Методы решения физико-математических задач

y′′+y=x2cos x. Пример решения линейного дифференциального уравнения со специальной неоднородной частью

Решение линейного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами с неоднородностью x квадрат cos x
Пример решения линейного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью y′′+y=x∧2cos x. Приводится подробное решение тремя способами: понижением порядка линейной подстановкой; стандартным способом; стандартным способом, используя комплексные функции.
()( \displaystyle \newcommand{\Re}{\mathop{\mathrm{Re}}\nolimits} \newcommand{\Im}{\mathop{\mathrm{Im}}\nolimits} )()

Условие примера

Найти общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами и специальной неоднородной частью в виде произведения многочлена второй степени и косинуса:
(1)   y ′′ + y = x 2 cos x . 

1. Самое простое решение примера

Применим метод понижения порядка линейной заменой переменных.

Делаем подстановку
(1.1)   u = y ′ + iy , 
где i – комплексная единица, i 2  = – 1 .  тогда уравнение (1) примет вид:
(1.2)   u ′ – iu = x 2 cos x . 
Действительно, u ′ – iu = y ′′ + iy ′ – i (y ′ + iy )  =  y ′′ – i 2 y = y ′′ + y .  Все правильно.

Решаем линейное неоднородное уравнение первого порядка (1.2) с помощью интегрирующего множителя. Умножим на e – ix  и выделим полный дифференциал:
u ′e – ix  – iue – ix  = x 2 e – ix cos x ; 
u ′e – ix  + u (e – ix )  ′ = x 2 e – ix cos x ; 
(ue – ix )  ′ = x 2 e – ix cos x . 
Интегрируем:
(1.3)   ue – ix  = ∫ x 2 e – ix cos x dx + C . 

Вычисляем интеграл. Для этого, с помощью формулы Эйлера, выразим косинус через экспоненту:
e – ix cos x = e – ix e ix  + e – ix 2 =  1 + e – 2ix 2  . 
Тогда интеграл примет вид:
(1.4)   I = ∫ x 2 e – ix cos x dx =  ∫ x 2 1 + e – 2ix 2  dx = 
 12 ∫ x 2 dx + 12 ∫ x 2 e – 2ix dx =  12 I1  + 12 I2  . 

Первый интеграл табличный:
(1.5)   I1  = ∫ x 2 dx = 12 + 1 x 2 + 1  = x 3 3  . 

Второй интеграл интегрируем по частям:
e – 2ix dx = 1– 2i e – 2ix d (– 2ix )  =  i– 2i 2  d (e – 2ix )  = i2 d (e – 2ix )  ; 
∫ e – 2ix dx = i2 ∫ d (e – 2ix )  = i2 e – 2ix  ; 
∫ xe – 2ix dx = i2 ∫ x d (e – 2ix )  =  i2 ( xe – 2ix  – ∫ e – 2ix dx  )  = 
 i2 ( xe – 2ix  – i2 e – 2ix  )  =  ( ix2 + 14  ) e – 2ix  ; 
I2  = ∫ x 2 e – 2ix dx =  i2 ∫ x 2 d (e – 2ix )  =  i2 ( x 2 e – 2ix  – ∫ (x 2 )  ′e – 2ix dx  )  = 
 i2 x 2 e – 2ix  – i2 ∫ 2xe – 2ix dx =  i2 x 2 e – 2ix  – i ∫ xe – 2ix dx = 
 i2 x 2 e – 2ix  – i ( ix2 + 14  ) e – 2ix  =  ( ix 2 2 + x2 – i4  ) e – 2ix  ; 
(1.6)   I2  = ( ix 2 2 + x2 – i4  ) e – 2ix  . 

Подставляем (1.5)  и (1.6)  в (1.4), а затем в (1.3):
ue – ix  = I + C = 12 I1  + 12 I2  + C =  12 ⋅ x 3 3 +  12 ( ix 2 2 + x2 – i4  ) e – 2ix  + C ; 
(1.7)   ue – ix  =  x 3 6 + ( ix 2 4 + x4 – i8  ) e – 2ix  + C . 
Теперь учтем, что постоянная интегрирования C является комплексным числом. Поэтому запишем ее в виде C = C1  + iC2  ,  где C1 ,  C2  – действительные числа. Умножим (1.7) на e ix  .  Также учтем, что согласно (1.1), u = y ′ + iy  : 
(1.8)   u = y ′ + iy = x 3 6 e ix  +  ( ix 2 4 + x4 – i8  ) e – ix  +  (C1  + iC2 ) e ix  . 

Учтем тот факт, что исходное уравнение (1) имеет действительное решение. Поэтому функции y и y ′ действительные. Тогда, чтобы найти y ,  нам нужно найти мнимую часть от выражения (1.8) справа. Выделяем действительную и мнимую части:
y ′ + iy = x 3 6 (cos x + i sin x )  +  ( ix 2 4 + x4 – i8  ) (cos x – i sin x )  + 
 (C1  + iC2 ) (cos x + i sin x )  =  x 3 6 cos x + x4 cos x +  ( x 2 4 – 18  ) sin x + 
 C1 cos x – C2 sin x +  i [x 3 6 sin x + ( x 2 4 – 18  ) cos x –  x4 sin x + C2 cos x + C1 sin x  ]  . 
Отсюда получаем решение уравнения:
y = Im (y ′ + iy )  = x 3 6 sin x +  ( x 2 4 – 18  ) cos x – x4 sin x +  C2 cos x + C1 sin x = 
 x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x +  ( C2  – 18  ) cos x + C1 sin x . 

Преобразуем постоянные интегрирования: C2  – 18 → C1 ;  C1  → C2  . 

Ответ

y = x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x +  C1 cos x + C2 sin x . 

2. Стандартное решение

Теперь решим наше уравнение (1)   стандартным методом. Этот метод применим для решения линейных дифференциальных уравнений n-го порядка с постоянными коэффициентами со специальной неоднородностью, которые имеют следующий вид:
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.

В нашем случае, уравнение (1) второго порядка, a2  = 1,  a1  = 0,  a0  = 1 ,  α = 0,  β = 1,  s1  = 2,   p0  = p1  = 0,  p2  = 1,  Qs2 (x )  = 0 . 

2.1 Общее решение однородного уравнения

Вначале находим общее решение однородного уравнения. Для этого отбрасываем в (1) правую неоднородную часть. Получаем однородное уравнение, в котором, чтобы не было путаницы, заменим y на y0   : 
(2.1)   y ′′0  + y0  = 0 . 

Ищем решение в виде y0  = e kx  .  Составляем характеристическое уравнение:
k 2  + 1 = 0 . 
Оно имеет комплексные корни:
k1  = – i;  k2  = i . 
Им соответствует фундаментальная система решений:
y1 (x )  = cos x,  y2 (x )  = sin x . 
Общее решение однородного уравнения (2.1):
y0  = C1  y1  + C2  y2  =  C1 cos x + C2 sin x . 

2.2 Частное решение неоднородного уравнения

Поскольку характеристическое уравнение имеет корень k = i кратности p = 1 ,  и неоднородная часть имеет множитель cos x ,  то частное решение Y ищем в виде
Y (x )  = x p  ((Ax 2  + Bx + D ) cos x +  (Ex 2  + Fx + G ) sin x  )  ; 
(2.2)   Y (x )  = (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) cos x +  (Ex 3  + Fx 2  + Gx ) sin x . 
Здесь A,  B,  D,  E,  F,  G – действительные коэффициенты, которые нужно определить.

Для определения коэффициентов A,  B,  D,  E,  F,  G ,  подставим частное решение (2.2) в исходное уравнение, и приравняем левую и правую части.

Найдем производные от Y . Поскольку нам нужна только производная второго порядка, то применим формулу Лейбница:
(uv )  ′′ = u ′′ + 2u ′v ′ + v ′′ . 

Дифференцируем. Для удобства введем обозначения:
P = Ax 3  + Bx 2  + Dx;   Q = Ex 3  + Fx 2  + Gx . 
Тогда Y = P cos x + Q sin x ; 
P ′ = 3Ax 2  + 2Bx + D;   P ′′ = 6Ax + 2B ; 
Q ′ = 3Ex 2  + 2Fx + G;   Q ′′ = 6Ex + 2F ; 
(cos x )  ′ = – sin x;   (cos x )  ′′ = – cos x ; 
(sin x )  ′ = cos x;   (sin x )  ′′ = – sin x ; 
Y ′′ = P ′′ cos x + 2P ′(cos x )  ′ +  P (cos x )  ′′ + Q ′′ sin x +  2Q ′(sin x )  ′ + Q (sin x )  ′′ = 
 (6Ax + 2B ) cos x –  2(3Ax 2  + 2Bx + D ) sin x –  (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) cos x + 
 (6Ex + 2F ) sin x +  2(3Ex 2  + 2Fx + G ) cos x –  (Ex 3  + Fx 2  + Gx ) sin x ; 
Y ′′ = (– Ax 3  + (– B + 6E ) x 2  +  (6A – D + 4F ) x + 2B + 2G  ) cos x + 
 (– Ex 3  + (– 6A – F ) x 2  +  (– 4B + 6E – G ) x – 2D + 2F  ) sin x . 

Подставляем в (1) и выполняем преобразования:
Y ′′ + Y = x 2 cos x ; 
(– Ax 3  + (– B + 6E ) x 2  +  (6A – D + 4F ) x +  2B + 2G  ) cos x + 
 (– Ex 3  + (– 6A – F ) x 2  +  (– 4B + 6E – G ) x –  2D + 2F  ) sin x + 
 (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) cos x +  (Ex 3  + Fx 2  + Gx ) sin x = x 2 cos x ; 
(6Ex 2  + (6A + 4F ) x +  2B + 2G  ) cos x + 
 (– 6Ax 2  + (– 4B + 6E ) x –  2D + 2F  ) sin x = x 2 cos x . 

Сравнивая левую и правую части, получаем систему уравнений:
6E = 1;  6A + 4F = 0;   2B + 2G = 0 ; 
– 6A = 0;   – 4B + 6E = 0;   – 2D + 2F = 0 . 
Решаем ее.
A = 0;  E = 1 / 6;   F = – 64 A = 0;  
 B = 64 E = 14 ;   G = – B = – 14 ;  D = F = 0 . 

Отсюда получаем частное решение исходного уравнения:
Y = (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) cos x +  (Ex 3  + Fx 2  + Gx ) sin x = 
 14 x 2 cos x + ( 16 x 3  – 14 x  ) sin x . 
Общее решение исходного уравнения:
y = y0  + Y . 

Ответ

y = C1 cos x + C2 sin x +  x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x . 

3. Стандартное решение с использованием комплексных функций

3.1. Описание метода

Суть этого метода заключается в том, чтобы выполнять вычисления, используя экспоненту вместо синусов и косинусов. При таком подходе, в ряде случаев получаются более простые преобразования. При этом нам нужно использовать комплексные числа и элементарные сведения из области функций комплексного переменного.

Рассмотрим комплексную функцию w = w (z )  ,  зависящую от комплексной переменной
z = x + iy , 
где x,  y – действительные числа. Ее можно записать в виде суммы действительной и мномой частей:
w = u + iv , 
где u,  v – действительные функции от комплексной переменной z .  Например:
e iz  = e i (x + iy )   = e ix – y  = e ix e – y  =  e – y (cos x + i sin x )  =  e – y cos x + ie – y sin x = u + iv . 
Отсюда u = e – y cos x;  v = e – y sin x . 

Далее мы будем считать, что множеством определения всех функций является множество действительных чисел. То есть будем считать, что комплексная переменная z принимает только действительные значения: z = x;  y = 0 . 

Пусть функция w является решением линейного неоднородного уравнения:
(3.1)   an w (n )   + an – 1 w (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 w ′ + a0  = F (x )  , 
где ai  – действительные коэффициенты (или действительные функции от действительной переменной x); F (x )  =  f (x )  + ig (x )  – комплексная функция;  f (x )  и g (x )  – действительные функции. Тогда действительная u и мнимая v части функции w удовлетворяют дифференциальным уравнениям:
(3.2)   an u (n )   + an – 1 u (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 u ′ + a0  =  f (x )  = Re F (x )  ; 
(3.3)   an v (n )   + an – 1 v (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 v ′ + a0  = g (x )  = Im F (x )  . 

Для доказательства подставим w = u + iv в (3.1):
an (u (n )   + iv (n )  )  +  an – 1 (u (n – 1 )   + iv (n – 1 )  )  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 (u ′ + iv ′ )  + a0  =  f (x )  + ig (x )  . 
Поскольку коэффициенты ai  действительные, то, отделяя действительную и мнимую части, получаем, что функции u и v удовлетворяют дифференциальным уравнениям (3.2)  и  (3.3).

3.2. Применение метода

Применим этот прием к нашему уравнению (1). Возьмем комплексную функцию F (x )  = x 2 e ix  = x 2 cos x + ix 2 sin x ,  и рассмотрим уравнение:
(3.4)   w ′′ + w = x 2 e ix  . 
Тогда действительная часть u комплексного решения w = u + iv этого уравнения будет удовлетворять исходному уравнению (1):
u ′′ + u = x 2 cos x . 

Для решения (3.4) мы используем стандартный метод ⇑.

3.2.1. Общее решение однородного уравнения

Находим общее решение однородного уравнения. Отбрасываем в (3.4) правую неоднородную часть. Получаем однородное уравнение:
w ′′0  + w0  = 0 . 

Ищем решение в виде w0  = e kx  .  Получаем характеристическое уравнение:
(3.5)   k 2  + 1 = 0 . 
Оно имеет комплексные корни
k1  = – i;  k2  = i . 
Им соответствует фундаментальная система решений
w1 (x )  = e k1 x  = e – ix ,   w2 (x )  = e k2 x  = e ix  . 
Общее решение однородного уравнения:
(3.6)   w0  = ~C1  w1  + ~C2  w2  =  ~C1 e – ix  + ~C2 e ix  , 
где ~C1  и ~C2  – комплексные постоянные.

Выделим в общем решении действительную и мнимую части. Для этого выразим комплексные постоянные ~C1 ,  ~C2  через действительные C1r ,  C1i ,  C2r ,  C2i   : 
~C1  = C1r  + iC1i ;  ~C2  = C2r  + iC2i  . 
Подставим в (3.6) и применим формулу Эйлера:
w0  = (C1r  + iC1i ) (cos x – i sin x )  +  (C2r  + iC2i ) (cos x + i sin x )  ; 
w0  = (C1r  + C2r ) cos x +  (C1i  – C2i ) sin x +  i [(C1i  + C2i ) cos x +  (C2r  – C1r ) sin x ]  . 
Заменим постоянные C1r  + C2r  → C1 ,  C1i  – C2i  → C2 ,   C1i  + C2i  → C3 ,  C2r  – C1r  → C4   : 
(3.7)   w0  = C1 cos x + C2 sin x +  i (C3 cos x + C4 sin x )  . 

3.2.2. Частное решение неоднородного уравнения

Находим частное решение уравнения (3.4). Неоднородная часть является экспонентой, умноженной на многочлен второй степени. Поскольку k = i является корнем характеристического уравнения (3.5) кратности p = 1 ,  то частное решение ищем в виде:
W = x p (Ax 2  + Bx + D ) e ix  =  x (Ax 2  + Bx + D ) e ix  ; 
W = (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) e ix  . 

Находим производную второго порядка от W , применяя формулу Лейбница:
(uv )  ′′ = u ′′ + 2u ′v ′ + v ′′ . 

Дифференцируем. При этом используем обозначение:
P = Ax 3  + Bx 2  + Dx . 
Тогда W = Pe ix  ; 
P ′ = 3Ax 2  + 2Bx + D;   P ′′ = 6Ax + 2B ; 
(e ix )  ′ = ie ix ;   (e ix )  ′′ = i (e ix )  ′ = i ⋅ ie ix  = – e ix  ; 
W ′′ =  P ′′e ix  + 2P ′(e ix )  ′ + P (e ix )  ′′ = 
 (6Ax + 2B ) e ix  +  2(3Ax 2  + 2Bx + D ) ie ix  –  (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) e ix  ; 
W ′′ = (– Ax 3  + (6iA – B ) x 2  +  (6A + 4iB – D ) x + 2B + 2iD  ) e ix  . 

Подставляем в (3.4):
W ′′ + W = x 2 e ix  ; 
(– Ax 3  + (6iA – B ) x 2  +  (6A + 4iB – D ) x + 2B + 2iD  ) e ix  + 
 (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) e ix  = x 2 e ix  ; 
6iAx 2  + (6A + 4iB ) x +  2B + 2iD = x 2  . 

Сравнивая левую и правую части, получаем систему уравнений:
6iA = 1;  6A + 4iB = 0;   2B + 2iD = 0 . 
Отсюда
A = 16i = i6i 2  = – i6 ;   B = – 64i A = 64i i6 = 14 ;  
 D = – Bi = – 14i = – i4i 2  = i4  . 

Частное решение:
W = (Ax 3  + Bx 2  + Dx ) e ix  =  ( – ix 3 6 + x 2 4 + ix4  ) e ix  . 
Разделяем действительную и мнимую части:
W =  ( – ix 3 6 + x 2 4 + ix4  )  ⋅  (cos x + i sin x )  =  x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x + 
 i [( – x 3 6 + x4  ) cos x + x 2 4 sin x  ]  . 
Прибавляя общее решение (3.7) однородного уравнения, получаем общее решение комплексного неоднородного уравнения (3.4):
w = w0  + W =  C1 cos x + C2 sin x +  i (C3 cos x + C4 sin x )  + 
 x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x +  i [( – x 3 6 + x4  ) cos x + x 2 4 sin x  ]  . 
Отделяя действительную часть, получаем общее решение исходного уравнения (1):
y = Re w = C1 cos x + C2 sin x +  x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x . 

Ответ

y = C1 cos x + C2 sin x +  x 2 4 cos x + ( x 3 6 – x4  ) sin x . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню