Метод Лагранжа (вариации постоянной). Линейные дифференциальные уравнения первого порядка.
Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
(1) .
Существует три способа решения этого уравнения:
Рассмотрим решение линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Лагранжа.
Метод вариации постоянной (Лагранжа)
В методе вариации постоянной мы решаем уравнение в два этапа. На первом этапе мы упрощаем исходное уравнение и решаем однородное уравнение. На втором этапе мы заменим постоянную интегрирования, полученную на первой стадии решения, на функцию. После чего ищем общее решение исходного уравнения.
Шаг 1 Решение однородного уравнения
Ищем решение однородного уравнения:
Это уравнение с разделяющимися переменными
Разделяем переменные — умножаем на dx , делим на y :
Интегрируем:
Интеграл по y — табличный:
Тогда
Потенцируем:
Заменим постоянную e C на C и уберем знак модуля, что сводится к умножению на постоянную ±1 , которую включим в C :
Шаг 2 Заменим постоянную C на функцию
Теперь заменим постоянную C на функцию от x :
C → u ( x )
То есть, будем искать решение исходного уравнения (1) в виде:
(2)
Находим производную.
По правилу дифференцирования сложной функции:
.
По правилу дифференцирования произведения:
.
Подставляем в исходное уравнение (1):
(1) ;
.
Два члена сокращаются:
;
.
Интегрируем:
.
Подставляем в (2):
.
В результате получаем общее решение линейного дифференциального уравнения первого порядка:
.
Пример решения линейного дифференциального уравнения первого порядка методом Лагранжа
Решаем однородное уравнение:
Разделяем переменные:
Умножим на :
Интегрируем:
Интегралы табличные:
Потенцируем:
Заменим постоянную e C на C и убираем знаки модуля:
Отсюда:
Заменим постоянную C на функцию от x :
C → u ( x )
Находим производную:
.
Подставляем в исходное уравнение:
;
;
Или:
;
.
Интегрируем:
;
Решение уравнения:
.
Общее решение уравнения:
.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 27-07-2012 Изменено: 01-03-2015
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
Уравнение Лагранжа
Вы будете перенаправлены на Автор24
Общий метод решения уравнения Лагранжа
Предположим, что некоторое дифференциальное уравнение первого порядка $F\left(x,y,y’\right)=0$, не разрешенное относительно производной, удалось разрешить относительно $y$, то есть представить в виде $y=f\left(x,y’\right)$.
Частным случаем дифференциального уравнения такого вида является уравнение Лагранжа $y=x\cdot \phi \left(y’\right)+\psi \left(y’\right)$, в котором $\phi \left(y’\right)\ne y’$.
Дифференциальное уравнение Лагранжа решают методом введения параметра $y’=p$.
При этом исходное дифференциальное уравнение можно переписать в виде $y=x\cdot \phi \left(p\right)+\psi \left(p\right)$.
Выполнив дифференцирование по $x$ с учетом $dy=p\cdot dx$, после несложных алгебраических преобразований получаем линейное дифференциальное уравнение относительно функции $x\left(p\right)$ и её производной $\frac
Это уравнение решается известным методом, в результате чего получим его общее решение $x=F\left(p,C\right)$.
Подставив полученный результат в соотношение $y=x\cdot \phi \left(p\right)+\psi \left(p\right)$, получим $y=F\left(p,C\right)\cdot \phi \left(p\right)+\psi \left(p\right)$.
Дополнительные частные либо особые решения уравнения Лагранжа могут быть получены в результате нахождения действительных корней уравнения $p-\phi \left(p\right)=0$ и подстановки их в $y=x\cdot \phi \left(p\right)+\psi \left(p\right)$.
Решение типичных задач
Решить дифференциальное уравнение $y=-x\cdot y’+y’^ <2>$.
Имеем дифференциальное уравнение Лагранжа, в котором $\phi \left(y’\right)=-y’$ и $\psi \left(y’\right)=y’^ <2>$.
Вводим параметр $y’=p$ и получаем $y=-x\cdot p+p^ <2>$, а также $\phi \left(p\right)=-p$ и $\psi \left(p\right)=p^ <2>$.
Теперь получим уравнение вида $\frac
Уравнение приобретает вид: $\frac
Применяем алгоритм решения линейного неоднородного дифференциального уравнения:
- Стандартный вид $\frac
+\frac<1><2\cdot p>\cdot x=1$, где $P\left(p\right)=\frac<1><2\cdot p>$, $Q\left(p\right)=1$. - Вычисляем интеграл $I_ <1>=\int P\left(p\right)\cdot dp =\int \frac<1><2\cdot p>\cdot dp =\frac<1><2>\cdot \ln \left|p\right|$.
Записываем частное решение $v\left(p\right)=e^<-\frac<1> <2>\cdot \ln \left|p\right|> $, выполняем упрощающие преобразования: $\ln v\left(p\right)=-\frac<1> <2>\cdot \ln \left|p\right|$; $\ln \left(v\left(p\right)\right)^ <2>+\ln \left|p\right|=0$; $\left(v\left(p\right)\right)^ <2>\cdot \left|p\right|=1$.
Выбираем для $v\left(p\right)$ простейший ненулевой вариант: $v\left(p\right)=\frac<1> <\sqrt
> $.
\cdot dp =\int \sqrt \cdot dp =\frac<2><3>\cdot p^<\frac<3><2>> $ и получаем $u\left(p,C\right)=\frac<2><3>\cdot p^<\frac<3><2>> +C$.
> =\frac<2><3>\cdot p+\frac > $. Подставляем полученный результат в $y=x\cdot \phi \left(p\right)+\psi \left(p\right)$. Получаем: $y=-\left(\frac<2> <3>\cdot p+\frac > \right)\cdot p+p^ <2>=\frac<1> <3>\cdot p^ <2>-C\cdot \sqrt $. Таким образом, общее решение данного уравнения Лагранжа в параметрической форме имеет вид: $\left\<\begin > > \\ > \end Для определения дополнительных частных либо особых решений находим корни уравнения $p-\phi \left(p\right)=0$: получаем $p=0$. Подставляем $p=0$ в $y=-x\cdot p+p^ <2>$ и получаем $y=0$. Это решение является частным, так как получается из общего при $C=\frac<1> <3>\cdot p^<\frac<3> <2>> $. Решить дифференциальное уравнение $y=x\cdot y’\cdot \left(y’+2\right)$. Имеем дифференциальное уравнение Лагранжа, в котором $\phi \left(y’\right)=y’\cdot \left(y’+2\right)$ и $\psi \left(y’\right)=0$. Вводим параметр $y’=p$ и получаем $y=x\cdot p\cdot \left(p+2\right)$, а также $\phi \left(p\right)=p\cdot \left(p+2\right)$ и $\psi \left(p\right)=0$. Теперь получим уравнение вида $\frac Уравнение приобретает вид: $. \cdot dp =2\cdot \ln \left|p\right|$. Подставляем полученный результат в $y=x\cdot p\cdot \left(p+2\right)$. Получаем: $y=\frac > \cdot p\cdot \left(p+2\right)$ или $y=C\cdot \left(1+\frac<2> \right)$. Таким образом, общее решение данного уравнения Лагранжа в параметрической форме имеет вид: $\left\<\begin > > \\ \right)> \end Параметр $p$ из этой системы можно исключить: $p=\frac <\sqrt Для определения дополнительных частных либо особых решений находим корни уравнения $p-\phi \left(p\right)=-p^ <2>-p=0$. Получаем: $p\cdot \left(p+1\right)=0$, откуда имеем два корня $p=0$ и $p=-1$. Подставляем первый корень $p=0$ в $y=x\cdot p\cdot \left(p+2\right)$ и получаем первое дополнительное решение данного уравнения $y=0$. Это решение является частным, так как получается из общего при $C=0$. Подставляем второй корень $p=-1$ в $y=x\cdot p\cdot \left(p+2\right)$ и получаем второе дополнительное решение данного уравнения $y=-x$. Это решение является особым, так как не получается из общего ни при каком $C$. http://math.semestr.ru/math/varconst.php http://spravochnick.ru/matematika/differencialnye_uravneniya/uravnenie_lagranzha/Готовые работы на аналогичную тему