Понижение порядка в линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами
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 – ax y ′ – ae – ax y = e – ax  f (x )  .
замечаем, что
– a ⋅ e – ax  = de – ax dx .
Тогда
e – ax  ⋅ dydx + de – ax dx ⋅ y = ddx (e – ax  ⋅ y )  = e – ax  f (x )  .
Интегрируем:
e – ax  ⋅ y = ∫ e – ax  f (x )  dx + C .
Отсюда получаем общее решение:
y = e ax ∫ e – ax  f (x )  dx + Ce ax  .
Уравнения произвольного порядка
Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами n-го порядка:
(2) y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + an – 2 y (n – 2 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y = f (x )  .
Замечаем, что производную k-го порядка можно записать в следующем виде:
y (k )   = d k ydx k  = ( ddx  )  k y .
Это выражает собой тот факт, что производная k-го порядка есть применение операции дифференцирования k раз. Перепишем уравнение (2):
( ddx  )  n y + an – 1 ( ddx  )  n – 1 y + an – 2 ( ddx  )  n – 2 y + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 ( ddx  ) y + a0 y = 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 .
(D n  + an – 1 D n – 1  + an – 2 D n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 D + 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:
D n  + an – 1 D n – 1  + an – 2 D n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 D + a0  =
(D – b1 ) (D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn )  ,
где bi  – корни уравнения:
(3) D n  + an – 1 D n – 1  + an – 2 D n – 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 D + 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 – b1 u = f (x )  .
И мы получили уравнение первого порядка:
u ′ – b1 u = f (x )  .
Решение этого уравнения мы уже рассмотрели, оно имеет вид:
u = f 1 (x )  ,
где
f 1 (x )  = e b1 x ∫ e – b1 x  f (x )  dx + Ce b1 x  .
Возвращаемся к переменной y:
(D – b2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (D – bn – 1 ) (D – bn ) y = f 1 (x )  ,
или
( ddx – b2  ) ⋅ ⋅ ⋅ ( ddx – bn – 1  ) ( ddx – bn  )  y = f 1 (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: