Решение линейных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Вид общего решения
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:
(1) .
Его решение можно получить следуя общему методу понижения порядка.
Однако проще сразу получить фундаментальную систему n линейно независимых решений и на ее основе составить общее решение. При этом вся процедура решения сводится к следующим шагам.
Ищем решение уравнения (1) в виде . Получаем характеристическое уравнение:
(2) .
Оно имеет n корней. Решаем уравнение (2) и находим его корни . Тогда характеристическое уравнение (2) можно представить в следующем виде:
(3) .
Каждому корню соответствует одно из линейно независимых решений фундаментальной системы решений уравнения (1). Тогда общее решение исходного уравнения (1) имеет вид:
(4) .
Действительные корни
Рассмотрим действительные корни. Пусть корень однократный. То есть множитель входит в характеристическое уравнение (3) только один раз. Тогда этому корню соответствует решение
.
Пусть – кратный корень кратности p . То есть
. В этом случае множитель входит в характеристическое уравнение (3) p раз:
.
Этим кратным (равным) корням соответствуют p линейно независимых решений исходного уравнения (1):
; ; ; . ; .
Комплексные корни
Рассмотрим комплексные корни характеристического уравнения (3). Выразим комплексный корень через действительную и мнимую части:
.
Поскольку коэффициенты исходного уравнения (1) действительные, то кроме корня имеется комплексно сопряженный корень
.
Пусть комплексный корень однократный. Тогда паре корней соответствуют два линейно-независимых решения уравнения (1):
; .
Пусть – кратный комплексный корень кратности p . Тогда комплексно сопряженное значение также является корнем характеристического уравнения кратности p и множитель входит в разложение на множители (3) p раз:
.
Этим 2 p корням соответствуют 2 p линейно независимых решений:
; ; ; . ;
; ; ; . .
После того как фундаментальная система линейно независимых решений найдена, по формуле (4) получаем общее решение уравнения (1).
Примеры решений задач
Пример 1
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения седьмого порядка с постоянными коэффициентами:
.
Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение:
.
Преобразуем его:
;
;
.
Рассмотрим корни этого уравнения. Мы получили четыре комплексных корня кратности 2:
; .
Им соответствуют четыре линейно-независимых решения исходного уравнения:
; ; ; .
Также мы имеем три действительных корня кратности 3:
.
Им соответствуют три линейно-независимых решения:
; ; .
Общее решение исходного уравнения имеет вид:
.
Пример 2
Это однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение:
.
Решаем квадратное уравнение.
.
Мы получили два комплексных корня:
.
Им соответствуют два линейно-независимых решения:
.
Общее решение уравнения:
.
Пример 3
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения четвертого порядка с постоянными коэффициентами:
.
Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение:
.
Выносим за скобки:
(П3.1) .
Решаем квадратное уравнение :
.
Получили два комплексных корня, которые обозначим как . Тогда . Перепишем характеристическое уравнение (П3.1) в эквивалентном виде:
.
Отсюда видно, что оно имеет два кратных корня кратности 2, и два комплексно сопряженных корня . Кратным корням соответствуют два линейно независимых решения:
;
.
Комплексно сопряженным корням , соответствуют решения
.
Общее решение:
.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 29-07-2013 Изменено: 27-10-2020
Дифференциальные уравнения высших порядков: ЛОДУ, примеры решения.
Можно выделить 5 возможных метода для определения y0 — общего решения линейного однородного дифференциального уравнения n-ого порядка с постоянными коэффициентами:
1. В случае, когда все решения характеристического уравнения являются действительными и различными, значит, линейно независимые частные решения принимают вид:
,
а общее решение линейного однородного дифференциального уравнения n-ого порядка с постоянными коэффициентами записывают так:
.
Найти общее решение ЛОДУ 3-го порядка с постоянными коэффициентами:
.
Для начала записываем характеристическое уравнение и находим его корни, перед этим произведя разложение многочлена в левой части равенства на множители методом группировки:
Каждый из трех корней характеристического уравнения являются действительными и различными, значит, общее решение линейного однородного дифференциального уравнения 3-го порядка с постоянными коэффициентами принимает вид:
.
2. Когда каждое решение характеристического уравнения оказывается действительными и одинаковыми, т.е.,
,
значит, линейно независимые частные решения ЛОДУ n-ого порядка с постоянными коэффициентами принимают вид:
,
а общее решение линейного однородного дифференциального уравнения (ДУ) принимает вид:
Найти общее решение ДУ
.
Характеристическое уравнение этого линейного однородного дифференциального уравнения 4-го порядка выглядит так:
.
Обратившись к формуле бинома Ньютона, переписываем характеристическое уравнение как , из чего видим четырехкратный корень k0 = 2.
Т.о., общим решением заданного ЛОДУ с постоянными коэффициентами является:
.
3. Когда решениями характеристического уравнения ЛОДУ n-ого порядка с постоянными коэффициентами оказываются разные комплексно сопряженные пары , n=2m, тогда линейно независимые частные решения такого линейного однородного дифференциального уравнения принимает вид:
а общее решение записывается так:
Проинтегрировать ЛОДУ 4-го порядка с постоянными коэффициентами .
Характеристическое уравнение этого линейного однородного дифференциального уравнения:
.
Произведя некоторые несложные преобразования и группирования имеем:
Откуда находим 2 пары комплексно сопряженных корней характеристического уравнения и . Тогда, общим решением заданного ЛОДУ n-ого порядка с постоянными коэффициентами является:
4. Когда решениями характеристического уравнения оказываются совпадающие комплексно сопряженные пары , тогда линейно независимые частные решения ЛОДУ n-ого порядка с постоянными коэффициентами выглядят так:
,
а общим решением этого линейного однородного дифференциального уравнения является:
Найти общее решение линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами:
.
Первым шагом записываем характеристическое уравнение этого ЛОДУ с постоянными коэффициентами и определяем его корни:
Т.е., решением характеристического уравнения является двукратная комплексно сопряженная пара . Тогда общее решение заданного ЛОДУ с постоянными коэффициентами будет:
.
5. Могут возникнуть любые комбинации случаев, описанных выше, т.е., некоторые корни характеристического уравнения ЛОДУ n-ого порядка с постоянными коэффициентами являются действительными и различными, некоторые являются действительными и совпадающими, некоторые являются различными комплексно сопряженными парами и некоторые совпадающими комплексно сопряженными парами.
Найти общее решение ДУ
.
Характеристическое уравнение этого ЛОДУ с постоянными коэффициентами выглядит так:
.
Многочлен в левой части равенства можно разложить на множители. Из делителей свободного члена вычисляем двукратный корень k1=k2=2 и корень k3=-3. Далее, применяя схему Горнера, приходим к разложению:
.
Из квадратного уравнения находим оставшиеся корни .
Т.о., общее решение заданного ЛОДУ с постоянными коэффициентами выглядит как:
.
Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
Основные понятия о линейных дифференциальных уравнениях второго порядка и их решениях
Линейным дифференциальным уравнением второго порядка называется уравнение вида
где y — функция, которую требуется найти, а p(x) , q(x) и f(x) — непрерывные функции на некотором интервале (a, b) .
Если правая часть уравнения равна нулю ( f(x) = 0 ), то уравнение называется линейным однородным уравнением. Таким уравнениям и будет в основном посвящена практическая часть этого урока. Если же правая часть уравнения не равна нулю ( f(x) ≠ 0 ), то уравнение называется линейным неоднородным уравнением (смотрите отдельный урок).
В задачах от нас требуется разрешить уравнение относительно y» :
Линейные дифференциальные уравнения второго порядка имеют единственное решение задачи Коши.
Линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка и его решение
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка:
Если y 1 (x) и y 2 (x) — частные решения этого уравнения, то верны следующие высказывания:
1) y 1 (x) + y 2 (x) — также является решением этого уравнения;
2) Cy 1 (x) , где C — произвольная постоянная (константа), также является решением этого уравнения.
Из этих двух высказываний следует, что функция
также является решением этого уравнения.
Возникает справедливый вопрос: не является ли это решение общим решением линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка, то есть таким решением, в котором при различных значениях C 1 и C 2 можно получить все возможные решения уравнения?
Ответ на этот вопрос следуюший: может, но при некотором условии. Это условие о том, какими свойствами должны обладать частные решения y 1 (x) и y 2 (x) .
И это условие называется условием линейной независимости частных решений.
Теорема. Функция C 1 y 1 (x) + C 2 y 2 (x) является общим решением линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка, если функции y 1 (x) и y 2 (x) линейно независимы.
Определение. Функции y 1 (x) и y 2 (x) называются линейно независимыми, если их отношение является константой, отличной от нуля:
Однако установить по определению, являются ли эти функции линейно независимыми, часто очень трудоёмко. Существует способ установления линейной независимости с помощью определителя Вронского W(x) :
.
Если определитель Вронского не равен нулю, то решения — линейно независимые. Если определитель Вронского равен нулю, то решения — линейно зависимымые.
Пример 1. Найти общее решение линейного однородного дифференциального уравнения .
Решение. Интегрируем дважды и, как легко заметить, чтобы разность второй производной функции и самой функции была равна нулю, решения должны быть связаны с экспонентой, производная которой равна ей самой. То есть частными решениями являются и .
Так как определитель Вронского
не равен нулю, то эти решения линейно независимы. Следовательно, общее решение данного уравнения можно записать в виде
.
Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами: теория и практика
Линейным однородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида
где p и q — постоянные величины.
На то, что это уравнение второго порядка, указывает наличие второй производной от искомой функции, а на его однородность — нуль в правой части. Постоянными коэффициентами называются уже упомянутые выше величины.
Чтобы решить линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, нужно сначала решить так называемое характеристическое уравнение вида
которое, как видно, является обычным квадратным уравнением.
В зависимости от решения характеристического уравнения возможны три различных варианта решения линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами, которые сейчас разберём. Для полной определённости будем считать, что все частные решения прошли проверку определителем Вронского и он во всех случаях не равен нулю. Сомневающиеся, впрочем, могут проверить это самостоятельно.
Корни характеристического уравнения — действительные и различные
Иными словами, . В этом случае решение линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
.
Пример 2. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет вид , его корни и — вещественные и различные. Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Пример 3. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет вид , его корни и — вещественные и различные. Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Корни характеристического уравения — вещественные и равные
То есть, . В этом случае решение линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
.
Пример 4. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет равные корни . Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
Пример 5. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет равные корни . Соответствующие частные решения уравнения: и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Корни характеристического уравнения — комплексные
То есть, , , . В этом случае решение линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид
.
Пример 6. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет комплексные корни и . Соответственно и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Пример 7. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Решение. Характеристическое уравнение имеет комплексные корни и . Соответственно и . Общее решение данного дифференциального уравения имеет вид
.
Решить линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 8. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
Пример 9. Решить линейное однородное дифференциальное уравнение
.
http://www.calc.ru/Differentsialnyye-Uravneniya-Vysshikh-Poryadkov-Lodu-Primery.html
http://function-x.ru/differential_equations7.html