Методы решения физико-математических задач

Пример решения линейного неоднородного дифференциального уравнения методом понижения порядка

Пример решения линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами линейной подстановкой
Рассмотрен пример решения линейного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, характеристическое уравнение которого имеет действительные корни, методом понижения порядка.
Содержание

Здесь мы применим метод понижения порядка для решения линейного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, характеристическое уравнение которого имеет действительные корни. Метод понижения порядка подробно рассмотрен на странице «Понижение порядка в линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами».

Пример

Решить уравнение:
y ′′ + 2y ′ + y = e – x √ x + 1   . 

Решение

Перепишем уравнение в виде:
( ( ddx  )  2  + 2 ddx + 1  ) y = e – x √ x + 1   . 
Поскольку
D 2  + 2D + 1 = (D + 1 )  2  = (D + 1 ) (D + 1 )  , 
то уравнение можно переписать в виде:
( ddx + 1  ) ( ddx + 1  ) y = e – x √ x + 1   . 

Сделаем подстановку:
u = ( ddx + 1  ) y = y ′ + y . 
Тогда уравнение примет вид:
( ddx + 1  ) u = e – x √ x + 1   ; 
u ′ + u = e – x √ x + 1   . 

Решаем с помощью интегрирующего множителя. Умножим на e x   : 
e x u ′ + e x u = √ x + 1   . 
Замечаем, что
e x  = (e x )  ′ . 
Тогда
e x u ′ + e x u = e x u ′ + (e x )  ′ u = ddx (e x u )  ; 
ddx (e x u )  = √ x + 1   . 

Интегрируем. По таблице интегралов находим:
e x u = ∫ √ x + 1   dx= ∫ (x + 1 )  1 / 2  d (x + 1 ) = 
= 11 / 2 + 1 (x + 1 )  1 / 2 + 1  + C1  = 23 (x + 1 )  3 / 2  + C1  . 

Умножаем на e – x   : 
u = 23 (x + 1 )  3 / 2  e – x  + C1 e – x  . 
Поскольку u = y ′ + 1 ,  то мы получили линейное уравнение первого порядка для y :
y ′ + y = 23 (x + 1 )  3 / 2  e – x  + C1 e – x  . 

Решаем с помощью интегрирующего множителя. Умножим на e x   : 
e x y ′ + e x y = ddx (e x y )  = 23 (x + 1 )  3 / 2  + C1  . 
Интегрируем:
e x y = 23 ∫ (x + 1 )  3 / 2 dx+ C1 ∫ dx= 
= 23 ⋅ 13 / 2 + 1 ⋅ (x + 1 )  3 / 2 + 1  + C1 x + C2  = 415 ⋅ (x + 1 )  5 / 2  + C1 x + C2  . 
Умножаем на e – x   : 
y = 415 ⋅ (x + 1 )  5 / 2  e – x  + (C1 x + C2 )  e – x  . 

Ответ

y = (C1 x + C2 )  e – x  + 415 ⋅ √ (x + 1 )  5   ⋅ e – x  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню