Курс высшей математики Типовой расчет

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

 ЛОДУ с постоянными коэффициентами

у(n) + P1y(n-1) +…+ Pn-1 y’ + Pn y = 0, где все Pi (i=)= const

будем искать частное решение y=ekx , к – неизвестная постоянная

y’=kekx

y’’=k2ekx

……

y(n)=k(n) ekx

k(n) ekx + P1k(n-1) ekx + … + Pnekx = ekx(k(n) + P1k(n-1) + … + Pn) = 0

ekx0 => k(n) + P1k(n-1) + … + Pn = 0, (1)

y=ekx - 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 …kn 

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=ekx , k(n) + P1k(n-1) + … + Pn = 0

2) найти корни характер уравнения k1 ,k2 …kn 

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

1

Действ корень кратности 1

ekx

2

Пара корней abi;кратнос 1

eаxcosbx , eаxsinbx

3

Действит корень кратност α

ekx, хekx, х2ekx, х3ekx,…, хα-1ekx

4

Пара сопряж корней α abi

eаxcosbx , eаxsinbx

хeаxcosbx , хeаxsinbx

х2eаxcosbx , х2eаxsinbx

хα-1eаxcosbx , хα-1eаxsinbx


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) +…+ Pn-1 y’ + Pn y = f(x) (1) Pi – 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), y1,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[y1, 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 yi(x) является решением ЛНДУ

(3) y(n) + P1y(n-1) + … + Pny = fi(x)  то функция  = α1y1 + α2y2 + … + αnyn  , то это функция является решением y(n) + P1y(n-1) + … + Pny = α1 f1(x) + α2 f2(x) + … + αn fn(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)


Свойства степенных рядов