Линейные неоднородные дифференциальные уравнения с произвольными коэффициентами

21. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения с произвольными коэффициентами

Рассмотрим уравнение вида

С учетом обозначения можно записать:

При этом будем полагать, что коэффициенты и правая часть этого уравнения непрерывны на некотором интервале ( конечном или бесконечном).

Теорема. Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения В некоторой области есть сумма Любого его решения и общего решения соответствующего линейного однородного дифференциального уравнения.

Доказательство. Пусть Y – некоторое решение неоднородного уравнения.

Тогда при подстановке этого решения в исходное уравнение получаем тождество:

Пусть — фундаментальная система решений линейного однородного уравнения . Тогда общее решение однородного уравнения можно записать в виде:

Далее покажем, что сумма Является общим решением неоднородного уравнения.

Вообще говоря, решение Y может быть получено из общего решения, т. к. является частным решением.

Таким образом, в соответствии с доказанной теоремой, для решения линейного неоднородного дифференциального уравнения необходимо найти общее решение соответствующего однородного уравнения и каким — то образом отыскать одно частное решение неоднородного уравнения. Обычно оно находится подбором.

На практике удобно применять метод Вариации произвольных постоянных.

Для этого сначала находят общее решение соответствующего однородного уравнения в виде:

Затем, полагая коэффициенты Ci функциями от Х, ищется решение неоднородного уравнения:

Можно доказать, что для нахождения функций Ci(X) надо решить систему уравнений:

Пример. Решить уравнение

Решаем линейное однородное уравнение

Решение неоднородного уравнения будет иметь вид:

Составляем систему уравнений:

Решим эту систему:

Из соотношения найдем функцию А(х).

Теперь находим В(х).

Подставляем полученные значения в формулу общего решения неоднородного уравнения:

Окончательный ответ:

Таким образом, удалось избежать нахождения частного решения неоднородного уравнения методом подбора.

Вообще говоря, метод вариации произвольных постоянных пригоден для нахождения решений любого линейного неоднородного уравнения. Но т. к. нахождение фундаментальной системы решений соответствующего однородного уравнения может быть достаточно сложной задачей, этот метод в основном применяется для неоднородных уравнений с постоянными коэффициентами.

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка

В данной теме поговорим о способах решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений вида y ‘ = P ( x ) · y = Q ( x ) . Начнем с метода вариации произвольной постоянной и покажем способ применения этого метода для решения задачи Коши. Продолжим рассмотрением метода, который предполагает представление произвольной постоянной у как произведения двух функций u ( x ) и v ( x ) . В разделе мы приводим большое количество задач по теме с детальным разбором решения.

На тот случай, если применяемые при разборе темы термины и понятия окажутся незнакомыми для вас, мы рекомендуем заглядывать в раздел «Основные термины и определения теории дифференциальных уравнений».

Метод вариации произвольной постоянной для решения ЛНДУ первого порядка

Для краткости будет обозначать линейное неоднородное дифференциальное уравнение аббревиатурой ЛНДУ, а линейное однородное дифференциальное уравнение (ЛОДУ).

ЛНДУ вида y ‘ = P ( x ) · y = Q ( x ) соответствует ЛОДУ вида y ‘ = P ( x ) · y = 0 , при Q ( x ) = 0 . Если посмотреть на дифференциальное уравнение y ‘ = P ( x ) · y = 0 , становится понятно, что мы имеем дело с уравнением с разделяющимися переменными. Мы можем его проинтегрировать: y ‘ = P ( x ) · y = 0 ⇔ d y y = — P ( x ) d x , y ≠ 0 ∫ d y y = — ∫ P ( x ) d x ⇔ ln y + C 1 = — ∫ P ( x ) d x ⇔ ln y = ln C — ∫ P ( x ) d x , ln C = — C 1 , C ≠ 0 ⇔ e ln y = e ln C — ∫ P ( x ) d x ⇔ y = C · e — ∫ P ( x ) d x

Мы можем утверждать, что значение переменной y = 0 тоже является решением, так как при этом значении переменной уравнение y ‘ = P ( x ) · y = 0 обращается в тождество. Этому случаю соответствует решение y = C · e — ∫ P ( x ) d x при значении C = 0 .

Получается, что y = C · e — ∫ P ( x ) d x — общее решение ЛОДУ, где С – произвольная постоянная.

y = C · e — ∫ P ( x ) d x — это решение ЛОДУ y ‘ = P ( x ) · y = 0 .

Для того, чтобы найти общее решение неоднородного уравнения y ‘ = P ( x ) · y = Q ( x ) , будем считать С не константой, а функцией аргумента х . Фактически, мы примем y = C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x общим решением ЛНДУ.

Подставим y = C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x в дифференциальное уравнение y ‘ = P ( x ) · y = Q ( x ) . Оно при этом обращается в тождество:

y ‘ = P ( x ) · y = Q ( x ) C x · e — ∫ P ( x ) d x + P ( x ) · C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x = Q ( x )

Теперь обратимся к правилу дифференцирования произведения. Получаем:

C ‘ ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x + C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x + P ( x ) · C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x = Q ( x )

Производная сложной функции e — ∫ P ( x ) d x ‘ равна e — ∫ P ( x ) d x · — ∫ P ( x ) d x ‘ .

Теперь вспомним свойства неопределенного интеграла. Получаем:

e — ∫ P ( x ) d x · — ∫ P ( x ) d x ‘ = — e — ∫ P ( x ) d x · P ( x )

Теперь выполним переход:

C ‘ ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x + C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x ‘ + P ( x ) · C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x = Q ( x ) C ‘ ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x — P ( x ) · C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x + P ( x ) · C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x = Q ( x ) C ‘ ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x = Q ( x )

Так мы пришли к простейшему дифференциальному уравнению первого порядка. В ходе решения этого уравнения мы определим функцию C ( x ) . Это позволит нам записать решение исходного ЛНДУ первого порядка следующим образом:

y = C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x

Подведем итог

Метод вариации произвольной постоянной при решении ЛНДУ предполагает проведение трех этапов:

• нахождение общего решения соответствующего ЛОДУ y ‘ + P ( x ) · y = 0 в виде y = C · e — ∫ P ( x ) d x ;
• варьирование произвольной постоянной С , что заключается в замене ее функцией С ( x ) ;
• подстановка функции y = C ( x ) · e — ∫ P ( x ) d x в исходное дифференциальное уравнение, откуда мы можем вычислить C ( x ) и записать ответ.

Теперь применим этот алгоритм к решению задачи.

Найдите решение задачи Коши y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 1 + x 2 , y ( 1 ) = 3 .

Нам нужно отыскать частное решение ЛНДУ y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 1 + x 2 при начальном условии y ( 1 ) = 3 .

В нашем примере P ( x ) = — 2 x 1 + x 2 и Q ( x ) = x 2 + 1 . Начнем с того, что найдем общее решение ЛОДУ. После этого применим метод вариации произвольной постоянной и определим общее решение ЛНДУ. Это позволит нам найти искомое частное решение.

Общим решением соответствующего ЛОДУ y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 0 будет семейство функций y = C · ( x 2 + 1 ) , где С – произвольная постоянная.

Варьируем произвольную постоянную y = C ( x ) · ( x 2 + 1 ) и подставляем эту функцию в исходное уравнение:
y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 1 + x 2 C x · ( x 2 + 1 ‘ — 2 x · C ( x ) · ( x 2 + 1 ) 1 + x 2 = 1 + x 2 C ‘ ( x ) · ( x 2 + 1 ) + C ( x ) · 2 x — 2 x · C ( x ) = 1 + x 2 C ‘ ( x ) = 1 ,

откуда C ( x ) = ∫ d x = x + C 1 , где C 1 – произвольная постоянная.

Это значит, что y = C ( x ) · ( x 2 + 1 ) = ( x + C 1 ) · ( x 2 + 1 ) — общее решение неоднородного уравнения.

Теперь приступим к отысканию частного решения, которое будет удовлетворять начальному условию y ( 1 ) = 3 .

Так как y = ( x + C 1 ) · ( x 2 + 1 ) , то y ( 1 ) = ( 1 + C 1 ) · ( 1 2 + 1 ) = 2 · ( 1 + C 1 ) . Обратившись к начальному условию, получаем уравнение 2 · ( 1 + C 1 ) = 3 , откуда C 1 = 1 2 . Следовательно, искомое решение задачи Коши имеет вид y = x + 1 2 · ( x 2 + 1 )

Теперь рассмотрим еще один метод решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений y ‘ + P ( x ) · y = Q ( x ) .

Еще один метод решения ЛНДУ первого порядка

Мы можем представить неизвестную функцию как произведение y = u ⋅ v , где u и v – функции аргумента x .

Мы можем подставить эту функцию в ЛНДУ первого порядка. Имеем:

y ‘ + P ( x ) · y = Q ( x ) ( u · v ) ‘ + P ( x ) · u · v = Q ( x ) u ‘ · v + u · v ‘ + P ( x ) · u · v = Q ( x ) u ‘ · v + u · ( v ‘ + P ( x ) · v ) = Q ( x )

Если найти такое v , чтобы оно было ненулевым частным решением дифференциального уравнения v ‘ + P ( x ) · v = 0 , то u можно будет определить из уравнения с разделяющимися переменными u ‘ · v = Q ( x ) .

Рассмотрим этот алгоритм решения на предыдущем примере. Это позволит нам сосредоточиться на главном, не отвлекаясь на второстепенные детали.

Найдите общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения y ‘ — 2 x y 1 + x 2 = 1 + x 2 .

Пусть y = u ⋅ v , тогда
y ‘ — 2 x y x 2 + 1 = x 2 + 1 ⇔ ( u · v ) — 2 x · u · v x 2 + 1 = x 2 + 1 u ‘ · v + u · v ‘ — 2 x · u · v x 2 + 1 = x 2 + 1 u ‘ · v + u · v ‘ — 2 x · v x 2 + 1 = x 2 + 1

Находим такое v , отличное от нуля, чтобы выражение в скобках обращалось в ноль. Иными словами, находим частное решение дифференциального уравнения v ‘ — 2 x · v x 2 + 1 = 0 .
v ‘ — 2 x · v x 2 + 1 = 0 ⇔ d v d x = 2 x · v x 2 + 1 ⇒ d v v = 2 x d x x 2 + 1 ⇔ d v v = d ( x 2 + 1 ) x 2 + 1 ∫ d v v = ∫ d ( x 2 + 1 ) x 2 + 1 ln v + C 1 = ln ( x 2 + 1 ) + C 2

Возьмем частное решение v = x 2 + 1 , соответствующее C 2 – С 1 = 0 .

Для этого частного решения имеем
u ‘ · v + u · v ‘ — 2 x · v x 2 + 1 = x 2 + 1 ⇔ u ‘ · ( x 2 + 1 ) + u · 0 = x 2 + 1 ⇔ u ‘ = 1 ⇔ u = x + C

Следовательно, общее решение исходного линейного неоднородного дифференциального уравнения есть y = u · v = ( x + C ) · ( x 2 + 1 )

Ответы в обоих случаях совпадают. Это значит, что оба метода решения, которые мы привели в статье, равнозначны. Выбирать, какой из них применить для решения задачи, вам.

Решение линейных неоднородных дифференциальных уравнений высших порядков методом Лагранжа

Метод Лагранжа (вариация постоянных)

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами произвольного n-го порядка:
(1) .
Метод вариации постоянной, рассмотренный нами для уравнения первого порядка, также применим и для уравнений более высоких порядков.

Решение выполняется в два этапа. На первом этапе мы отбрасываем правую часть и решаем однородное уравнение. В результате получаем решение, содержащее n произвольных постоянных. На втором этапе мы варьируем постоянные. То есть мы считаем, что эти постоянные являются функциями от независимой переменной x и находим вид этих функций.

Хотя мы здесь рассматриваем уравнения с постоянными коэффициентами, но метод Лагранжа также применим и для решения любых линейных неоднородных уравнений. Для этого, однако, должна быть известна фундаментальная система решений однородного уравнения.

Шаг 1. Решение однородного уравнения

Как и в случае уравнений первого порядка, вначале мы ищем общее решение однородного уравнения, приравнивая правую неоднородную часть к нулю:
(2) .
Общее решение такого уравнения имеет вид:
(3) .
Здесь – произвольные постоянные; – n линейно независимых решений однородного уравнения (2), которые образуют фундаментальную систему решений этого уравнения.

Шаг 2. Вариация постоянных – замена постоянных функциями

На втором этапе мы займемся вариацией постоянных. Другими словами, мы заменим постоянные на функции от независимой переменной x :
.
То есть мы ищем решение исходного уравнения (1) в следующем виде:
(4) .

Если мы подставим (4) в (1), то получим одно дифференциальное уравнение для n функций . При этом мы можем связать эти функции дополнительными уравнениями. Тогда получится n уравнений, из которых можно определить n функций . Дополнительные уравнения можно составить различными способами. Но мы это сделаем так, чтобы решение имело наиболее простой вид. Для этого, при дифференцировании, нужно приравнивать к нулю члены, содержащие производные от функций . Продемонстрируем это.

Чтобы подставить предполагаемое решение (4) в исходное уравнение (1), нам нужно найти производные первых n порядков от функции, записанной в виде (4). Дифференцируем (4), применяя правила дифференцирования суммы и произведения:
.
Сгруппируем члены. Сначала выпишем члены с производными от , а затем – члены с производными от :

.
Наложим на функции первое условие:
(5.1) .
Тогда выражение для первой производной по будет иметь более простой вид:
(6.1) .

Тем же способом находим вторую производную:

.
Наложим на функции второе условие:
(5.2) .
Тогда
(6.2) .
И так далее. В дополнительных условиях, мы приравниваем члены, содержащие производные функций , к нулю.

Таким образом, если выбрать следующие дополнительные уравнения для функций :
(5.k) ,
то первые производных по будут иметь наиболее простой вид:
(6.k) .
Здесь .

Подставляем в исходное уравнение (1):
(1) ;

.
Учтем, что все функции удовлетворяют уравнению (2):
.
Тогда сумма членов, содержащих дают нуль. В итоге получаем:
(7) .

В результате мы получили систему линейных уравнений для производных :
(5.1) ;
(5.2) ;
(5.3) ;
. . . . . . .
(5.n-1) ;
(7′) .

Решая эту систему, находим выражения для производных как функции от x . Интегрируя, получим:
.
Здесь – уже не зависящие от x постоянные. Подставляя в (4), получаем общее решение исходного уравнения.

Заметим, что для определения величин производных мы нигде не использовали тот факт, что коэффициенты a_i являются постоянными. Поэтому метод Лагранжа применим для решения любых линейных неоднородных уравнений, если известна фундаментальная система решений однородного уравнения (2).

Далее рассмотрены примеры решения уравнений методом Лагранжа.

Примеры

Решить уравнения методом вариации постоянных (Лагранжа).

Решение примеров > > >

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 05-08-2013 Изменено: 22-06-2017