Методы решения физико-математических задач

Решение линейных однородных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Вид общего решения линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами
Рассмотрен способ решения линейных однородных дифференциальных уравнений высших порядков с постоянными коэффициентами. Дан вид общего решения. Примеры решений.

Вид общего решения

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:
(1)   any (n )   + an – 1y (n – 1 )   + ⋅ ⋅ ⋅ +  a1y + a0y = 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 ekx  .  Получаем характеристическое уравнение:
(2)   ankn  + an – 1kn – 1  + ⋅ ⋅ ⋅ + a1k + 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 )  = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + ⋅ ⋅ ⋅ + Cn – 1yn – 1 (x )  + Cnyn (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 )  = ekmx  . 

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 )  = ekmx  ;    ym + 1 (x )  = xekmx  ;    ym + 2 (x )  = x 2  ekmx  ;    ...;   ym + p – 1 (x )  = xp – 1  ekmx  . 

Комплексные корни

Рассмотрим комплексные корни характеристического уравнения (3). Выразим комплексный корень km через действительную и мнимую части:
km  = km + ik′′m . 
Поскольку коэффициенты исходного уравнения (1) действительные, то кроме корня km имеется комплексно сопряженный корень
km + 1  = km  = km – ik′′m . 

Пусть комплексный корень km однократный. Тогда паре корней km ,  km + 1  = km соответствуют два линейно-независимых решения уравнения (1):
ym (x )  = ekmx cos (k′′mx )  ;    ym + 1 (x )  = ekmx 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 )  = ekmx cos (k′′mx )  ;    ym + 1 (x )  = xekmx cos (k′′mx )  ;    ym + 2 (x )  = x 2  ekmx cos (k′′mx )  ;    ...   ym + p – 1 (x )  = xp – 1  ekmx cos (k′′mx )  ; 
ym + p (x )  = ekmx sin (k′′mx )  ;    ym + p + 1 (x )  = xekmx sin (k′′mx )  ;    ym + p + 2 (x )  = x 2  ekmx sin (k′′mx )  ;    ...   ym + 2p – 1 (x )  = xp – 1  ekmx 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 ekx  .  Составляем характеристическое уравнение:
k 7  + 2k 5  + k 3  = 0 . 
Преобразуем его:
(k 4  + 2k 2  + 1 ) k 3  = 0 ; 
(k 2  + 1 )  2k 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  = xe 0 ⋅ x cos (1 ⋅ x )  = x  cos x ;    y3  = e 0 ⋅ x sin (1 ⋅ x )  = sin x ;    y4  = xe 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  = xe 0 ⋅ x  = x ;    y7  = x 2  e 0 ⋅ x  = x 2  . 

Общее решение исходного уравнения имеет вид:
y = C1y1  + C2y2  + C3y3  + C4y4  + C5y5  + C6y6  + C7y7  . 

Ответ

y = (C1  + C2x ) cos x +  (C3  + C4x ) sin x + C5  + C6x + C7x 2  . 

Пример 2

Решить уравнение
y′′ + 4y + 13y = 0

Решение

Это однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Ищем решение в виде ekx  .  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 = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  = C1e – 2x cos 3x + C2e – 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 = ekx  .  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 )  = ek1x  = e 0 ⋅ x  = 1 ; 
y2 (x )  = xek1x  = xe 0 ⋅ x  = x . 
Комплексно сопряженным корням k3  = 1 + 2i;  k4  = 1 – 2i ,  соответствуют решения
y3 (x )  = e 1 ⋅ x cos 2x = ex cos 2x;  y4 (x )  = e 1 ⋅ x sin 2x = ex sin 2x . 
Общее решение:
y = C1y1 (x )  + C2y2 (x )  + C3y3 (x )  + C4y4 (x )  = C1  + C2x + C3ex cos 2x + C4ex sin 2x . 

Ответ

y = C1  + C2x + ex (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  = ex cos 3x . 

Решение

Фундаментальную систему решений линейного однородного уравнения с постоянными коэффициентами можно представить в виде множества функций вида
xpjekmx ,  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 ekx   : 
y1  = x 2  = x 2e 0 ⋅ x  ; 
y2  = ex cos 3x = 12ex(ei3x  + e – i3x  )  = 12e (1 + 3i ) x  + 12e (1 – 3i ) x  = 
12x 0e (1 + 3i ) x  + 12x 0e (1 – 3i ) x  . 

Поскольку любое решение уравнения линейно выражается через решения фундаментальной системы, то в нее должны входить следующие функции:
x 2e 0 ⋅ x ,  x 0e (1 + 3i ) x ,  x 0e (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:
yV  – 2yIV  + 10y′′′ = 0 . 

Ответ

yV  – 2yIV  + 10y′′′ = 0 . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню