Разностный метод решения дифференциальных уравнений 2 порядка

Примеры решений дифференциальных уравнений второго порядка методом Лагранжа

Здесь мы применим метод вариации постоянных Лагранжа для решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка. Подробное описание этого метода для решения уравнений произвольного порядка изложено на странице
Решение линейных неоднородных дифференциальных уравнений высших порядков методом Лагранжа >>> .

Пример 1

Решить дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами методом вариации постоянных Лагранжа:
(1)

Шаг 1. Решение однородного уравнения

Вначале мы решаем однородное дифференциальное уравнение:
(2)
Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение:

Это уравнение второго порядка.

Решаем квадратное уравнение:
.
Корни кратные: . Фундаментальная система решений уравнения (2) имеет вид:
(3) .
Отсюда получаем общее решение однородного уравнения (2):
(4) .

Шаг 2. Вариация постоянных – замена постоянных функциями

Варьируем постоянные C ₁ и C ₂ . То есть заменим в (4) постоянные и на функции:
.
Ищем решение исходного уравнения (1) в виде:
(5) .

Находим вторую производную:
.
Подставляем в исходное уравнение (1):
(1) ;

.
Поскольку и удовлетворяют однородному уравнению (2), то сумма членов в каждом столбце последних трех строк дает нуль и предыдущее уравнение приобретает вид:
(7) .
Здесь .

Вместе с уравнением (6) мы получаем систему уравнений для определения функций и :
(6) :
(7) .

Решение системы уравнений

Решаем систему уравнений (6-7). Выпишем выражения для функций и :
.
Находим их производные:
;
.

Решаем систему уравнений (6-7) методом Крамера. Вычисляем определитель матрицы системы:

.
По формулам Крамера находим:
;
.

Итак, мы нашли производные функций:
;
.
Интегрируем (см. Методы интегрирования корней). Делаем подстановку
; ; ; .

Общее решение исходного уравнения:

;
.

Пример 2

Решить дифференциальное уравнение методом вариации постоянных Лагранжа:
(8)

Шаг 1. Решение однородного уравнения

Решаем однородное дифференциальное уравнение:

(9)
Ищем решение в виде . Составляем характеристическое уравнение:

Это уравнение имеет комплексные корни:
.
Фундаментальная система решений, соответствующая этим корням, имеет вид:
(10) .
Общее решение однородного уравнения (9):
(11) .

Шаг 2. Вариация постоянных – замена постоянных функциями

Теперь варьируем постоянные C ₁ и C ₂ . То есть заменим в (11) постоянные на функции:
.
Ищем решение исходного уравнения (8) в виде:
(12) .

Далее ход решения получается таким же, как в примере 1. Мы приходим к следующей системе уравнений для определения функций и :
(13) :
(14) .
Здесь .

Решение системы уравнений

Решаем эту систему. Выпишем выражения функций и :
.
Из таблицы производных находим:
;
.

Решаем систему уравнений (13-14) методом Крамера. Определитель матрицы системы:

.
По формулам Крамера находим:
;
.

Первый интеграл немного сложней (см. Интегрирование тригонометрических рациональных функций). Делаем подстановку :

.
Поскольку , то знак модуля под знаком логарифма можно опустить. Умножим числитель и знаменатель на :
.
Тогда
.

Общее решение исходного уравнения:

.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 05-08-2013 Изменено: 19-06-2017

Разностный метод решения дифференциальных уравнений 2 порядка

Индивидуальные онлайн уроки: Отправьте запрос сейчас: irina@bodrenko.org
Математика (ЕГЭ, ОГЭ), Английский язык (разговорный, грамматика, TOEFL)
Решение задач: по математике, IT, экономике, психологии

Дифференциальные и разностные уравнения

Тема лекции: «Разностные (рекуррентные) уравнения второго порядка»

1. Линейные разностные уравнения k -го порядка.

2. Линейные разностные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

3. Модели экономической динамики с дискретным временем.

1. ЛИНЕЙНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ k -ГО ПОРЯДКА.

1.1. Определение разностного уравнения k -го порядка.

Теория разностных уравнений находит многообразные приложения во многих областях естествознания при моделировании поведения систем различной природы. Разностные уравнения обычно возникают тогда, когда рассматриваемая величина регистрируется через некоторые (как правило, равные) промежутки времени.

Например, так называемая паутинообразная модель рынка одного товара описывается разностным уравнением вида

где P_t — цена товара в период t , a и b — некоторые числа.

Уравнение (*) представляет собой линейное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами.

В задачах описания, анализа и синтеза дискретных динамических систем управления математические модели таких систем описываются разнообразными разностными уравнениями.

В современной теории нелинейных колебаний разностные уравнения появляются либо самостоятельно, либо при переходе от дифференциальных уравнений к точечным отображениям Пуанкаре. Такой переход в трехмерном случае значительно упрощает исследование.

В математике основным источником разностных уравнений являются дифференциальные уравнения. Имеются в виду разностные схемы, используемые для приближенного решения дифференциальных уравнений.

Многие факты теории линейных дифференциальных уравнений верны и для линейных разностных уравнений, хотя есть и некоторые различия. Отличие разностных уравнений от дифференциальных уравнений проявляется в наибольшей степени, когда уравнения нелинейны. Например, поведение решений одномерных разностных уравнений может быть таким же сложным, как и поведение решений многомерных разностных уравнений. Для динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями, сложное поведение имеется лишь в пространствах большой размерности ( n > 3).

Приведем простейшие примеры разностных уравнений.

Разностное уравнение второго порядка

определяет признак арифметической прогрессии. Его решением является последовательность с общим членом

где a₁ — первый член арифметической прогрессии, и d – разность арифметической прогрессии.

определяет признак геометрической прогрессии, и его решением является последовательность с общим членом

где b₁ – первый член геометрической прогрессии, q – знаменатель геометрической прогрессии.

где k − фиксированное, а n − произвольное натуральное число, y_n , y_n+1 . y_n+k – члены некоторой числовой последовательности, называется разностным уравнением k-го порядка.

Решить разностное уравнение означает найти его общее решение, т.е. все последовательности y_n = y(n) , удовлетворяющие уравнению (1).

Разностные уравнения используются в моделях экономической динамики с дискретным временем, а также для приближенного решения дифференциальных уравнений.

Между теориями разностных и дифференциальных уравнений прослеживается определенная аналогия. Если в уравнении (1) произвести формальную замену:

то определение разностного уравнения преобразуется в общее определение обыкновенного дифференциального уравнения порядка k.

Проведя формальную замену (2), нетрудно получить нормальную форму записи разностного уравнения:

Аналогичным образом определяется и задача Коши – как задача нахождения решения уравнения (3), удовлетворяющего начальным условиям:

Ниже будет показано, что решения соответствующих классов дифференциальных и разностных уравнений (например, линейных) осуществляется схожими методами.

Теорема 1. Решение y_n = y(n) задачи Коши (3), (4) при n ≥ n₀ определено однозначно.

Доказательство. Подставляя значения для y(n₀) , y(n₀+1) , . , y (n₀+ k−1) из (4) в (3), мы находим y(n₀+k) . Это, в свою очередь, дает нам возможность определить y(n₀+k+1) .

Продолжая этот процесс, можно рекуррентным способом по формуле (3) найти любое значение y(n) при n ≥ n₀ . Теорема доказана.

Следует, однако, заметить, что нахождения общего решения разностного уравнения в отличие от задачи Коши является гораздо более сложной задачей.

1. 2. Линейные разностные уравнения k -го порядка.

Определение 2. Разностное уравнение вида

где a₀ ,a₁ . a_k , f − некоторые функции от n (a₀ ≠ 0, a_k ≠ 0), называется линейным разностным уравнением k-го порядка.

Условие a₀ ≠ 0 для всех n является существенным в определении линейного разностного уравнения первого порядка. Например, линейное разностное уравнение вида

не считается уравнением первого порядка, поскольку замена к+1 = m дает уравнение

которое условно можно назвать разностным уравнением нулевого порядка.

Введем следующее обозначение:

Это выражение называется линейным разностным оператором k-го порядка .

С учетом этих обозначений уравнение (6) может быть записано в виде:

называется линейным однородным разностным уравнением, соответствующим уравнению (7). Само же уравнение (7) (при f(n) ≠ 0) называется неоднородным .

Имеют место следующие утверждения.

Теорема 2 (об общем решении линейного неоднородного уравнения).

Общее решение линейного неоднородного разностного уравнения (7) есть сумма частного решения ȳ (n) этого уравнения и общего решения y ₀( n ) соответствующего ему однородного уравнения (8).

Теорема 3 (об общем решении линейного однородного уравнения).

Пусть у (1) (n), . у (k) (n) – система, состоящая из k линейно независимых решений линейного однородного разностного уравнения (8), тогда общее решение этого уравнения задается формулой:

Множество решений линейного однородного разностного уравнения k-го порядка образует k- мерное линейное пространство, а любой набор у (1) (n), . у (k) (n) из k линейно независимых решений (называемый фундаментальным набором) является его базисом.

Признаком линейной независимости решений у (1) (n), . у (k) (n) однородного уравнения является неравенство нулю определителя Казорати:

∆ = det y n (1) ⋯ y n ( k ) ⋮ ⋱ ⋮ y n + k (1) ⋯ y n + k ( k ) , (10)

который является аналогом определителя Вронского в теории обыкновенных дифференциальных уравнений.

1.3. Линейные однородные разностные уравнения с постоянными коэффициентами k -го порядка.

В случае, когда коэффициенты a₀ , a₁ . a_k являются постоянными, методы решения линейного однородного разностного уравнения

во многом аналогичны методам решения дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Действительно, будем искать решения уравнения в виде:

где λ ≠ 0 – некоторая постоянная. Подставляя выражение для y_n из (12) в (11), находим:

a_k λ n + k + a_{k −1} λ n + k −1 + … + a ₁ λ n +1 + a ₀ λ n = 0 .

Разделим обе части этого уравнения на λ n , получим:

Уравнение (13) называется характеристическим уравнением однородного линейного разностного уравнения.

Так же, как и в случае линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, знание корней характеристического уравнения, позволяет построить общее решение однородного разностного уравнения.

2. ЛИНЕЙНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА

С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ.

Рассмотрим линейное разностное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Построим решения этого уравнения в зависимости от значения D = b 2 − 4 ac . Однако заметим, что полученные в этом случае результаты могут быть без труда перенесены на случай уравнений более высокого порядка.

В зависимости от значения дискриминанта

a λ 2 + b λ + c = 0 (15)

возможны следующие случаи.

Характеристическое уравнение (15) имеет два действительных и различных корня – λ₁ и λ₂ . Тогда λ₁ ≠ 0 и λ₂ ≠ 0 . Действительно, если хотя бы один корень равен нулю, то коэффициент приведенного квадратного уравнения (15`) c / a = λ₁ λ₂ также будет равен нулю, что противоречит определению линейного разностного уравнения второго порядка.

Корням λ₁ и λ₂ характеристического уравнения соответствуют два решения:

Покажем, что эти решения линейно независимы. Для этого вычислим определитель Казорати

∆ = det y n (1) ⋯ y n ( k ) ⋮ ⋱ ⋮ y n + k (1) ⋯ y n + k ( k )

В данном случае получим

∆ = λ 1 n λ 2 n λ 1 n +1 λ 2 n +1 = λ 1 n λ 2 n +1 — λ 2 n λ 1 n +1 = λ 1 n λ 2 n λ 2 — λ 1 .

Так как корни λ₁ и λ₂ различны, то λ₂ − λ₁ ≠ 0 , следовательно, ∆ ≠ 0 , а значит, решения линейно независимы.

В этом случае общее решение уравнения имеет вид:

где C₁ , C₂ – произвольные постоянные.

Решение примера 3.

Составим характеристическое уравнение, имеем:

Оно имеет два действительных различных корня: λ₁ = 1 , λ₂ = − 5 . Поэтому общее решение исходного уравнения в силу формулы (16) имеет вид:

Решение примера 4.

Составим характеристическое уравнение, имеем:

Оно имеет два действительных различных корня: λ₁ = 3 , λ₂ = 2 . Поэтому общее решение исходного уравнения в силу формулы (16) имеет вид:

Характеристическое уравнение имеет два комплексно сопряженных корня: λ₁ и λ₂ ,

которые, используя тригонометрическую форму записи, могут быть представлены следующим образом:

где r – модуль λ₁ , а φ – его аргумент:

Соответствующие решения разностного уравнения также комплексно сопряжены и на основании формулы Муавра имеют вид:

y (1) _n = r n (cos n φ + i sin n φ ) , y (2) _n = r n (cos n φ − i sin n φ ) .

Чтобы получить действительные решения, заменим y n ( 1 ) и y n ( 2 ) их линейными комбинациями:

Таким образом, мы получили два линейно независимых действительных решения:

z (1) _n = r n cos(n φ ) , z (2) _n = r n sin(n φ ) .

Таким образом, в данном случае общее решение имеет вид:

y(n) = r n ( C₁ cos (n φ )+ C₂ sin (n φ ) ) . (17)

Решение примера 5.

имеет два комплексно сопряженных корня –

которые могут быть записаны как:

λ ₁ = 2 (cos ( π /3) + i sin( π /3)), λ ₂ = 2 (cos ( π /3) – i sin( π /3))

Следовательно, общим решением исходного уравнения в силу формулы (17) будет:

Оба корня характеристического уравнения действительны и равны ( λ₁ = λ₂ = λ ) .

Покажем, что в этом случае кроме решения

существует еще одно решение, линейно независимое с y _n (1) .

Действительно, нетрудно убедится, что таковым является:

Сначала докажем, что y_n (2) является решением уравнения (14).

В самом деле, подставляя выражение для y_n (2) в уравнение (14) , получим:

a(n+2) λ n+2 + b(n+1) λ n+1 + cn λ n = λ n (a (n+2) λ 2 + b(n+1) λ + cn) =

= λ n (n (a λ 2 + b λ + c) + 2a λ 2 + b λ ) = 0

Последнее равенство получим в силу того, что aλ 2 + bλ + c = 0 и λ = − b /2 a .

Вычислим теперь определитель Казорати, мы имеем:

∆ = λ n n λ n λ n +1 ( n +1) λ n +1 = λ 2 n +1 ≠ 0 .

так как λ ≠ 0 . Следовательно, частные решения y_n (1) и y_n (2) линейно независимы, и общее решение уравнения (147) имеет вид:

Решение примера 6.

имеет единственный действительный корень

λ = − 3 . Следовательно, общее решение исходного уравнения таково:

Для нахождения решения неоднородного линейного разностного уравнения, так же как и в случае линейных дифференциальных уравнений, используется метод неопределенных коэффициентов, основанный на подборе частного решения неоднородного уравнения по виду правой части f(n) .

Проиллюстрируем нахождение решения неоднородного линейного разностного уравнения на примерах.

Решение примера 7.

Будем искать частное решение в виде:

Подставляя это выражение в наше уравнение (19), получим:

p (25 + 10 – 3)5 n = 64 ∙ 5 n .

Следовательно, p = 2, а значит, y*(n) = 2 ∙ 5 n .

Решая характеристическое уравнение

Общее решение однородного уравнения имеет вид:

Таким образом, общее решение неоднородного уравнения (19) имеет вид:

y( n +2) – 7y( n +1) + 10y( n ) = 4 ∙ 6 n . (20)

Решение примера 8.

Для нахождения общего решения соответствующего однородного уравнения составим характеристическое уравнение:

Для нахождения частного решения y*( n ) исходного уравнения воспользуемся методом неопределенных коэффициентов. Будем искать

Подставляя это выражение в данное уравнение (20), получим:

p6 n+2 –7 p6 n+1 + 10 p6 n = 4 ∙ 6 n .

p 6 n (36 – 42 +10) = 4 ∙ 6 n .

Следовательно, p = 1, а значит, частное решение уравнения (20) имеет вид:

Складывая общее решение соответствующего однородного уравнения и частное решение неоднородного уравнения (20), получаем общее решение уравнения:

y ( n ) = 6 n + С₁ 5 n + С₂ 2 n .

3. МОДЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ С ДИСКРЕТНЫМ ВРЕМЕНЕМ

3.1. Модель делового цикла Самуэльсона–Хикса

Рассмотрим пример, иллюстрирующий применение разностных уравнений второго порядка. Для этого мы рассмотрим модель делового цикла Самуэльсона – Хикса (динамический вариант модели Кейнса). Эта модель основывается на принципе акселерации, то есть на предположении, что объемы инвестирования прямо пропорциональны приросту национального дохода. Данное предположение характеризуется следующим уравнением:

где коэффициент V > 0 − фактор акселерации, I (t) – величина инвестиций в период t, Y (t−1) , Y (t−2) – величины национального дохода соответственно в (t−1) -м и (t−2) -м периодах.

Предполагается также, что спрос на данном этапе зависит от величины национального дохода на предыдущем этапе, то есть:

C(t) = aY(t−1) + b . (22)

Условие равенства спроса и предложения имеет вид:

Подставляя в (23) выражение для I (t) из (21) и выражение для C(t) из (22), находим:

Y(t) = (a+V)Y(t−1) − VY(t−2) + b . (24)

Уравнение (24) известно, как уравнение Хикса.

Если предположить, что на протяжении рассматриваемых периодов величины a и V постоянны, то уравнение Хикса представляет собой неоднородное линейное разностное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами.

Мы можем легко найти частное решение уравнения (24), если положим, что:

Y (t) = Y(t−1) = Y(t−2) = Y* , (25)

т.е. использовав в качестве частного решения равновесное решение Y* = const .

Из (24) в силу (25) имеем:

Выражение (1−a) −1 в формуле (26) носит название мультипликатора Кейнса и является одномерным аналогом матрицы полных затрат.

Рассмотреть модель Самуэльсона–Хикса при условии, что

a = 0,5 ; V = 0,5; b = 4 .

Найти общее решение уравнения Хикса.

Решение примера 9.

В этом случае уравнение (24) принимает вид:

Y(t) − Y(t−1) + 0,5 Y(t−2) = 4 .

Его частным решением (в силу формулы (26)) будет:

Y * (t) = b /(1- a ) = 4/(1 — 0,5) = 8.

Найдем корни характеристического уравнения

λ _1,2 = (1 ± i)/2 = (1/ √ 2) (cos ( π /4) ± i sin ( π /4)) .

Таким образом, общим решением соответствующего однородного уравнения является:

Следовательно, общим решением уравнения будет:

В зависимости от значений а и V возможны четыре типа динамики. Она может быть растущей или затухающей и при этом иметь или не иметь колебательный характер. Так, в рассмотренном выше примере динамика носила колебательный характер с возрастающей амплитудой.

Рассмотреть модель Самуэльсона – Хикса при условии, что

a = 0,48, V = 0,72, b = 1,3.

Найти общее решение уравнения Хикса.

Решение примера 10.

В данном случае уравнение (24) имеет вид

Y(t) – 1,2Y (t−1) + 0,72 Y(t−2) = 1,3 .

Его частным решением (в силу формулы (26)) будет:

y * (t) = b /(1- a ) = 1,3/(1 — 0,48) = 2,5.

Напишем характеристическое уравнение:

λ 2 – 1,2 λ + 0,72 = 0 .

λ_1,2 = 0,6 ± 0,6 i = 0,6 √ 2 ( cos ( π /4) ± i sin ( π /4)).

Общее решение соответствующего однородного уравнения есть

Ŷ ₀( t ) = (0,6 √ 2) t ( С₁ cos ( t π/4) + С₂ sin (t π/4) ).

Получаем общее решение данного уравнения:

В рассмотренном примере динамика носит колебательный характер с затухающей амплитудой. Очевидно, при комплексных сопряженных корнях характеристического уравнения, по модулю превышающих единицу, динамика была бы растущей. Вообще,

в зависимости от значений a и V динамика может быть растущей или затухающей и при этом иметь или не иметь колебательный характер.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Васенкова Е.К., Волкова Е.С, Шандра Е.Г. Математика для экономистов. Дифференциальные и разностные уравнения: Курс лекций. М.: Финансовая академия, 2003. 116 с.

[2] Клюшин В. Л. Высшая математика для экономистов: Учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2009. — 448 с. — (Учебники РУДН).

[3] Красс М.С., Чупрынов Б.П. Основы математики и ее приложения в экономическом образовании: Учебник. — 2-е изд., испр. — М.: Дело, 2001. — 688 с.

[4] Ласунский А.В. Разностные уравнения: Конспект лекций. ФГБОУ ВПО «Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого», Великий Новгород, 2011.– 62с.

[5] Романко В.К . Разностные уравнения. Учебное пособие. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 112 с.

Разностный метод решения дифференциальных уравнений 2 порядка

Линейным называется дифференциальное уравнение n -го порядка , если оно 1-ой степени относительно искомой функции y ( x ) и ее производных , то есть имеет вид:

Если коэффициент P ₀ ( x ) ≠ 1, то на него можно поделить и после соответствующих переобозначений получить:

Уравнение (8.43) называется уравнением с переменными коэффициентами. Предположим, что в нем функции , непрерывны на интервале . Тогда для уравнения (8.43) на данном интервале имеет место задача Коши, сформулированная нами ранее.

Примечание. Частным случаем (8.43) является линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка с переменными коэффициентами:

Если в уравнении (8.43) f ( x ) ≡ 0, то оно называется однородным, если f ( x ) ≠ 0, то неоднородным.

Теорема 8.3 (о структуре общего решения линейного неоднородного ДУ). Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения представляет собой сумму общего решения соответствующего однородного и некоторого частного решения неоднородного уравнения . Запишем коротко:

Однородное дифференциальное уравнение, соответствующее неоднородному уравнению (8.43), имеет вид:

Пусть в уравнении (8.45) функции . Тогда оно принимает вид:

и называется линейным однородным дифференциальным уравнением n -го порядка с постоянными коэффициентами , где – функции, n раз дифференцируемые.

Рассмотрим решения уравнений (8.45) и (8.46). Обозначим полную совокупность их линейно независимых решений через . Тогда, по свойству решений однородного уравнения, их линейная комбинация также является решением уравнения (8.45) и (8.46), т о есть общее решение может быть записано в виде:

где c_i – константы интегрирования.

Перейдем к конструированию функций . Какого они вида? Так как эти функции в уравнениях (8.45) и (8.46) n раз дифференцируемы, то их конструкция при дифференцировании не меняется. Это возможно в случае экспоненциального вида функций, то есть при

где , . Отсюда, линейная комбинация функций (8.48):

– также решение уравнений (8.45) и (8.46).

Рассмотрим одну из функций (8.48) – функцию y = e λx как решение для уравнения (8.46) с постоянными коэффициентами. Продифференцируем ее n раз:

Так как e λx ≠ 0 , то ( 8.50)

–алгебраическое уравнение n -ой степени относительно λ, называемое характеристическим уравнением для уравнения (8.46). Известно, что уравнение n -ой степени имеет равно n корней как действительных, так и комплексных, с учетом их кратности. Значит, характеристическое уравнение (8.50) дает нам n значений числа λ, ранее обозначенных нами через , которые при подстановке в (8.49) приводит нас к окончательному виду общего решения линейного однородного дифференциального уравнения (8.46) с постоянными коэффициентами.

Рассмотрим наиболее распространенный частный случай уравнения (8.46) – его аналог 2-го порядка:

Для данного уравнения характеристическое уравнение (8.50) принимает вид:

Уравнение (8.52) является квадратным относительно λ. В зависимости от дискриминанта D характеристического уравнения рассматривают три случая, приведенных в таблице 8.1.

Пример 8.17. Найти общее решение уравнений:

а) Составляем характеристическое уравнение λ 2 +2 λ – 15 = 0. Корнями этого уравнения будут λ ₁ = –5 и λ ₂ = 3 . Тогда, применяя (8.53), получаем общее решение: y=C ₁ e – 5x +C ₂ e 3x .

б) Составляем характеристическое уравнение λ 2 – 16 λ + 64 = 0.

Решая это уравнение, получим λ ₁ = λ ₂ = 8 . Так как корни равные, то, применяя (8.54), будем иметь:

в) Характеристическое уравнение λ 2 – 4 λ + 13 = 0 имеет комплексные корни λ ₁ = 2+3 i и λ ₂ = 2 –3 i . Положив в (8.55) α=2 и β = 3, получим общее решение: .

г) Характеристическое уравнение λ 2 +9 = 0 имеет корни λ 1;2 = ± 3 i . П олагая в (8.55) α=0 и β = 3, получим общее решение

Рассмотрим теперь линейное неоднородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами:

Теорема 8.4. Пусть задано линейное дифференциальное неоднородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами и п равой частью специального вида

1. Если не является корнем характеристического уравнения соответствующего однородного уравнения, то частное решение уравнения (8.57) имеет вид:

где – многочлены общего вида (с неопределенными коэффициентами).

2. Если – корень характеристического уравнения кратности s , то частное решение уравнения (8.57) имеет вид:

– многочлены общего вида

Рассмотрим в таблице 8.2 некоторые случаи составления частного решения линейного неоднородного дифференциального уравнения (8.57) по специальному виду его правой части.

Пример 8.18. Найти общее решение уравнения .

Решение. Найдем общее решение соответствующего однородного ДУ: . Х арактеристическое уравнение λ 2 +2 λ +1 = 0 имеет корень λ₁ = 1 кратности 2 (смотри таблицу 8.1). Значит, y_{o . o .} = c ₁ ∙ e x + c ₂ ∙ x ∙ e x . Находим частное решение исходного уравнения. В нем правая часть x –4=( x –4)∙ e 0∙ x есть формула вида P ₁ ( x )∙ e 0∙ x , причем α= 0 не является корнем характеристического уравнения: α ≠ λ . Поэтому согласно формуле (8.58), частное решение y _ч.н. ищем в виде y _ч.н. = Q ₁ ( x )∙ e 0∙ x , т.е. y _ч.н. = Ax + B , где A и B – неопределенные коэффициенты. Тогда

Пример 8.19. Решить уравнение .

уравнения . Характеристическое уравнение λ 2 – 4 λ +13 = 0 имеет корни λ₁ = 2+3 i , λ 2 = 2 –3 i (смотри таблицу 8.1). Следовательно, .

Находим частное решение y _ч.н. . Правая часть неоднородного уравнения в нашем случае имеет вид

Отсюда, сравнивая коэффициенты при косинусе и синусе, имеем . Следовательно, A = 1, B = – 3 . Поэтому . И наконец, с учетом теоремы 8.3 получаем общее решение заданного линейного неоднородного ДУ в виде:

Пример 8.20. Найти частное решение уравнения , удовлетворяющее начальным условиям .

Решение . Находим общее решение однородного уравнения . Характеристическое уравнение λ 2 – λ – 2 = 0 имеет два корня λ ₁ = –1 и λ ₂ = 2 (смотри таблицу 8.1) ; тогда y_{o . o .} = C ₁ ∙ e – x + C ₂ ∙ e 2 x – общее решение соответствующего однородного ДУ.

В правой части заданного уравнения имеется показательная функция. Так как в данном случае α=2 совпадает с одним из корней характеристического уравнения, то частное решение следует искать в виде функции Axe 2 x . Таким образом, y _ч.н. = Axe 2 x . Дифференцируя дважды это равенство, по лучим: . Подставим y _ч.н. и ее производные в левую часть заданного уравнения и найдем коэффициент A : . Следовательно, частное решение y _ч.н. = 3xe 2 x , общее решение

Используя начальные условия, определим значения произвольных постоянных C ₁ и C ₂ . Дифференцируя общее решение (8.60), получим:

Подставим в общее решение (8.60) значения x = 0 и y = 2, будем иметь 2 = C ₁ + C ₂ . Подставим в выражение для значения x = 0 и , будем иметь: 13 = – C 1 +2 C 2 +3 ; 10 = – C 1 + C 2 . Из этих уравнений составим систему , из которой находим: C 1 = – 2 и C 2 =4 . Таким образом, есть то частное решение, которое удовлетворяет заданным начальным условиям

Теорема 8.5 (о наложении решений). Если правая часть уравнения (8.56) представляет собой сумму двух функций: , а y _{1 ч.н.} и y _{2 ч.н.} – частные решения уравнений и соответственно, то функция

является частным решением данного уравнения