Определитель вронского для дифференциального уравнения 2 порядка

Определитель Вронского (вронскиан).

Пусть функции $y_1(x),\;y_2(x),\;y_3(x),\ldots,y_n(x)$ непрерывны вместе с своими производными (до $n-1$ порядка включительно) на интервале $(a;b)$. Определитель Вронского (вронскиан) указанной системы функций задаётся следующей формулой:

Для того, чтобы функции $y_1(x),\;y_2(x),\;y_3(x),\ldots,y_n(x)$ были линейно независимыми на $(a;b)$, достаточно, чтобы $W(y_1,y_2,\ldots,y_n)\neq 0$ хотя бы в одной точке интервала $(a;b)$. Отметим, что это условие является достаточным, но не необходимым. Т.е. если $W(y_1,y_2,\ldots,y_n)= 0$ для всех значений переменной из интервала $(a;b)$, то про линейную зависимость функций $y_1(x),\;y_2(x),\;y_3(x),\ldots,y_n(x)$ в общем случае ничего определённого сказать нельзя.

В некоторых случаях, однако, условие $W(y_1,y_2,\ldots,y_n)\neq 0$ является не только необходимым, но и достаточным для линейной независимости функций. Например, чтобы решения $y_1(x),\;y_2(x),\;y_3(x),\ldots,y_n(x)$ линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка были линейно независимы на $(a;b)$, необходимо и достаточно, чтобы $W(y_1,y_2,\ldots,y_n)\neq 0$ хотя бы в одной точке интервала $(a;b)$. Об этом будет идти речь в соответствующих разделах теории дифференциальных уравнений.

Если функции $y_1(x),\;y_2(x),\;y_3(x),\ldots,y_n(x)$, непрерывные вместе с своими производными до $n-1$ порядка включительно на интервале $(a;b)$, линейно зависимы, то $W(y_1,y_2,\ldots,y_n) = 0$ для всех $x\in(a;b)$.

Исследовать на линейную зависимость функции $y_1(x)=x$, $y_2(x)=x e^x$ в их области определения.

Областью определения данных функций есть вся числовая прямая, т.е. $x\in(-\infty;+\infty)$.

Так как существует хотя бы одно значение $x\in R$, при котором $W\neq 0$ (например, при $x=1$ имеем $W=e$), то функции $y_1(x)=x$ и $y_2(x)=x e^x$ линейно независимы на $R$.

Исследовать на линейную зависимость функции $y_1(x)=1$, $y_2(x)=x$, $y_3(x)=x^2$, $y_4(x)=x^3$, $y_5(x)=x^4$ в их области определения.

Эта система функций уже была исследована в задаче №3 непосредственным применением определения линейно зависимых и независимых функций. Теперь осуществим исследование с помощью определителя Вронского. Все рассуждения проводим в области определения данных функций, т.е. на $R$.

Так как $W\neq 0$, то данные функции линейно независимы на $R$.

Исследовать на линейную зависимость функции $y_1(x)=4$, $y_2(x)=\arcsin x$, $y_3(x)=\arccos x$ в интервале $(-1;1)$.

Для вычисления полученного определителя можно использовать формулу треугольников, но лучше сделать пару предварительных преобразований. Прибавим к элементам второго столбца соответствующие элементы третьего столбца и учтем, что $\arcsin x+\arccos x=\frac <\pi><2>$ при любом $x\in[-1;1]$:

Так как $W=0$, то ничего определенного про линейную зависимость данных функций сказать нельзя.

Можно исследовать данные функции определителем Грама, но проще использовать определение линейно зависимых функций. В задаче №4 доказано по определению, что данные функции линейно зависимы на отрезке $[-1;1]$, а следовательно, будут линейно зависимы на $(-1;1)$.

Исследовать на линейную зависимость функции $y_1(x)=x$, $y_2(x)=|x|$ в их области определения.

Областью определения заданных функций есть все множество действительных чисел, т.е. $x\in R$. Рассмотрим определитель Вронского этих функций при $x≥ 0$. При данном условии $y_2(x)=|x|=x$.

Итак, вронскиан равен нулю на всей области определения заданных функций. Вновь, как и в примере №3, сказать что-либо определённое по поводу линейной зависимости функций, опираясь на значение вронскиана, нельзя. В задаче №5 эти функции были исследованы на линейную зависимость согласно определению. И, согласно результатам, функции оказались линейно независимыми.

Как видите, примеры №3 и №4 наглядно иллюстрируют тот факт, что условие $W(y_1,y_2,\ldots,y_n)\neq 0$ является достаточным, но не необходимым для линейной независимости рассматриваемых функций. В примере №3 функции были линейно зависимы, в примере №4 – линейно независимы, однако в обоих случаях $W=0$.

Заметили ошибку, опечатку, или некорректно отобразилась формула? Отпишите, пожалуйста, об этом в данной теме на форуме (регистрация не требуется).

Определитель вронского для дифференциального уравнения 2 порядка

Если же это тождество выполняется лишь при , то указанные функции , , . называются линейно независимыми на отрезке .

Для случая двух функций критерий линейной независимости можно записать в более простом виде: Функции , будут линейно независимыми на отрезке , если их отношение на данном отрезке тождественно не равно постоянной:

В противном случае, при , эти функции будут линейно зависимыми .

Пусть n функций , , . имеют производные порядка. Определитель

называется определителем Вронского или вронскианом для указанной системы функций.

Теорема . Если система функций , , . линейна зависима на отрезке , то ее определитель Вронского тождественно равен нулю на этом отрезке.

Отсюда следует, что если определитель отличен от нуля хотя бы в одной точке отрезка , то функции , , . будут линейно независимыми. Это свойство определителя Вронского позволяет выяснить, являются ли найденные решения однородного дифференциального уравнения линейно независимыми.

Совокупность двух линейно независимых частных решений линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка образует его фундаментальную систему решений .

Если , − фундаментальная система решений, то общее решение уравнения второго порядка представляется в виде

где , − произвольные постоянные.

Заметим, что по заданной фундаментальной системе решений , можно построить соответствующее однородное дифференциальное уравнение. Для случая второго порядка такое уравнение выражается через определитель в виде:

Итак, как указано выше, общее решение однородного дифференциального уравнения второго порядка является линейной комбинацией двух линейно независимых частных решений , этого уравнения.

Очевидно, что частные решения зависят от коэффициентов дифференциального уравнения. Формула Лиувилля-Остроградского устанавливает связь между вронскианом , построенном на базе частных решений , , и коэффициентом в дифференциальном уравнении.

Пусть − определитель Вронского решений , линейного однородного дифференциального уравнения 2-го порядка

К сожалению, общего метода отыскания частного решения не существует. Обычно это можно сделать путем подбора.

Если известно частное решение линейного однородного уравнения второго порядка, то его можно преобразовать к линейному уравнению первого порядка с помощью подстановки и последующей замены .

Другой способ понижения порядка основан на использовании формулы Лиувилля-Остроградского. Здесь также одно частное решение должно быть известно. Соответствующие примеры разобраны ниже.

где , и − непрерывные функции на отрезке .

Соответствующее однородное уравнение записывается в виде

Метод вариации постоянных (или метод Лагранжа) используется для построения общего решения неоднородного уравнения, когда известно общее решение ассоциированного с ним однородного уравнения.

Пусть общее решение однородного уравнения 2-го порядка выражается через фундаментальную систему решений и :

где C₁, C₂ − произвольные постоянные. Идея данного метода состоит в том, что вместо постоянных C₁ и C₂рассматриваются функции и , которые подбираются таким образом, чтобы решение удовлетворяло неоднородному уравнению.

Производные неизвестных функций и можно определить из системы уравнений

Применяя метод вариации параметров, важно помнить, что функция должна соответствовать дифференциальному уравнению, приведенному к стандартному виду, т.е. коэффициент перед старшей производной должен быть равен 1.

Далее, зная производные и , можно найти и сами функции и :

Тогда общее решение исходного неоднородного уравнения будет выражаться формулой

Теперь воспользуемся методом вариации постоянных и построим общее решение неоднородного уравнения. Будем рассматривать параметры C₁ и C₂ как функции от переменной x. Производные этих функций определяются из системы уравнений

В результате получаем общее решение неоднородного уравнения в виде

Лекция 20.

Линейная зависимость и независимость системы функций. Определитель Вронского, его свойства. Фундаментальная система решений однородного линейного дифференциального уравнения. Общее решение однородного уравнения.

Определение 20.1. Функции у₁(х), у₂(х),…, у_п(х) называются линейно зависимыми на некотором отрезке [a,b], если существуют такие числа α₁, α₂,…, α_п, хотя бы одно из которых не равно нулю, что

на рассматриваемом отрезке. Если же равенство (20.1) справедливо только при всех α_i=0, функции у₁(х), у₂(х),…, у_п(х) называются линейно независимымина отрезке [a,b].

1. Функции 1, x, x², …, x n линейно независимы на любом отрезке, так как равенство α₁ + α₂x + α₃x² + … + α_n+1x n = 0 справедливо только при всех α_i= 0. Иначе в левой части равенства стоял бы многочлен степени не выше п, который может обращаться в нуль не более, чем в п точках рассматриваемого отрезка.
2. Линейно независимой на любом отрезке является система функций . Если предположить, что эта система линейно зависима, то существуют такие числа α₁, α₂,…, α_п(пусть для определенности ), что . Разделим полученное равенство на и продифференцируем: . Проделав эту операцию п-1 раз, придем к равенству , что невозможно, так как по предположению .
3. Подобным образом можно доказать линейную независимость системы функций

Определение 20.2. Определитель вида

(20.2)

называется определителем Вронскогосистемы функций у₁, у₂,…, у_п.

Теорема 20.1. Если функции у₁, у₂,…, у_п линейно зависимы на отрезке [a,b], то их определитель Вронского на этом отрезке тождественно равен нулю.

которая по условию должна иметь нетривиальное решение при любом х из отрезка [a,b], а это возможно только в том случае, если главный определитель этой системы (см. правило Крамера) равен нулю. Поскольку этот главный определитель является определителем Вронского для выбранной системы функций, теорема доказана.

Теорема 20.2. Если линейно независимые функции у₁, у₂,…, у_п являются решениями линейного однородного уравнения (19.2) с непрерывными на отрезке [a,b] коэффициентами, то определитель Вронского для этих функций не может обратиться в нуль ни в одной точке отрезка [a,b].

Пусть Выберем числа , не все равные нулю, так, чтобы удовлетворялась система уравнений

(20.3)

(Определитель этой системы, неизвестными в которой считаем , равен W(x₀) и, следовательно, равен нулю, поэтому система имеет ненулевое решение). Тогда по условию теоремы — решение уравнения (19.2) с нулевыми начальными условиями , что следует из системы (20.3). Очевидно, что этим условиям удовлетворяет нулевое решение:

, (20.4) а по теореме существования и единственности это решение единственно. Но при этом из равенства (20.4) следует, что функции у₁, у₂,…, у_п линейно зависимы, что противоречит условиям теоремы. Следовательно, ни в одной точке отрезка [a,b].

Замечание. В теореме 20.2 важно, что функции у₁, у₂,…, у_п – решения уравнения (19.2). Для произвольной системы функций утверждение теоремы не справедливо.

Теорема 20.3. Общим решением на [a,b] уравнения (19.2) с непрерывными коэффициентами p_i является линейная комбинация (20.5) п линейно независимых на [a,b] частных решений y_i с произвольными постоянными коэффициентами.

Доказательство. Для доказательства теоремы с учетом теоремы существования и единственности достаточно показать, что можно подобрать постоянные c_i так, чтобы удовлетворялись произвольно заданные начальные условия:

, (20.6) где х₀ – произвольная точка отрезка [a,b].

Подставив в равенства (20.6) выражение для у вида (20.5), получим линейную систему из п уравнений относительно неизвестных с₁, с₂,…, с_п:

,

определителем которой является определитель Вронского для выбранных п линейно независимых решений рассматриваемого уравнения, который по теореме 20.2 не равен нулю. Следовательно, по правилу Крамера система имеет решение при любых правых частях. Теорема доказана.

Следствие. Максимальное число линейно независимых решений однородного уравнения (19.2) равно его порядку.

Определение 20.3. Любые п линейно независимых решений однородного линейного уравнения (19.2) называются его фундаментальной системой решений.

Таким образом, общее решение уравнения (19.2) является линейной комбинацией любой его фундаментальной системы решений.

Однородные линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Построение фундаментальной системы решений. Неоднородные линейные дифференциальные уравнения. Частное и общее решения.

Определим вид частных решений однородного линейного уравнения

, (21.1)

в котором коэффициенты a_i постоянны. Можно показать, что они имеют вид , где k – постоянная. Действительно, при этом , и после подстановки в уравнение (21.1) получаем:

,

или, после сокращения на e kx ,

— (21.2)

так называемое характеристическое уравнение для уравнения (21.1). Числа k, являющиеся его решениями, при подстановке в функцию дают частные решения уравнения (21.1). Исследуем различные возможности количества и вида решений характеристического уравнения.

1. Все корни уравнения (21.2) действительны и различны: k₁, k₂,…, k_n . Тогда они задают максимально возможное количество линейно независимых решений уравнения (21.1) (их линейная независимость показана в примере 2 лекции 20), то есть определяют фундаментальную систему решений. Следовательно, в этом случае общее решение уравнения (21.1) может быть записано в виде: . Пример. Общее решение уравнения можно найти, решив характеристическое уравнение . Разложим левую часть на множители: . Следовательно, корни характеристического уравнения: . Поэтому общее решение исходного уравнения имеет вид: .
2. Корни уравнения (21.2) различны, среди них есть комплексные. При этом, как было показано ранее, они образуют пары комплексно сопряженных чисел. При этом решения уравнения (21.1), соответствующие паре комплексно сопряженных решений уравнения (21.2) и , имеют вид и и могут быть заменены двумя действительными решениями: действительной и мнимой частями указанных решений. Следовательно, так как , решениями уравнения (21.1) будут и . Пример.
3. Характеристическое уравнение имеет кратные корни. В этом случае число линейно независимых решений предыдущих типов меньше п, и для получения фундаментальной системы нужно найти дополнительные решения иного вида. Докажем, что при наличии у характеристического уравнения корня k_i кратности α_iтакими решениями будут Предположим вначале, что выбранный кратный корень k_i = 0. Тогда характеристическое уравнение имеет вид:

,

а соответствующее дифференциальное уравнение:

.

Очевидно, что частными решениями такого уравнения будут функции 1,x, x²,…, , все производные которых порядка α_i и выше равны нулю. Кстати, линейная независимость такой системы функций показана в примере 1 лекции 20.

Пусть теперь корень характеристического уравнения k_i кратности α_i не равен нулю. Сделаем замену переменной: , тогда при подстановке в дифференциальное уравнение его линейность и однородность не нарушается, а коэффициенты изменяются, но по-прежнему остаются постоянными:

.

При этом корни характеристического уравнения

(21.3)

отличаются от корней уравнения

на слагаемое –k_i, так как при , то есть k = k_i + p. Следовательно, уравнение (21.3) имеет корень р = 0 кратности α_i , которому соответствуют линейно независимые частные решения . При обратной замене получаем набор линейно независимых решений исходного уравнения: . (21.4)

Таким образом, каждый кратный корень уравнения (21.2) задает серию линейно независимых частных решений уравнения (21.1), количество которых равно его кратности. Следовательно, вновь построена фундаментальная система решений.

Замечание. Кратные комплексно сопряженные корни задают частные решения вида .

1. Характеристическое уравнение для уравнения имеет вид (k + 1)³=0, то есть k = -1 – корень кратности 3. Следовательно, фундаментальная система решений состоит из функций , а общее решение можно записать в виде .

2. Для уравнения характеристическим уравнением является то есть (k²+4)²= 0. Следовательно, — корни кратности 2. Тогда общим решением исходного дифференциального уравнения является

.