (ФСР), руководствуясь следующим:

а) каждому действительному однократному корню С постоянными коэффициентами - student2.ru соответствует решение С постоянными коэффициентами - student2.ru .

б) каждой паре комплексно сопряженных корней С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru соответствуют два частных решения С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru ;

в) каждому действительному корню С постоянными коэффициентами - student2.ru кратности С постоянными коэффициентами - student2.ru соответствует С постоянными коэффициентами - student2.ru линейно независимых частных решений С постоянными коэффициентами - student2.ru .

г) каждой паре комплексных сопряженных корней С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru кратности С постоянными коэффициентами - student2.ru соответствуют С постоянными коэффициентами - student2.ru частных решений:

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

ФСР состоит из С постоянными коэффициентами - student2.ru составляющих ( С постоянными коэффициентами - student2.ru – порядок уравнения (4), или степень характеристического уравнения). Эти решения линейно независимы.

4. Найдя С постоянными коэффициентами - student2.ru линейно независимых решений С постоянными коэффициентами - student2.ru , строим общее решение данного линейного уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru , где С постоянными коэффициентами - student2.ru – произвольные постоянные.

Пример 4. С постоянными коэффициентами - student2.ru .

1. Составим характеристическое уравнение: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

2. Находим корни: С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

3. Корню С постоянными коэффициентами - student2.ru соответствует решение С постоянными коэффициентами - student2.ru , а корню С постоянными коэффициентами - student2.ru – решение С постоянными коэффициентами - student2.ru .

4. Записываем общее решение данного дифференциального уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru -произвольные постоянные.

Пример 5. С постоянными коэффициентами - student2.ru .

1. Составим характеристическое уравнение: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

2. Находим корни: С постоянными коэффициентами - student2.ru , т.е. С постоянными коэффициентами - student2.ru – корни совпадают, значит, корень С постоянными коэффициентами - student2.ru – двукратный С постоянными коэффициентами - student2.ru .

3. Корню С постоянными коэффициентами - student2.ru кратности 2 соответствует два линейно независимых решения С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

4. Записываем общее решение однородного дифференциального уравнения С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Пример 6. С постоянными коэффициентами - student2.ru .

1. Составим характеристическое уравнение: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

2. Находим корни: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

3. С постоянными коэффициентами - student2.ru , С постоянными коэффициентами - student2.ru – пара комплексно-сопряженных корней кратности 1, им соответствуют два частных линейно независимых решения: С постоянными коэффициентами - student2.ru и С постоянными коэффициентами - student2.ru .

4. Записываем общее решение данного дифференциального уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Пример 7. С постоянными коэффициентами - student2.ru .

1. Составим характеристическое уравнение: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

2. Находим корни: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

3. Записываем общее решение данного дифференциального уравнения: С постоянными коэффициентами - student2.ru .

Наши рекомендации