Сторінка
1
План
- Лінійні однорідні диференціальні рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами
- Характеристичне рівняння
- Загальний розв’язок лінійного однорідного диференціального рівняння з постійними коефіцієнтами
1. Лінійні диференціальні рівняння з сталими коефіцієнтами
Такі рівняння дуже часто зустрічаються в практиці й розв’язуються досить просто. Розглянемо окремі однорідні й неоднорідні рівняння, причому для простоти опинимося детально на диференціальних рівняннях другого порядку.
1.1. Лінійні однорідні рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами
Нехай маємо диференціальне рівняння вигляду
(12.38)
де
і
- сталі числа. Знайдемо два лінійно незалежних розв’язки цього рівняння . Будемо шукати розв’язок
рівняння (12.38) у вигляді експоненти
де
- поки що невідома стала. Похідна будь-якого порядку від такої функції містить
, а це дозволяє легко знайти розв’язок (12.38).
Справді, запишемо
та
:
Підставляючи ці похідні, а також функцію
в рівняння (12.62), одержимо
Оскільки
маємо
(12.39)
Рівняння (12.39) називається характеристичним відносно рівняння (12.38). Це – квадратне рівняння. Можливі такі ситуації відносно його коренів:
1)
і
- дійсні, причому не рівні між собою числа
;
2)
і
- комплексні числа (
);
3)
і
- дійсні рівні числа
Зупинимося детально на кожному із цих трьох випадків.
1) Корені характеристичного рівняння дійсні й різні:
Відповідні частинні розв’язки
та
лінійно незалежні, бо
Загальний розв’язок рівняння (12.38) має вигляд
(12.40)
де
і
- довільні сталі.
2) Корені характеристичного рівняння – комплексні числа. Нехай
. Частинні розв’язки
і
є комплексними функціями дійсного аргументу:
або
Неважко переконатися, що функція
та
, які є відповідно дійсною та уявною частинами розв’язку
, також задовольняють рівнянню (12.38). Справді, якщо яка-небудь комплексна функція
є розв’язком рівняння (12.38) з дійсними коефіцієнтами, то
та
також задовольняють це рівняння. Це випливає з таких перетворень:
а комплексна функція тоді і тільки тоді дорівнює нулеві, коли її дійсна та уявна частини дорівнюють нулеві, що й треба було довести.
Зауважимо, що розв’язки
та
лінійно незалежні:
Отже, загальний розв’язок рівняння (12.38) у розглядуваному випадку має вигляд
(12.41)
де
і
- довільні сталі.
3) Корені характеристичного рівняння дійсні й рівні:
При цьому один частинний розв’язок знаходиться, як у випадку 1):
Другий частинний розв’язок, лінійно незалежний від першого, будемо шукати у вигляді
де
- невідома функція. Знайдемо
і
:
Інші реферати на тему «Математика»:
Теореми Ролля, Лагранжа, Коші. Правило Лопіталя. Формула Тейлора для функції однієї та двох змінних
Функціональний ряд, область його збіжності. Cтепеневі ряди. Теорема Абеля
Задача Коші. Лінійні диференціальні рівняння із сталими коефіцієнтами. Загальний та частинний розв’язки
Інтегрування раціональних дробів та виразів, що містять ірраціональності
Обчислення подвійного інтеграла в декартових і полярних координатах
