Методы решения физико-математических задач

Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами

Линейные дифференциальные уравнения высших порядков
Даны определения линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами (однородных, неоднородных и общее определение). Рассмотрены свойства их решений.

Определения

Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами
– это уравнение, линейное относительно зависимой переменной y и ее производных:
(1)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y =  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)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y = 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)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y =  f (x ) ;    f (x )  ≠ 0;  ai  = const;  an  ≠ 0 . 

Здесь все коэффициенты ai – постоянные. nпорядок уравнения.

Свойства решений линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Однородные уравнения

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение:
(2)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y = 0 . 
Общее решение такого уравнения можно записать в виде:
y = C1y1  + C2y2  + ⋅ ⋅ ⋅Cn – 1yn – 1  + Cnyn  , 
где y1 ,  y2 , ...,  yn – 1 ,  yn – линейно независимые частные решения уравнения. Каждое из них удовлетворят уравнению (2):
any (n ) i  + an – 1y (n – 1 ) i  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1yi  + a0yi  = 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
α1y1 (x )  + α2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + αn – 1yn – 1 (x )  + αnyn (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:
α1y1 (x )  + α2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + αn – 1yn – 1 (x )  + αnyn (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)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y =  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 = C1y1  + C2y2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1yn – 1  + Cnyn  + Y . 
Здесь y0  = C1y1  + C2y2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1yn – 1  + Cnyn – общее решение однородного уравнения:
any0 (n )   + an – 1y0 (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y0  + a0y0  = 0 ; 
Ci – произвольные постоянные; Y – частное (любое) решение неоднородного уравнения:
anY (n )   + an – 1Y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1Y + a0Y =  f (x )  . 

Часто встречается случай, когда неоднородная часть f (x )  может быть представлена в виде суммы функций:
f (x )  =   f1 (x )  +  f2 (x )  +  f3 (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 fi (x )   : 
anY (n ) i  + an – 1Y (n – 1 ) i  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1Yi  + a0Yi  =  fi (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:
any (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2y′′ + a1y + a0y = 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 = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cnyn (x )  . 

Ищем решение в виде y = ekx  .  Получаем характеристическое уравнение:
(4)   ankn  + an – 1kn – 1  + ⋅ ⋅ ⋅ + a2k 2  + a1k + a0  = 0 . 

Если это уравнение имеет различные корни  km  {m = 1,  2, ...,  n }  ,  то фундаментальная система решений имеет вид:
ek1x ,  ek2x , ...,  ekn – 1x ,  eknx  . 

Если имеется комплексный корень
km  = km + ik′′m
(и все коэффициенты ai действительные числа), то существует и комплексно сопряженный корень k * m  = km – ik′′m .  Этим корням соответствуют два линейно независимых решения  y = ekmx ⋅ cos (k′′mx  )  и  y = ekmx ⋅ sin (k′′mx  )  ,  которые включаем в фундаментальную систему вместо комплексных решений y =ekmx и y =ek * mx  .

Кратным корням  km  = km + 1  = ...  = km + r – 1  кратности r соответствуют r линейно независимых решений:  ekmx ,  xekmx ,   x 2ekmx , ...,  xr – 1ekmx  . 

Кратным комплексным корням  km + ik′′m = km + 1 + ik′′m + 1 =   ...  = km + r – 1 + ik′′m + r – 1  кратности r и их комплексно сопряженным значениям соответствуют 2r линейно независимых решений:  ekmx ⋅ cos (k′′mx  ) ,  ekmx ⋅ sin (k′′mx  ) ,   xekmx ⋅ cos (k′′mx  ) ,   xekmx ⋅ sin (k′′mx  ) , ..., 
  xr – 1ekmx ⋅ cos (k′′mx  ) ,   xr – 1ekmx ⋅ 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:
any (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2y′′ + a1y + a0y = eαx  ⋅ [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
any (n ) 0  + ⋅ ⋅ ⋅ + a2y′′0  + a1y0  + a0y0  = 0 . 
Затем найти частное (любое) решение Y (x )  исходного неоднородного уравнения
anY (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2Y′′ + a1Y + a0Y = eαx  ⋅ [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 +  ,  то ищем частное решение в виде:
Y (x )  = eαx  ⋅ [~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) ]  , 
где
~Ps (x )  = A0  + A1x + A2x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Asxs  ; 
~Qs (x )  = B0  + B1x + B2x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Bsxs  ; 
s – наибольшее из s1 и s2 .

Если характеристическое уравнение (4) имеет корень k = α +  кратности r ,  то ищем частное решение в виде:
Y (x )  = xr  ⋅ eαx  ⋅ [~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) ]  . 

После этого получаем общее решение:
y (x )  = y0 (x )  + Y (x )  . 

См. Решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью

Линейные неоднородные уравнения с постоянными коэффициентами

Наконец рассмотрим методы решения неоднородных уравнений с произвольной неоднородной частью:
any (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2y′′ + a1y + a0y =  f (x )  , 
где f (x )  – произвольная функция. Возможны три способа решения.

1) Метод Бернулли.
Сначала находим любое, отличное от нуля, решение однородного уравнения
anv (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2v′′ + a1v + a0v = 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 – k1y , 
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 = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ +  Cnyn (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

anxny (n )   + an – 1xn – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a2x 2y′′ + a1xy + a0y =  f (x ) 
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = et  . 
Однако, для решения уравнения Эйлера, делать такую подстановку нет необходимости. Можно сразу искать решение однородного уравнения в виде
y = xk  . 
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:

Меню