Решение линейных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Вид общего решения
Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:
(1) an y (n )   + an – 1 y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a1 y ′ + a0 y = 0 .
Его решение можно получить следуя общему методу понижения порядка.
Однако проще сразу получить фундаментальную систему n линейно независимых решений и на ее основе составить общее решение. При этом вся процедура решения сводится к следующим шагам.
Ищем решение уравнения (1) в виде e kx  . Получаем характеристическое уравнение:
(2) an k n  + an – 1 k n – 1  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1 k + a0  = 0 .
Оно имеет n корней. Решаем уравнение (2) и находим его корни km , m = 1, 2,..., n . Тогда характеристическое уравнение (2) можно представить в следующем виде:
(3) an (k – k1 ) (k – k2 ) (k – k3 ) ⋅ ⋅ ⋅ (k – kn – 1 ) (k – kn )  = 0 .
Каждому корню соответствует одно из линейно независимых решений ym (x )  фундаментальной системы решений уравнения (1). Тогда общее решение исходного уравнения (1) имеет вид:
(4) y (x )  = C1 y1 (x )  + C2 y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1 yn – 1 (x )  + Cn yn (x )  .
Действительные корни
Рассмотрим действительные корни. Пусть корень km  однократный. То есть множитель (k – km )  входит в характеристическое уравнение (3) только один раз. Тогда этому корню соответствует решение
ym (x )  = e km x  .
Пусть km  – кратный корень кратности p . То есть
km  = km + 1  = ⋅ ⋅ ⋅ = km + p – 1 . В этом случае множитель (k – km )  входит в характеристическое уравнение (3) p раз:
an (k – k1 ) (k – k2 ) ⋅ ⋅ ⋅(k – km )  p ⋅ ⋅ ⋅ (k – kn – 1 ) (k – kn )  = 0 .
Этим кратным (равным) корням соответствуют p линейно независимых решений исходного уравнения (1):
ym (x )  = e km x  ; ym + 1 (x )  = x e km x  ; ym + 2 (x )  = x 2  e km x  ; ...; ym + p – 1 (x )  = x p – 1  e km x  .
Комплексные корни
Рассмотрим комплексные корни характеристического уравнения (3). Выразим комплексный корень km  через действительную и мнимую части:
km  = k ′m + ik ′′m .
Поскольку коэффициенты исходного уравнения (1) действительные, то кроме корня km  имеется комплексно сопряженный корень
km + 1  = km  = k ′m – ik ′′m .
Пусть комплексный корень km  однократный. Тогда паре корней km , km + 1  = km  соответствуют два линейно-независимых решения уравнения (1):
ym (x )  = e k ′mx cos (k ′′mx )  ; ym + 1 (x )  = e k ′mx sin (k ′′mx )  .
Пусть km  – кратный комплексный корень кратности p . Тогда комплексно сопряженное значение km  также является корнем характеристического уравнения кратности p и множитель (k – km ) (k – km )  входит в разложение на множители (3) p раз:
an (k – k1 ) (k – k2 ) ⋅ ⋅ ⋅ (k – km )  p (k – km )  p ⋅ ⋅ ⋅ (k – kn – 1 ) (k – kn )  = 0 .
Этим 2p корням соответствуют 2p линейно независимых решений:
ym (x )  = e k ′mx cos (k ′′mx )  ; ym + 1 (x )  = x e k ′mx cos (k ′′mx )  ; ym + 2 (x )  = x 2  e k ′mx cos (k ′′mx )  ; ... ym + p – 1 (x )  = x p – 1  e k ′mx cos (k ′′mx )  ;
ym + p (x )  = e k ′mx sin (k ′′mx )  ; ym + p + 1 (x )  = x e k ′mx sin (k ′′mx )  ; ym + p + 2 (x )  = x 2  e k ′mx sin (k ′′mx )  ; ... ym + 2p – 1 (x )  = x p – 1  e k ′mx sin (k ′′mx )  .
После того как фундаментальная система линейно независимых решений найдена, по формуле (4) получаем общее решение уравнения (1).
Примеры решений задач
Пример 1
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения седьмого порядка с постоянными коэффициентами:
y (7 )   + 2y (5 )   + y ′′′ = 0 .
Решение
Ищем решение в виде e kx  . Составляем характеристическое уравнение:
k 7  + 2k 5  + k 3  = 0 .
Преобразуем его:
(k 4  + 2k 2  + 1 ) k 3  = 0 ;
(k 2  + 1 )  2 k 3  = 0 ;
(k – i )  2 (k + i )  2 (k – 0 )  3  = 0 .
Рассмотрим корни этого уравнения. Мы получили четыре комплексных корня кратности 2:
k1  = k2  = i = 0 + 1 ⋅ i ; k3  = k4  = k1  = k2  = – i = 0 – 1 ⋅ i .
Им соответствуют четыре линейно-независимых решения исходного уравнения:
y1  = e 0 ⋅ x cos (1 ⋅ x )  = cos x ; y2  = x e 0 ⋅ x cos (1 ⋅ x )  = x  cos x ; y3  = e 0 ⋅ x sin (1 ⋅ x )  = sin x ; y4  = x e 0 ⋅ x sin (1 ⋅ x )  = x  sin x .
Также мы имеем три действительных корня кратности 3:
k5  = k6  = k7  = 0 .
Им соответствуют три линейно-независимых решения:
y5  = e 0 ⋅ x  = 1 ; y6  = x e 0 ⋅ x  = x ; y7  = x 2  e 0 ⋅ x  = x 2  .
Общее решение исходного уравнения имеет вид:
y = C1 y1  + C2 y2  + C3 y3  + C4 y4  + C5 y5  + C6 y6  + C7 y7 .
Ответ
y = (C1  + C2 x ) cos x + (C3  + C4 x ) sin x + C5  + C6 x + C7 x 2  .
Пример 2
Решить уравнение
y ′′ + 4y ′ + 13y = 0
Решение
Это однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Ищем решение в виде e kx  . Составляем характеристическое уравнение:
k 2  + 4k + 13 = 0 .
Решаем квадратное уравнение.
k = – 4 ± √ 4 2  – 4 ⋅ 13  2 = 12 (– 4 ± √ – 36  )  = 12 (– 4 ± 6i )  = – 2 ± 3i .
Мы получили два комплексных корня:
k1  = – 2 + 3i; k2  = – 2 – 3i .
Им соответствуют два линейно-независимых решения:
y1 (x )  = e – 2x cos 3x; y2 (x )  = e – 2x sin 3x .
Общее решение уравнения:
y = C1 y1 (x )  + C2 y2 (x )  = C1 e – 2x cos 3x + C2 e – 2x sin 3x .
Ответ
y = e – 2x (C1 cos 3x + C2 sin 3x )  .
Пример 3
Найти общее решение однородного дифференциального уравнения четвертого порядка с постоянными коэффициентами:
y (4 )   – 2y ′′′ + 5y ′′ = 0 .
Решение
Ищем решение в виде y = e kx  . Составляем характеристическое уравнение:
k 4  – 2k 3  + 5k 2  = 0 .
Выносим k 2  за скобки:
(П3.1) k 2 (k 2  – 2k + 5 )  = 0 .
Решаем квадратное уравнение k 2  – 2k + 5 = 0 :
k = 12 ( 2 ± √ (– 2 )  2  – 4 ⋅ 5   )  = 12 ( 2 ± √ – 16   )  = 12 (2 ± 4i )  = 1 ± 2i .
Получили два комплексных корня, которые обозначим как k3  = 1 + 2i, k4  = 1 – 2i . Тогда k 2  – 2k + 5 = (k – k3 ) (k – k4 )  = (k – 1 – 2i ) (k – 1 + 2i )  . Перепишем характеристическое уравнение (П3.1) в эквивалентном виде:
(k – 0 ) (k – 0 ) (k – 1 – 2i )  (k – 1 + 2i )  = 0 .
Отсюда видно, что оно имеет два кратных корня k1  = k2  = 0 кратности 2, и два комплексно сопряженных корня k3  = 1 + 2i, k4  = 1 – 2i . Кратным корням k1  = k2  = 0 соответствуют два линейно независимых решения:
y1 (x )  = e k1 x  = e 0 ⋅ x  = 1 ;
y2 (x )  = xe k1 x  = xe 0 ⋅ x  = x .
Комплексно сопряженным корням k3  = 1 + 2i; k4  = 1 – 2i , соответствуют решения
y3 (x )  = e 1 ⋅ x cos 2x = e x cos 2x; y4 (x )  = e 1 ⋅ x sin 2x = e x sin 2x .
Общее решение:
y = C1 y1 (x )  + C2 y2 (x )  + C3 y3 (x )  + C4 y4 (x )  = C1  + C2 x + C3 e x cos 2x + C4 e x sin 2x .
Ответ
y = C1  + C2 x + e x (C3 cos 2x + C4 sin 2x )  .
Пример 4
Найдите однородное линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами, для которого данные функции являются частными решениями:
y1  = x 2 , y2  = e x cos 3x .
Решение
Фундаментальную систему решений линейного однородного уравнения с постоянными коэффициентами можно представить в виде множества функций вида
x pj  e km x , pj  = 0, 1, 2, . . ., pm ,
где km  – корень характеристического уравнения кратности pm  + 1 .
Запишем заданные частные решения в виде суммы произведений многочленов на экспоненту вида e kx   :
y1  = x 2  = x 2 e 0 ⋅ x  ;
y2  = e x cos 3x = 12 e x ( e i3x  + e – i3x  )  = 12 e (1 + 3i ) x  + 12 e (1 – 3i ) x  =
12 x 0 e (1 + 3i ) x  + 12 x 0 e (1 – 3i ) x  .
Поскольку любое решение уравнения линейно выражается через решения фундаментальной системы, то в нее должны входить следующие функции:
x 2 e 0 ⋅ x , x 0 e (1 + 3i ) x , x 0 e (1 – 3i ) x  .
Поэтому характеристическое уравнение должно иметь следующие корни:
k1  = 0 кратности p1  + 1 = 2 + 1 = 3 ;
k2  = 1 + 3i кратности p2  + 1 = 0 + 1 = 1 ;
k3  = 1 – 3i кратности p3  + 1 = 0 + 1 = 1 .
Характеристическое уравнение наименьшего порядка с такими корнями имеет следующий вид:
(k – k1 )  p1  + 1  ⋅ (k – k2 )  p2  + 1  ⋅ (k – k3 )  p3  + 1  = 0 ;
(k – 0 )  3  ⋅ (k – (1 + 3i ) )  1  ⋅ (k – (1 – 3i ) )  1  = 0 ;
k 3 (k – (1 + 3i ) ) (k – (1 – 3i ) )  = 0 ;
k 3 (k 2  – k (1 – 3i )  – (1 + 3i ) k + (1 + 3i ) (1 – 3i ) )  = 0 ;
k 3 (k 2  – 2k + 1 – 3i + 3i (1 – 3i ) )  = 0 ;
k 3 (k 2  – 2k + 1 + 9 )  = 0 ;
k 3 (k 2  – 2k + 10 )  = 0 ;
k 5  – 2k 4  + 10k 3  = 0 .
Такому характеристическому уравнению соответствует следующее дифференциальное уравнение:
y V  – 2y IV  + 10y ′′′ = 0 .
Ответ
y V  – 2y IV  + 10y ′′′ = 0 .
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: Изменено: