Методы решения физико-математических задач

Понижение порядка в линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами

Понижение порядка в линейных дифференциальных уравнениях с постоянными коэффициентами
Рассмотрен способ решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами методом понижения порядка.

С помощью подстановок, линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами n-го порядка можно свести к решению n неоднородных уравнений первого порядка.

Уравнения первого порядка

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами первого порядка:
(1)   y – ay =  f (x )  . 
Наиболее просто оно решается с помощью интегрирующего множителя.

Умножим уравнение (1) на e – ax   : 
e – axy – ae – axy = e – ax  f (x )  . 
замечаем, что
– a ⋅ e – ax  = de – axdx  . 
Тогда
e – ax  ⋅ dydx + de – axdx ⋅ y = ddx (e – ax  ⋅ y )  = e – ax  f (x )  . 
Интегрируем:
e – ax  ⋅ y = e – ax  f (x )  dx + C . 
Отсюда получаем общее решение:
y = eaxe – ax  f (x )  dx + Ceax  . 

Уравнения произвольного порядка

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами n-го порядка:
(2)   y (n )   + an – 1y (n – 1 )   + an – 2y (n – 2 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1y + a0y =  f (x )  . 
Замечаем, что производную k-го порядка можно записать в следующем виде:
y (k )   = dkydxk = (ddx  )ky . 
Это выражает собой тот факт, что производная k-го порядка есть применение операции дифференцирования k раз. Перепишем уравнение (2):
(ddx  )ny + an – 1(ddx  )n – 1y + an – 2(ddx  )n – 2y + ⋅ ⋅ ⋅ + a1(ddx  )y + a0y =  f (x )  . 
Или
[(ddx  )n  + an – 1(ddx  )n – 1  + an – 2(ddx  )n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1(ddx  )  + a0  ]y =  f (x )  . 
Вводим обозначение: D = ddx  . 
(Dn  + an – 1Dn – 1  + an – 2Dn – 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + a1D + a0 ) y =  f (x )  . 
Поскольку коэффициенты ai – постоянные, то стоящий в скобках многочлен можно представить в виде произведения сомножителей так же, как это делается для любого многочлена:
Dn  + an – 1Dn – 1  + an – 2Dn – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1D + a0  = 
 (D – b1 ) (D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn )  , 
где bi – корни уравнения:
(3)   Dn  + an – 1Dn – 1  + an – 2Dn – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1D + a0  = 0 . 
Уравнение (3) называется характеристическим уравнением.

После этого исходное уравнение (2) примет вид:
(D – b1 ) (D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn )  y =  f (x )  . 
Сделаем подстановку:
u = (D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn )  y . 
Получаем:
(D – b1 )  u =  f (x )  , 
или
(ddx – b1  )  u = dudx – b1u =  f (x )  . 
И мы получили уравнение первого порядка:
u – b1u =  f (x )  . 
Решение этого уравнения мы уже рассмотрели, оно имеет вид:
u =  f1 (x )  , 
где
f1 (x )  = eb1xe – b1x  f (x )  dx + Ceb1x  . 

Возвращаемся к переменной y:
(D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn ) y =  f1 (x )  , 
или
(ddx – b2  ) ⋅ ⋅ ⋅(ddx – bn – 1  )(ddx – bn  )  y =  f1 (x )  . 
Это линейное уравнение с постоянными коэффициентами порядка n – 1 .  Повторяя эту процедуру n – 1 раз, мы получим решение уравнения (2).

При практическом применении этого метода стоит различать два случая – случай вещественных корней bi и случай комплексных корней. В случае вещественных корней, процедура решения происходит, как описано выше (см. пример решения с действительными корнями). В случае комплексных корней следует учесть тот факт, что корни уравнения являются попарно сопряженными. И для каждой такой пары достаточно решить одно уравнение первого порядка (см. пример решения с мнимыми корнями).

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню