Метод лагранжа решения систем дифференциальных уравнений

Метод вариации произвольной постоянной решения линейных неоднородных уравнений

Пример №1 . Найдём общее решение уравнения y» + 4y’ + 3y = 9e -3 x . Рассмотрим соответствующее однородное уравнение y» + 4y’ + 3y = 0. Корни его характеристического уравнения r 2 + 4r + 3 = 0 равны -1 и -3. Поэтому фундаментальная система решений однородного уравнения состоит из функций y₁ = e — x и y₂ = e -3 x . Решение неоднородного уравнения ищем в виде y = C₁(x)e — x + C₂(x)e -3 x . Для нахождения производных C’₁, C’₂ составляем систему уравнений (8)
C′₁·e -x +C′₂·e -3x =0
-C′₁·e -x -3C′₂·e -3x =9e -3x
решая которую, находим , Интегрируя полученные функции, имеем
Окончательно получим

Пример №2 . Решить линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами методом вариации произвольных постоянных:

y(0) =1 + 3ln3
y’(0) = 10ln3

Решение:
Данное дифференциальное уравнение относится к линейным дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами.
Решение уравнения будем искать в виде y = e rx . Для этого составляем характеристическое уравнение линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами:
r 2 -6 r + 8 = 0
D = (-6) 2 — 4·1·8 = 4

Корни характеристического уравнения: r₁ = 4, r₂ = 2
Следовательно, фундаментальную систему решений составляют функции: y₁=e 4x , y₂=e 2x
Общее решение однородного уравнения имеет вид: y =C₁·e 4x +C₂·e 2x
Поиск частного решения методом вариации произвольной постоянной.
Для нахождения производных C’_i составляем систему уравнений:
C′₁·e 4x +C′₂·e 2x =0
C′₁(4e 4x ) + C′₂(2e 2x ) = 4/(2+e -2x )
Выразим C’₁ из первого уравнения:
C’₁ = -c₂e -2x
и подставим во второе. В итоге получаем:
C’₁ = 2/(e 2x +2e 4x )
C’₂ = -2e 2x /(e 2x +2e 4x )
Интегрируем полученные функции C’_i:
C₁ = 2ln(e -2x +2) — e -2x + C * ₁
C₂ = ln(2e 2x +1) – 2x+ C * ₂

Поскольку y =C₁·e 4x +C₂·e 2x , то записываем полученные выражения в виде:
C₁ = (2ln(e -2x +2) — e -2x + C * ₁) e 4x = 2 e 4x ln(e -2x +2) — e 2x + C * ₁ e 4x
C₂ = (ln(2e 2x +1) – 2x+ C * ₂)e 2x = e 2x ln(2e 2x +1) – 2x e 2x + C * ₂ e 2x
Таким образом, общее решение дифференциального уравнения имеет вид:
y = 2 e 4x ln(e -2x +2) — e 2x + C * ₁ e 4x + e 2x ln(2e 2x +1) – 2x e 2x + C * ₂ e 2x
или
y = 2 e 4x ln(e -2x +2) — e 2x + e 2x ln(2e 2x +1) – 2x e 2x + C * ₁ e 4x + C * ₂ e 2x

Найдем частное решение при условии:
y(0) =1 + 3ln3
y’(0) = 10ln3

Подставляя x = 0, в найденное уравнение, получим:
y(0) = 2 ln(3) — 1 + ln(3) + C * ₁ + C * ₂ = 3 ln(3) — 1 + C * ₁ + C * ₂ = 1 + 3ln3
Находим первую производную от полученного общего решения:
y’ = 2e 2x (2C₁ e 2x + C₂ -2x +4 e 2x ln(e -2x +2)+ ln(2e 2x +1)-2)
Подставляя x = 0, получим:
y’(0) = 2(2C₁ + C₂ +4 ln(3)+ ln(3)-2) = 4C₁ + 2C₂ +10 ln(3) -4 = 10ln3

Получаем систему из двух уравнений:
3 ln(3) — 1 + C * ₁ + C * ₂ = 1 + 3ln3
4C₁ + 2C₂ +10 ln(3) -4 = 10ln3
или
C * ₁ + C * ₂ = 2
4C₁ + 2C₂ = 4
или
C * ₁ + C * ₂ = 2
2C₁ + C₂ = 2
Откуда: C₁ = 0, C * ₂ = 2
Частное решение запишется как:
y = 2e 4x ·ln(e -2x +2) — e 2x + e 2x ·ln(2e 2x +1) – 2x·e 2x + 2·e 2x

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.

Примеры на метод вариации произвольной постоянной

Метод вариации произвольной постоянной, или метод Лагранжа — еще один способ решения линейных дифференциальных уравнений первого порядка и уравнения Бернулли.

Линейные дифференциальные уравнения первого порядка — это уравнения вида y’+p(x)y=q(x). Если в правой части стоит нуль: y’+p(x)y=0, то это — линейное однородное уравнение 1го порядка. Соответственно, уравнение с ненулевой правой частью, y’+p(x)y=q(x), — неоднородное линейное уравнение 1го порядка.

Метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа) состоит в следующем:

1) Ищем общее решение однородного уравнения y’+p(x)y=0: y=y*.

2) В общем решении С считаем не константой, а функцией от икса: С=С(x). Находим производную общего решения (y*)’ и в первоначальное условие подставляем полученное выражение для y* и (y*)’. Из полученного уравнения находим функцию С(x).

3) В общее решение однородного уравнения вместо С подставляем найденное выражение С(x).

Рассмотрим примеры на метод вариации произвольной постоянной. Возьмем те же задания, что и в примерах решения линейных дифференциальных уравнений методом Бернулли , сравним ход решения и убедимся, что полученные ответы совпадают.

1) y’=3x-y/x

Перепишем уравнение в стандартном виде (в отличие от метода Бернулли, где форма записи нам нужна была только для того, чтобы увидеть, что уравнение — линейное).

y’+y/x=3x (I). Теперь действуем по плану.

1) Решаем однородное уравнение y’+y/x=0. Это уравнение с разделяющимися переменными. Представляем y’=dy/dx, подставляем: dy/dx+y/x=0, dy/dx=-y/x. Обе части уравнения умножаем на dx и делим на xy≠0: dy/y=-dx/x. Интегрируем:

2) В полученном общем решении однородного уравнения будем считать С не константой, а функцией от x: С=С(x). Отсюда

Полученные выражения подставляем в условие (I):

Интегрируем обе части уравнения:

здесь С — уже некоторая новая константа.

3) В общее решение однородного уравнения y=C/x, где мы считали С=С(x), то есть y=C(x)/x, вместо С(x) подставляем найденное выражение x³+C: y=(x³+C)/x или y=x²+C/x. Получили такой же ответ, как и при решении методом Бернулли.

2) y’+y=cosx.

Здесь уравнение уже записано в стандартном виде, преобразовывать не надо.

1) Решаем однородное линейное уравнение y’+y=0: dy/dx=-y; dy/y=-dx. Интегрируем:

Чтобы получить более удобную форму записи, экспоненту в степени С примем за новую С:

Это преобразование выполнили, чтобы удобнее было находить производную.

2) В полученном общем решении линейного однородного уравнения считаем С не константой, а функцией от x: С=С(x). При этом условии

Полученные выражения y и y’ подставляем в условие:

Умножим обе части уравнения на

Интегрируем обе части уравнения по формуле интегрирования по частям, получаем:

Здесь С уже не функция, а обычная константа.

3) В общее решение однородного уравнения

подставляем найденную функцию С(x):

Получили такой же ответ, как и при решении методом Бернулли.

Метод вариации произвольной постоянной применим и для решения уравнений Бернулли .

y’x+y=-xy².

Приводим уравнение к стандартному виду: y’+y/x=-y² (II).

1) Решаем однородное уравнение y’+y/x=0. dy/dx=-y/x. Умножаем обе части уравнения на dx и делим на y: dy/y=-dx/x. Теперь интегрируем:

2) В полученном общем решении будем считать С не константой, а некоторой функций от x. При этом условии

Подставляем полученные выражения в условие (II):

Получили уравнение с разделяющимися переменными относительно С и x:

Здесь С — уже обычная константа. В процессе интегрирования писали вместо С(x) просто С, чтобы не перегружать запись. А в конце вернулись к С(x), чтобы не путать С(x) с новой С.

3) В общее решение однородного уравнения y=C(x)/x подставляем найденную функцию С(x):

Получили такой же ответ, что и при решении способом Бернулли.

Примеры для самопроверки:

1) Решаем однородное уравнение y’-2y=0. y’=dy/dx, отсюда dy/dx=2y, умножаем обе части уравнения на dx, делим на y и интегрируем:

Отсюда находим y:

2) В полученном решении С будем считать не константой, а функцией от x: C=C(x). Тогда

Выражения для y и y’ подставляем в условие (для краткости будем питать С вместо С(x) и С’ вместо C'(x)):

Для нахождения интеграла в правой части применяем формулу интегрирования по частям:

Теперь подставляем u, du и v в формулу:

3) Теперь подставляем в решение однородного

Отсюда получаем решение неоднородного уравнения:

2. Поделив обе части данного уравнения на x, приходим к уравнению

Это — уравнение Бернулли.

1) Решаем однородное уравнение y’+2y/x=0,

2) В этом решении заменяем константу С на функцию от x С(x), тогда

(для удобства пишем вместо С(x) просто С, но помним, что С здесь — функция от x). Теперь подставляем выражения для y и y’ в условие:

Интегрируем обе части уравнения:

Если ввести обозначение 3С1=С, то получим

3) В условие y=C(x)/x² подставляем найденное С(x):