Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Данная статья рассматривает способы решения линейных дифференциальных однородных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами вида y » + p y ‘ + q y = 0 с p и q являющимися действительными числами. Будет рассмотрена теория с приведением примеров с подробным решением.

Перейдем к формулировке теоремы, которая показывает, какого вида должно быть уравнение, чтобы можно было искать общее решение ЛОДУ.

Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

Теорема общего решения линейного однородного дифференциального уравнения

Общим решением линейного однородного дифференциального уравнения вида y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 0 ( x ) · y = 0 с непрерывными на интервале интегрирования x коэффициентами f 0 ( x ) , f 1 ( x ) , . . . , f n — 1 ( x ) определяют линейную комбинацию вида y 0 = ∑ j = 1 n C j · y j , где y j , j = 1 , 2 , . . . , n являются линейно независимыми частными решениями ЛОДУ на интервале x , где C j , j = 1 , 2 , . . . , n берут за произвольные постоянные.

Отсюда получаем, что общее решение такого уравнения y » + p y ‘ + q y = 0 может быть записано как y 0 = C 1 ⋅ y 1 + C 2 ⋅ y 2 , где y 1 и y 2 выражаются линейно независимыми решениями, а С 1 и C 2 – произвольными постоянными. Необходимо поработать с нахождением частных решений y 1 и y 2 .

Существует формула по Эйлеру для поиска частных решений вида y = e k · x .

Если взять y = e k · x за частное решение ЛОДУ второго порядка с постоянными коэффициентами y » + p y ‘ + q y = 0 , тогда, используя подстановку, получим тождество вида:

e k · x » + p · e k · x ‘ + q · e k · x = 0 k 2 · e k · x + p · e k · x + q · e k · x = 0 e k · x · ( k 2 + p · k + q ) = 0 k 2 + p · k + q = 0

Данное тождество называют характеристическим уравнением с постоянными коэффициентами k 1 и k 2 , которые и являются его решениями и определяют частые решения вида y 1 = e k 1 · x и y 2 = e k 2 · x заданного ЛОДУ.

При различных значениях p и q можно получить характеристические уравнения с корнами такого вида:

  1. Действительные и различные k 1 ≠ k 2 , k 1 , k 2 ∈ R .
  2. Действительные и совпадающие k 1 = k 2 , = k 0 , k 0 ∈ R .
  3. Комплексно сопряженную пару k 1 = α + i · β , k 2 = α — i · β .

Первый случай показывает, что решениями такого уравнения могут быть y 1 = e k 1 · x и y 2 = e k 2 · x , а общее решение принимает вид y 0 = C 1 · e k 1 · x + C 2 · e k 2 · x с постоянными коэффициентами. Функции y 1 = e k 1 · x и y 2 = e k 2 · x рассматриваются, как линейно независимыми по причине отличного от нуля определителя Вронского W ( x ) = y 1 y 2 y 1 ‘ y 2 ‘ = e k 1 · x e k 2 · x k 1 · e k 1 · x k 2 · e k 2 · x = e k 1 · x · e k 2 · x · k 2 — k 1 с действительными k 1 ≠ k 2 , k 1 , k 2 ∈ R .

Второй случай объясняет, что первым частным решением функции – это выражение y 1 = e k 0 · x . Вторым частным решением можно брать y 2 = x · e k 0 · x . Определим, что y 2 = x · e k 0 · x может являться частным решением ЛОДУ второго порядка с постоянными коэффициентами y » + p y ‘ + q y = 0 и докажем линейную независимость y 1 и y 2 .

Имеем, что k 1 = k 0 и k 2 = k 0 являются совпадающими корнями характеристического уравнения. Тогда оно примет вид k — k 0 2 = 0 ⇔ k 2 — 2 k 0 · k + k 0 2 = 0 . Отсюда следует, что y » — 2 k 0 · y ‘ + k 0 2 · y = 0 является линейным однородным дифференциальным уравнением. Необходимо подставить выражение y 2 = x · e k 0 · x для того, чтобы убедиться в тождественности:

y 2 » — 2 k 0 · y ‘ 2 + k 0 2 · y 2 = 0 x · e k 0 · x » — 2 k 0 · x · e k 0 x ‘ + k 0 2 · x · e k 0 · x = 0 e k 0 · x + k 0 · x · e k 0 x ‘ — 2 k 0 · e k 0 · x + k 0 · x · e k 0 x + k 0 2 · x · e k 0 · x = 0 ( k 0 · e k 0 · x + k 0 · e k 0 · x + k 0 2 · x · e k 0 · x — — 2 k 0 · e k 0 · x — k 0 2 · x · e k 0 · x + k 0 2 · x · e k 0 · x ) = 0 0 ≡ 0

Отсюда следует, что y 2 = x · e k 0 · x — это частное решение данного уравнения. Необходимо рассмотреть линейную независимость y 1 = e k 0 · x и y 2 = x · e k 0 · x . Чтобы убедиться в этом, следует прибегнуть к вычислению определителя Вронского. Он не должен быть равен нулю.

W ( x ) = y 1 y 2 y 1 ‘ y 2 ‘ = e k 0 · x x · e k 0 · x e k 0 · x ‘ x · e k 0 · x ‘ = = e k 0 · x x · e k 0 · x k 0 · e k 0 · x e k 0 · x · ( 1 + k 0 · x ) = = e k 0 · x · e k 0 · x · 1 + k 0 · x — k 0 · x · e k 0 · x · e k 0 · x = e 2 k 0 · x ≠ 0 ∀ x ∈ R

Можно сделать вывод, что линейно независимые частные решения ЛОДУ второго порядка с постоянными коэффициентами y » + p y ‘ + q y = 0 считаются y 1 = e k 0 · x и y 2 = x · e k 0 · x . Это подразумевает то, что решением будет являться выражение y 0 = C 1 · e k 0 · x + C 2 · x · e k 0 · x при k 1 = k 2 = k 0 , k 0 ∈ R .

Третий случай говорит о том, что имеем дело с парой комплексных частных решений ЛОДУ вида y 1 = e α + i · β · x и y 2 = e α — i · β · x .

Запись общего решения примет вид y 0 = C 1 · e α + i · β · x + C 2 · e α — i · β · x .

Функции y 1 = e a · x · cos β x и y 2 = e a · x · sin β x могут быть записаны вместо частных решений уравнения, причем с соответствующими действительной и мнимой частями. Это понятно при преобразовании общего решения y 0 = C 1 · e α + i · β · x + C 2 · e α — i · β · x . Для этого необходимо воспользоваться формулами из теории функции комплексного переменного вида. Тогда получим, что

y 0 = C 1 · e α + i · β · x + C 2 · e α — i · β · x = = C 1 · e α · x · cos β x + i · sin β x + C 2 · e α · x · cos β x — i · sin β x = = ( C 1 + C 2 ) · e α · x · cos β x + i · ( C 1 — C 2 ) · e α · x · sin β x = = C 3 · e α · x · cos β x + C 4 · e α · x · sin β x

Отчетливо видно, что С 3 и С 4 используются в качестве произвольных постоянных.

Видео:Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального  уравнения

Алгоритм нахождения общего решения линейного однородного дифференциального уравнения

Алгоритм нахождения общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 порядка с постоянными переменными вида y » + p y ‘ + q y = 0 :

  1. Запись характеристического уравнения k 2 + p ⋅ k + q = 0 .
  2. Нахождение корней характеристического уравнения k 1 и k 2 .
  3. Производим запись ЛОДУ, исходя из полученных значений с постоянными коэффициентами:
  • y 0 = C 1 · e k 1 · x + C 2 · e k 2 · x при k 1 ≠ k 2 , k 1 , k 2 ∈ R ;
  • y 0 = C 1 · e k 0 · x + C 2 · x · e k 0 · x при k 1 = k 2 = k 0 , k 0 ∈ R ;
  • y 0 = e α · x · ( C 1 · cos β x + C 2 · sin β x ) при k 1 = α + i · β , k 2 = α — i · β .

Найти общее решение заданного уравнения с постоянными коэффициентами y » + 4 y ‘ + 4 y = 0 .

Решение

Следуя алгоритму, необходимо записать характеристическое уравнение k 2 + 4 ⋅ k + 4 = 0 , после чего обозначить его корни. Получаем, что

k 2 + 4 k + 4 = 0 ( k + 2 ) 2 = 0 k 1 = k 2 = k 0 = — 2

Очевидно, что полученные корни являются совпадающими.

Ответ: Запись общего решения: y 0 = C 1 · e k 0 x + C 2 · x · e k 0 x = C 1 · e — 2 x + C 2 · x · e — 2 x .

Найти решение заданного уравнения вида y » — 5 y ‘ + 6 y = 0 .

Решение

По условию имеется ЛОДУ 2 порядка с постоянными коэффициентами. Это указывает на то, что необходимо записать характеристическое уравнение и обозначить его корни. Получим:

k 2 — 5 k + 6 = 0 D = 5 2 — 4 · 6 = 1 k 1 = 5 — 1 2 = 2 k 2 = 5 + 1 2 = 3

Видно, что корни различные и действительные. Это говорит о том, что уравнение общего вида запишется как y 0 = C 1 · e k 1 x + C 2 e k 2 x = C 1 · e 2 x + C 2 · e 3 x .

Ответ: y 0 = C 1 · e k 1 x + C 2 e k 2 x = C 1 · e 2 x + C 2 · e 3 x .

Найти общее решение дифференциального уравнения вида y » — y ‘ + 3 y = 0 .

Решение

Необходимо перейти к характеристическому уравнению ЛОДУ 2 порядка, что соответствует записи k 2 — k + 3 = 0 , после чего обозначить его корни. Тогда получим, что

D = 1 2 — 4 · 3 = — 11 k 1 = 1 + i 11 2 = 1 2 + i · 11 2 k 2 = 1 — i 11 2 = 1 2 — i · 11 2 ⇒ α = 1 2 , β = 11 2

На выходе имеем пару комплексно сопряженных корней характеристического уравнения. Отсюда следует, что общим решением является запись уравнения вида

y 0 = e a · x · ( C 1 · cos β x + C 2 · sin β x ) = = e x 2 · C 1 · cos 11 x 2 + C 2 · sin 11 2

Ответ: y 0 = e x 2 · C 1 · cos 11 x 2 + C 2 · sin 11 2 .

Видео:Линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами.Скачать

Линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами.

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Линейным называется дифференциальное уравнение n -го порядка , если оно 1-ой степени относительно искомой функции y ( x ) и ее производных Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , непрерывны на интервале Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Запишем коротко: Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

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

Пусть в уравнении (8.45) функции Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Тогда оно принимает вид:

и называется линейным однородным дифференциальным уравнением n -го порядка с постоянными коэффициентами , где Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка – функции, n раз дифференцируемые.

Рассмотрим решения уравнений (8.45) и (8.46). Обозначим полную совокупность их линейно независимых решений через Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . 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 ci – константы интегрирования.

Перейдем к конструированию функций Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , . 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка ( 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , 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.

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Пример 8.17. Найти общее решение уравнений:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

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: Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка .

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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка не является корнем характеристического уравнения соответствующего однородного уравнения, то частное решение уравнения (8.57) имеет вид:

где Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка – многочлены общего вида (с неопределенными коэффициентами).

2. Если Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка – корень характеристического уравнения кратности s , то частное решение уравнения (8.57) имеет вид:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка – многочлены общего вида Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

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

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Пример 8.18. Найти общее решение уравнения Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка .

Решение. Найдем общее решение соответствующего однородного ДУ: Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Х арактеристическое уравнение λ 2 +2 λ +1 = 0 имеет корень λ1 = 1 кратности 2 (смотри таблицу 8.1). Значит, yo . 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка .

уравнения Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Характеристическое уравнение λ 2 – 4 λ +13 = 0 имеет корни λ1 = 2+3 i , λ 2 = 2 –3 i (смотри таблицу 8.1). Следовательно, Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка .

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

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Отсюда, сравнивая коэффициенты при косинусе и синусе, имеем Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Следовательно, A = 1, B = – 3 . Поэтому Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . И наконец, с учетом теоремы 8.3 получаем общее решение заданного линейного неоднородного ДУ в виде:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Пример 8.20. Найти частное решение уравнения Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , удовлетворяющее начальным условиям Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка .

Решение . Находим общее решение однородного уравнения Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Характеристическое уравнение λ 2 – λ – 2 = 0 имеет два корня λ 1 = –1 и λ 2 = 2 (смотри таблицу 8.1) ; тогда yo . o . = C 1 ex + 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: Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . Подставим y ч.н. и ее производные в левую часть заданного уравнения и найдем коэффициент A : Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка . 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 Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка значения x = 0 и Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , будем иметь: 13 = – C 1 +2 C 2 +3 ; 10 = – C 1 + C 2 . Из этих уравнений составим систему Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , из которой находим: C 1 = – 2 и C 2 =4 . Таким образом, Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка есть то частное решение, которое удовлетворяет заданным начальным условиям Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Теорема 8.5 (о наложении решений). Если правая часть уравнения (8.56) представляет собой сумму двух функций: Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка , а y 1 ч.н. и y 2 ч.н. – частные решения уравнений Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка и Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка соответственно, то функция

является частным решением данного уравнения Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Видео:16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами

Линейные дифференциальные уравнения второго порядка

Определение 2. Линейным дифференциальным уравнением второго порядка называется уравнение вида

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

где у — искомая функция, а /?(х), q(x) и/(х) — функции, непрерывные на некотором интервале (а, Ь).

Если/(х) — 0, то уравнение (19.10) называется линейным однородным уравнением, в противном случае оно называется линейным неоднородным уравнением. Если разрешить уравнение (19.10) относительно второй производной, то легко увидеть, что оно является частным случаем уравнения (19.2) и удовлетворяет условиям теоремы Коши. Поэтому для любых начальных условий (19.3) при х0 е (о, Ь) это уравнение имеет единственное решение задачи Коши.

Видео:Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Линейные однородные уравнения второго порядка

Рассмотрим свойства решений линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Теорема 19.2. Пусть функции у1 (х) и у2(х) — решения уравнения (19.11). Тогда функция у = С1у1 (х) + С2у2(*) также является решением этого уравнения при любых постоянных С, и С2.

Доказательство. Достаточно подставить указанную в условии теоремы функцию в уравнение (19.11) и собрать члены при С, и С2 — это будут тождества, равные нулю, поскольку по условию теоремы у<(х) и у2(х) — решения этого уравнения. ?

Понятие зависимости функций было введено в п. 16.2.1. Напомним, что функции у,(х) и у2(х) называются линейно зависимыми на (о, 6), если можно найти такие числа X, и Xj, нс равные нулю одновременно, что для любого хе (а, Ь) выполняется равенство

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

В этом случае функции у,(х) и у2(х) очевидным образом пропорциональны, например, yjy2 = -Х2/Х, = к при X, * 0 и у2(х) * 0. Обратное также верно: если две функции пропорциональны на (о, b), то они линейно зависимы на этом интервале.

Если нельзя найти двух одновременно ненулевых чисел X, и Х2, чтобы выполнялось равенство (19.12), то функции у<(х) и у2(х) называются линейно независимыми на (а, Ь). В таком случае эти функции уже не будут пропорциональными.

Введем определитель Вронского*, который для случая двух функций имеет вид

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

* Вронский Юзеф (1776—1853) — польский математик.

Теорема 19.3. Если функции ^(х) и у2(х) линейно зависимы на интервале (а, b), то определитель Вронского, составленный из них, равен нулю на этом интервале; если же функции линейно независимы на (а, Ь)> то определитель Вронского отличен от нуля на (я, Ь).

Доказательство. Пусть у, и у2 линейно зависимы на интервале (а, Ь). Тогда, как уже отмечалось, эти функции являются пропорциональными на (я, Ь)> т.е. у, = ку2, а значит, и у-ку2. Следовательно, в определителе IV(x) будут пропорциональные столбцы, что и означает его равенство нулю на интервале (а, Ь). Доказательство второй части теоремы проводится от противного.

Пустьу и у2 линейно независимы на (я, Ь) предположим, что определитель V<x) равен нулю на этом интервале. Тогда столбцы IV(х) необходимо пропорциональны, т.е. пропорциональны и данные функции, что означает их линейную зависимость на (а, Ь) и противоречие с условием теоремы. Теорема доказана. В

Оказывается, при решении уравнения второго порядка важно найти два линейно независимых решения, о чем говорится в теореме 19.4.

Теорема 19.4. Пусть решения уравнения (19.11) .у, (лг) и.у2(х) линейно независимы на (я, Ь). Тогда функция

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

где С, и С2 — произвольные постоянные, является общим решением однородного уравнения (19.11).

Доказательство. В силу теоремы 19.2 функция (19.14) является решением уравнения (19.11); нужно показать, что она представляет собой общее решение, т.е. что из этой функции можно выделить частное решение, удовлетворяющее любым начальным условиям (19.3).

Возьмем любые числа х0 € (а, b), у0 и у’0 и составим из них начальные условия для решения (19.14): Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Подставляя в левые части этих условий функцию (19.14), получим систему двух линейных уравнений относительно неизвестных чисел С, и С2:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Определителем этой системы является определитель Вронского W(x0), и в силу линейной независимости ух и у2 он не равен нулю, т.е. система имеет единственное решение С, =С,°, С22° при любых правых частях у0 и у’0. Подставляя эти значения в решение (19.14), получим частное решение, удовлетворяющее произвольно выбранным начальным условиям (19.15). Таким образом, решение (19.14) является общим для уравнения (19.11), что и требовалось доказать. ?

Рассмотрим примеры. Необходимо установить, будут ли указанные функции общими решениями уравнений (С, и С2 — произвольные постоянные).

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

т.е. функция С, sin х + С2 cos х является общим решением уравнения у» + у = 0.

Решение. По теореме 19.4 указанное решение будет общим для данного уравнения, если функции sin х и cos х являются решениями этого уравнения и линейно независимы. Поскольку (sin х)» = -sin х и (cos х)» -cos х, обе функции являются решениями данного уравнения. Для установления их линейной независимости вычислим соответствующий определитель Вронского по формуле (19.13):

Пример 5. у = Cje 2 * + Cje 3 *, у» — 5у’ + = 0.

Решение. Как и в примере 4, сначала проверяем подстановкой в данное уравнение, являются ли функции е 2 * и е 3 * его решениями:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Затем вычисляем определитель W(x), составленный из этих функций:

Теорема о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения 2 го порядка

Указанная функция является общим решением данного уравнения.

Пример 6. у = CjX 3 / 2 + С2, 2ху» = у 0 3/2 и у2 = 1 удовлетворяют данному уравнению и являются линейно независимыми, иными словами, что указанная функция представляет собой общее решение этого уравнения второго порядка.

📺 Видео

15. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

15. Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Линейные однородные дифференциальные уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентамСкачать

Линейные однородные дифференциальные уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентам

Теорема о структуре общего решения линейного неоднородного дифференциального уравненияСкачать

Теорема о структуре общего решения линейного неоднородного дифференциального  уравнения

19. Метод вариации произвольных постоянных. Линейные неоднородные диф уравнения 2-го порядкаСкачать

19. Метод вариации произвольных постоянных. Линейные неоднородные диф уравнения 2-го порядка

Однородное линейное дифференциальное уравнение. Алгоритм решенияСкачать

Однородное линейное дифференциальное уравнение. Алгоритм решения

ЛОДУ 2 порядка c постоянными коэффициентамиСкачать

ЛОДУ 2 порядка c постоянными коэффициентами

Теорема о структуре общего решения однородной системы линейных уравненийСкачать

Теорема о структуре общего решения однородной системы линейных уравнений

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами 4y''-y=x^3-24x #1Скачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами 4y''-y=x^3-24x #1

19. Общее решение линейного уравненияСкачать

19. Общее решение линейного уравнения

5. Однородные дифференциальные уравнения. Часть 2.Скачать

5. Однородные дифференциальные уравнения. Часть 2.

Видеоурок "Нахождение частных решений по виду правой части"Скачать

Видеоурок "Нахождение частных решений по виду правой части"

Решение линейного однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.Скачать

Решение линейного однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.

18. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2 порядка с постоянными коэффициентами. часть 3Скачать

18. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2 порядка с постоянными коэффициентами. часть 3
Поделиться или сохранить к себе: