Методы решения физико-математических задач

Решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью

Линейные дифференциальные уравнения со специальной неоднородностью
Рассмотрен метод решения линейных дифференциальных уравнений высших порядков с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью, содержащей комбинации из многочленов, экспонент, синусов и косинусов. Установлен вид частного решения.

Определение общего решения по известному частному решению

Рассмотрим линейное неоднородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами n-го порядка:
(1)   an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + an – 2 y (n – 2 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′ + a0 y =  f (x )  , 
где an ,  an – 1 ,  an – 2 , ... ,  a1 ,  a0  – действительные числа;  f (x )  – действительная функция. Если известно частное (любое) решение Y уравнения (1), то можно найти его общее решение по формуле:
y = y0  + Y , 
где y0  – общее решение однородного уравнения:
an y (n ) 0  + an – 1 y (n – 1 ) 0  + an – 2 y (n – 2 ) 0  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 y ′0  + a0 y0  = 0 . 

Если неоднородная часть  f (x )  может быть представлена в виде суммы функций:
 f (x )  =  f 1 (x )  +  f 2 (x )  +  f 3 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ , 
то 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, легче найти частные решения от более простых неоднородных частей, а затем получить частное решение для всего уравнения суммированием полученных частных решений.

Метод решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью

Рассмотрим линейное неоднородное уравнение со специальной неоднородной частью в виде комбинации многочленов, экспоненты, синусов и косинусов:
(2)   an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = e αx  ⋅ (Ps1 (x ) cos (βx )  + Qs2 (x ) sin (βx ) )  , 
где Ps1 (x ) ,  Qs2  – многочлены степеней s1  и s2  ,  соответственно:
Ps1 (x )  = p0  + p1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + ps1  – 1 x s1  – 1  + ps1  x s1   ; 
Qs2 (x )  = q0  + q1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + qs2  – 1 x s2  – 1  + qs2  x s2   ; 
p0 ,  p1 , ... ,  ps1  ,  q0 ,  q1 , ... ,  qs2   – известные коэффициенты.

Это уравнение можно решить общим методом понижения порядка. Однако существует более простой способ, основанный на том, что частное решение такого уравнения имеет определенный вид. Суть этого метода заключается в следующем.

Вначале ищем общее решение y0  однородного уравнения:
(3)   an y (n ) 0  + ⋅ ⋅ ⋅ + a2 y ′′0  + a1 y ′0  + a0 y0  = 0 . 

Далее устанавливаем вид частного решения Y исходного уравнения (2). Оно выражается через многочлены, экспоненту, синусы и косинусы, которые входят в частное решение с неизвестными коэффициентами. Установив вид частного решения, подставляем Y в уравнение (2). Приравнивая левую и правую части, находим неизвестные коэффициенты.

После этого общее решение исходного уравнения (2) равно сумме общего решения однородного уравнения плюс частное решение неоднородного:
y = y0  + Y . 

Установление вида частного решения

Установим вид частного решения уравнения (2). Для этого вначале ищем решение однородного уравнения (3) в виде y0  = e kx  .  В результате, для k , получаем уравнение, которое называется характеристическим уравнением:
(4)   an k n  + an – 1 k n – 1  + ⋅ ⋅ ⋅+ a1 k + a0  = 0 . 
Решаем это уравнение. Получаем n корней km ,  m = 1 ÷ n .  Тогда характеристическое уравнение (4) можно представить в виде произведения множителей:
(5)   an (k – k1 ) (k – k2 ) (k – k3 ) ⋅ ⋅ ⋅ (k – kn – 1 ) (k – kn )  = 0 . 

Часть корней (или все) в (5) могут быть комплексными. Поэтому выразим корень km  через действительную и мнимую части:
km  = k ′m  + ik ′′m  . 
Для действительного корня k ′′m  = 0,  km  = k ′m  . 

Некоторые корни в (5) могут быть кратными:
km  = km + 1  = ⋅ ⋅ ⋅ = km + p – 1  . 
Здесь p – кратность корня. Кратный корень km  кратности p входит в произведение (5) в виде множителя (k – km )  p  . 

Если среди корней характеристического уравнения (4) нет корня со значением
km  = k ′m  + ik ′′m  = α + iβ , 
то частное решение уравнения (2) имеет вид:
Y = e αx  ⋅ (~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) )  , 
где s = max (s1 ,  s2 )  – наибольшее из s1  и s2  . 
~Ps (x )  = A0  + A1 x + A2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + As x s  , 
~Qs (x )  = B0  + B1 x + B2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Bs x s 
– многочлены степени s с неизвестными коэффициентами Am ,  Bm  ,  которые подлежат определению подстановкой в уравнение (2).

Если среди корней характеристического уравнения (4) есть корень кратности p со значением
km  = k ′m  + ik ′′m  = α + iβ
то частное решение уравнения (2) имеет вид:
Y = x p  ⋅ e αx  ⋅ (~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx ) )  , 
где также s = max (s1 ,  s2 )  – наибольшее из s1  и s2  . 
~Ps (x )  = A0  + A1 x + A2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + As x s  , 
~Qs (x )  = B0  + B1 x + B2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Bs x s 
– многочлены степени s с неизвестными коэффициентами Am ,  Bm  . 

Когда вид частного решения установлен, подставляем Y в уравнение (2) и находим неизвестные коэффициенты A0 ,  A1 ,  A2 , ...,  As ,   B0 ,  B1 ,  B2 , ...,  Bs  ,  приравнивая левую и правую части уравнения. После чего получаем общее решение уравнения (2):
y = y0  + Y . 

Далее рассмотрен пример решения неоднородного дифференциального уравнения со специальной неоднородной частью.

Частные случаи

Неоднородность в виде многочлена

Теперь рассмотрим некоторые более простые виды специальной неоднородности. Начнем с неоднородной части в виде многочлена:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + an – 2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = Ps (x )  , 
где Ps (x )  =  p0  + p1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + ps – 1 x s – 1  + ps x s  – многочлен степени s . Этот случай принадлежит к общему виду специальной неоднородности (2), в котором α = 0,  β = 0 .  Основываясь на вышеизложенном, получаем следующие правила составления вида частного решения.

Если среди корней km  характеристического уравнения (4) нет нулевого корня
km  ≠ 0,  m = 1 ÷ n , 
то частное решение имеет вид:
Y = ~Ps (x )  =  A0  + A1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + As – 1 x s – 1  + As x s  . 
То есть оно является многочленом степени s с неопределенными коэффициентами Am  . 

Если характеристическое уравнение (4) имеет нулевой корень кратности p :
km  = km + 1  = ⋅ ⋅ ⋅ = km + p – 1  = 0 , 
то частное решение имеет вид:
Y = x p  ⋅ ~Ps (x )  =  x p (A0  + A1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + As – 1 x s – 1  + As x s )  . 

Неоднородность в виде произведения экспоненты и многочлена

Теперь рассмотрим неоднородную часть в виде произведения многочлена степени s и экспоненты:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + an – 2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = Ps (x )  e αx  . 
Этот случай принадлежит к общему виду (2), в котором β = 0 . 

Если среди корней km  характеристического уравнения нет действительного корня со значением α :
km  ≠ α,  m = 1 ÷ n , 
то частное решение является произведением многочлена степени s и экспоненты:
Y = ~Ps (x )  e αx  = (A0  + A1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + As – 1 x s – 1  + As x s )  e αx  . 

Если характеристическое уравнение (4) имеет действительный корень α кратности p :
km  = km + 1  = ⋅ ⋅ ⋅ = km + p – 1  = α , 
то частное решение имеет вид:
Y = x m  ⋅ ~Ps (x )  ⋅ e αx  =  x p (A0  + A1 x + ⋅ ⋅ ⋅ + As – 1 x s – 1  + As x s ) e αx  . 

Неоднородность в виде суммы произведений многочленов на косинус и синус

Наконец рассмотрим неоднородную часть в виде суммы произведений многочленов степеней s1 ,  s2  на косинус и синус:
an y (n )   + ⋅ ⋅ ⋅ + an – 2 y ′′ + a1 y ′ + a0 y = Ps1 (x ) cos (βx )  + Qs2 (x ) sin (βx )  . 
Этот случай принадлежит к общему виду (2), в котором α = 0 . 

Если среди корней km  характеристического уравнения нет чисто мнимого корня со значением iβ :
km  ≠ iβ,  m = 1 ÷ n , 
то частное решение является суммой произведений многочленов, косинуса и синуса:
Y = ~Ps (x ) cos (βx )  + ~Qs (x ) sin (βx )  , 
где s = max (s1 ,  s2 )  – наибольшее из s1  и s2  . 
~Ps (x )  = A0  + A1 x + A2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + As x s  , 
~Qs (x )  = B0  + B1 x + B2 x 2  + ⋅ ⋅ ⋅ + Bs x s 
– многочлены степени s с неизвестными коэффициентами Am ,  Bm  . 

Если характеристическое уравнение (4) имеет чисто мнимый корень iβ кратности p :
km  = km + 1  = ⋅ ⋅ ⋅ = km + p – 1  = iβ , 
то частное решение имеет вид:
Y = x p  ⋅ (~Ps (x ) cos (βx )  +  ~Qs (x ) sin (βx ) )  . 
То есть частное решение как и в предыдущем случае, но умноженное на x p  . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню