Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами
Определения
- Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
- – это уравнение, линейное относительно зависимой переменной y и ее производных:
(1) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = f (x ) ; ai  = const; an  ≠ 0 .
Здесь ai  – постоянные, не зависящие от x коэффициенты. Член f (x )  называется неоднородной частью уравнения.
- Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
- – это линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами, неоднородная часть которого равна нулю:
(2) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = 0; ai  = const; an  ≠ 0 .
- Линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
- – это линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами с отличной от нуля неоднородной частью:
(3) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = f (x ) ; f (x )  ≠ 0; ai  = const; an  ≠ 0 .
Здесь все коэффициенты ai – постоянные. n – порядок уравнения.
Свойства решений линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Однородные уравнения
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение:
(2) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = 0 .
Общее решение такого уравнения можно записать в виде:
y = C1 y1  + C2 y2  + ⋅ ⋅ ⋅ Cn – 1 yn – 1  + Cn yn ,
где y1 , y2 , ..., yn – 1 , yn  – линейно независимые частные решения уравнения. Каждое из них удовлетворят уравнению (2):
an y (n ) i  + an – 1 y (n – 1 ) i  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′i  + a0 yi  = 0 .
В этом случае говорят, что функции y1 , y2 , ..., yn – 1 , yn  образуют фундаментальную систему решений линейного однородного уравнения.
- Фундаментальная система решений линейного однородного уравнения
- – это n линейно независимых функций y1 (x ) , y2 (x ) , ..., yn – 1 (x ) , yn (x )  , каждая из которых является решением этого уравнения. Здесь n – порядок уравнения.
- Линейно независимые функции
- Функции y1 (x ) , y2 (x ) , ..., yn – 1 (x ) , yn (x )  называются линейно независимыми, если соотношение
α1 y1 (x )  + α2 y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + αn – 1 yn – 1 (x )  + αn yn (x )  = 0
может выполняться только когда все постоянные α1 , α2 , ..., αn – 1 , αn  равны нулю.
- Линейно зависимые функции
- Функции y1 (x ) , y2 (x ) , ..., yn – 1 (x ) , yn (x )  называются линейно зависимыми, если между ними имеет место линейная зависимость:
α1 y1 (x )  + α2 y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + αn – 1 yn – 1 (x )  + αn yn (x )  = 0 ,
где α1 , α2 , ..., αn – 1 , αn  – постоянные, из которых хотя бы одна отлична от нуля.
Неоднородные уравнения
Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение:
(3) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = f (x )  .
Пусть Y – частное решение этого уравнения. Тогда общее решение уравнения (3) равно сумме общего решения однородного уравнения плюс частное решение неоднородного:
y = y0  + Y = C1 y1  + C2 y2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1 yn – 1  + Cn yn  + Y .
Здесь y0  = C1 y1  + C2 y2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1 yn – 1  + Cn yn  – общее решение однородного уравнения:
an y0  (n )   + an – 1 y0  (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′0  + a0 y0  = 0 ;
Ci  – произвольные постоянные; Y – частное (любое) решение неоднородного уравнения:
an Y (n )   + an – 1 Y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 Y ′ + a0 Y = f (x )  .
Часто встречается случай, когда неоднородная часть f (x )  может быть представлена в виде суммы функций:
f (x )  = f 1 (x )  + f 2 (x )  + f 3 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ .
Тогда частное решение Y также может быть представлено в виде суммы частных решений:
Y = Y1  + Y2  + Y3  + ⋅ ⋅ ⋅ ,
каждое из которых удовлетворяет уравнению с правой частью в виде одной из функций f i (x )   :
an Y (n ) i  + an – 1 Y (n – 1 ) i  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 Y ′i  + a0 Yi  = f i (x )  .
Как правило, проще найти частные решения от более простых неоднородных частей. Затем, суммируя их, получить частное решение всего уравнения.
Решение линейных уравнений с постоянными коэффициентами
Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = 0 .
Считаем, что коэффициенты ai  – действительные числа. Как указывалось выше, чтобы найти общее решение этого уравнения, нужно найти n линейно независимых решений yi (x )  {i = 1, 2, ..., n }  , которые образуют фундаментальную систему решений. Тогда общее решение определится по формуле:
y = C1 y1 (x )  + C2 y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn yn (x )  .
Ищем решение в виде y = e kx  . Получаем характеристическое уравнение:
(4) an k n  + an – 1 k n – 1  + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 k 2  + a1 k + a0  = 0 .
Если это уравнение имеет различные корни km {m = 1, 2, ..., n }  , то фундаментальная система решений имеет вид:
e k1 x , e k2 x , ..., e kn – 1 x , e kn x  .
Если имеется комплексный корень
km  = k ′m + ik ′′m
(и все коэффициенты ai  действительные числа), то существует и комплексно сопряженный корень k * m  = k ′m – ik ′′m . Этим корням соответствуют два линейно независимых решения y = e k ′mx ⋅ cos ( k ′′mx  )  и y = e k ′mx ⋅ sin ( k ′′mx  )  , которые включаем в фундаментальную систему вместо комплексных решений y = e km x  и y = e k * m x  .
Кратным корням km  = km + 1  = ... = km + r – 1  кратности r соответствуют r линейно независимых решений: e km x , xe km x , x 2 e km x , ..., x r – 1 e km x  .
Кратным комплексным корням k ′m + ik ′′m = k ′m + 1 + ik ′′m + 1 = ... = k ′m + r – 1 + ik ′′m + r – 1 кратности r и их комплексно сопряженным значениям соответствуют 2r линейно независимых решений: e k ′mx ⋅ cos ( k ′′mx  ) , e k ′mx ⋅ sin ( k ′′mx  ) , xe k ′mx ⋅ cos ( k ′′mx  ) , xe k ′mx ⋅ sin ( k ′′mx  ) , ...,
x r – 1 e k ′mx ⋅ cos ( k ′′mx  ) , x r – 1 e k ′mx ⋅ sin ( k ′′mx  )  .
См. Решение линейных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Уравнения со специальной неоднородной частью
Рассмотрим линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью следующего вида:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = e αx  ⋅ [ Ps1 (x ) cos (βx )  +  Qs2 (x ) sin (βx )  ]  ,
где Ps1 (x ) , Qs2 (x )  – многочлены степеней s1 и s2 ; α, β – постоянные.
Как указывалось выше, для получения его общего решения, нужно найти общее решение y0 (x )  однородного уравнения
an y (n ) 0  + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′0  + a1 y ′0  + a0 y0  = 0 .
Затем найти частное (любое) решение Y (x )  исходного неоднородного уравнения
an Y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 Y ′′ + a1 Y ′ + a0 Y = e αx  ⋅ [ Ps1 (x ) cos (βx )  +  Qs2 (x ) sin (βx )  ]  .
Тогда общее решение y (x )  неоднородного уравнения равно сумме общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного:
y (x )  = y0 (x )  + Y (x )  .
Сначала решаем однородное уравнение. Если характеристическое уравнение (4) не содержит корень k = α + iβ , то ищем частное решение в виде:
Y (x )  = e αx  ⋅ [~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) ]  ,
где
~Ps (x )  = A0  + A1 x + A2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + As x s  ;
~Qs (x )  = B0  + B1 x + B2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Bs x s  ;
s – наибольшее из s1 и s2 .
Если характеристическое уравнение (4) имеет корень k = α + iβ кратности r , то ищем частное решение в виде:
Y (x )  = x r  ⋅ e αx  ⋅ [~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) ]  .
После этого получаем общее решение:
y (x )  = y0 (x )  + Y (x )  .
Линейные неоднородные уравнения с постоянными коэффициентами
Наконец рассмотрим методы решения неоднородных уравнений с произвольной неоднородной частью:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = f (x )  ,
где f (x )  – произвольная функция. Возможны три способа решения.
1) Метод Бернулли.
Сначала находим любое, отличное от нуля, решение однородного уравнения
an v (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 v ′′ + a1 v ′ + a0 v = 0 .
Затем делаем подстановку
y = uv ,
где u = u (x )  – функция от переменной x . Получаем дифференциальное уравнение для u , которое содержит только производные от u по x . Делая замену z = u ′ , получаем уравнение n – 1 - го порядка.
См. Решение дифференциальных уравнений высших порядков методом Бернулли
2) Метод линейной подстановки.
Делаем подстановку
u = y ′ – k1 y ,
где k1  – один из корней характеристического уравнения (4). В результате получим линейное неоднородное уравнение с постоянными коэффициентами порядка n – 1 . Последовательно применяя такую подстановку, приведем исходное уравнение к уравнению первого порядка.
См. Понижение порядка в линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами
Пример решения ЛНДУ с действительными корнями характеристического уравнения
Пример решения ЛНДУ с комплексными корнями характеристического уравнения
3) Метод вариации постоянных Лагранжа.
В этом методе сначала решаем однородное уравнение (2), решение которого имеет вид:
y = C1 y1 (x )  + C2 y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cn yn (x )  .
Далее считаем, что постоянные Cm  являются функциями от переменной x :
y = S1 (x ) y1 (x )  + S2 (x ) y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + Sn (x ) yn (x )  .
Подставляя в исходное уравнение и накладывая на Sm (x )  некоторые ограничения, получаем уравнения, из которых можно найти функции Sm (x )  , а с ними и общее решение исходного уравнения.
См. Решение линейных неоднородных дифференциальных уравнений высших порядков методом Лагранжа
Примеры решений ЛНДУ второго порядка методом Лагранжа
Уравнение Эйлера
an x n y (n )   + an – 1 x n – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a2 x 2 y ′′ + a1 xy ′ + a0 y = f (x ) 
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = e t  .
Однако, для решения уравнения Эйлера, делать такую подстановку нет необходимости. Можно сразу искать решение однородного уравнения в виде
y = x k  .
В результате получим такие же правила, как и для уравнения с постоянными коэффициентами, в которых вместо переменной x нужно подставить ln x .
См. Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения
Примеры решений однородных дифференциальных уравнений Эйлера
Пример решения неоднородного дифференциального уравнения Эйлера методом вариации постоянных
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: Изменено: