Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Пособие по ДУ.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
1.69 Mб
Скачать

Линейные неоднородные дифференциальные уравненияn -го порядка с постоянными коэффициентами

Рассмотрим уравнение вида

(3.21)

где - const.

Наряду с уравнением рассмотрим соответствующее ему ЛОДУ

Характеристическое уравнение для уравнения (2) имеет вид

В общем случае интегрирование уравнения (3.21) может быть осуществлено методом вариации произвольных постоянных.

В случае ЛНДУ с постоянными коэффициентами помимо этого метода может быть применен метод неопределенных коэффициентов (метод подбора).

Метод подбора.По рассмотренной выше теореме общее решение неоднородного уравнения (3.21) равно сумме общего решения соответствующего однородного уравнения и какого-либо частного решения неоднородного уравнения.

Отыскание общего решения соответствующего однородного уравнения осуществляется по правилам, изложенным выше. Таким образом, задача интегрирования уравнения (3.21) сводится к отысканию частного решения yч.н неоднородного уравнения. Для правых частей специального вида частное решение находится так называемым методом подбора. Общий вид правой части q(х) уравнения (3.21), при котором возможно применить метод подбора, следующий:

q (х) =еаx[Рe (x)cosβx + Qm(x)sinβx],

где Рe(х)иQk(x)суть многочлены степени eи mсоответственно. В этом случае частное решение yч.н.уравнения (1) ищется в виде:

yч.н = xseαx[ k(x)cosβx + k(x)sinβx],

где k=max(m, e),Pk(x) и Qm(x) – многочлены от xk-ой степени общего вида с неопределенными коэффициентами, а s – кратность корня λ=α+ характеристического уравнения(если α±iβ не является корнем характеристического уравнения, то s=0).

Для нахождения частного решения ЛНДУ используется таблица 1. В это таблице по виду правой части ЛНДУ, то есть функции q(x), определяется вид частного решения.

Таблица 1. Сводная таблица видов частных решений для различных видов правых частей

Правая часть дифференциального уравнения

Корни характеристического уравнения

Виды частного решения

1

Pm(x)

Число 0 не является корнем характеристи­ческого уравнения

m(x)

Число 0 —корень ха­рактеристического уравнения кратности s

xs m(x)

2

Pm(x)eαx

Число α не является корнем характеристи­ческого уравнения

m(x)eαx

Число α является корнем характеристи­ческого уравнения кратности s

xs m(x) eαx

3

Pn(x)cosβx + Qm(x)sinβx

Числа ±не являются корнями характеристического уравнения

k(x)cosβx + k(x)sinβx

Числа ±являются корнями характери­стического уравнения кратности s

xs( k(x)cosβx + k(x)sinβx)

4

eαx[Pn(x)cosβx + Qm(x)sinβx]

Числа a±не являются корнями харак­теристического уравнения

eαx[ k(x)cosβx + k(x)sinβx]

Числа a± являются корнями харак­теристического уравнения

eαx[ k(x)cosβx + k(x)sinβx]xs

Пример 1. Найти общее решение уравнения y’’’y’’=12x2+6x.

Решение.

Характеристическое уравнение λ32=0 имеет корни λ1= λ2=0 и λ3=1, поэтому общее решение соответствующего однородного уравнения будет

yо.о= С12x3e,x

так как число 0 есть двукратный корень характеристического уравнения, то частное решение надо искать в виде:

уч.н=x2(A1x2+A2x+A3)=A1x4+A2x3+A3x2,

Подставляя выражение для yч.н в данное уравнение будем иметь:

-12A1x2+(24A1-6A2)x+(6A2-2A3)=12x2+6x,

откуда

- 12А1=12,

24A1-6A2=6,

6A2-2A3=0,

Эта система имеет решение: A1=-1, A2=-5, A3=-15, а значит

yч.н=-x4-5x3-15x2.

общее решение данного уравнения:

Yо.н= С12x+C3ex-x4-5x3-15x2.

Пример 2.

Найти общее решение уравнения y’’+у'=4x2ex.

Решение.

Характеристическое уравнение λ2+ λ=0 имеет корни λ1=0 и λ2=-1. Значит, общее уравнение yо.о соответствующего однородного уравнения будет:

Yо.о12e-x,

так как а=1 не является корнем характеристического уравнения, частное решение уч.н неоднородного уравнения ищем в виде (см. таблицу 1, случай 2 (1))

(уч.н= (A1x2+A2х+A3) ex

Подставляя его в исходное уравнение и сокращая обе части уравнения на ex, будем иметь

2A1x2+(6A1+2A2)x+2A1+ЗA2+2A3=4x2,

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях к в левой и правой частях равенства, получаем линейную систему уравнений для нахождения коэффициентов A1, A2, A3:

2A1=0,

6A1+2A2=0

2A1+ЗA2+2A3=О,

решая которую находим A1=2, A2= -6, A3=7, так что

Уч.н=(2x2-6x+7) ex ,

Общее решение данного уравнения:

y(x)=C1+С2е-x+(2x2–6x+7)

Пример 4. Найти общее решение уравнения у"+10у'+25у=4е-5x

Решение.

Характеристическое уравнение 10Х+25=0 имеет двукратный корень λ12= -5, поэтому

Уo.o=(C12 х) е-5x

так как а=-5 является корнем характеристического уравнения кратностиs=2, то частное решение уч.н неоднородного уравнения ищем в виде (см. таблицу 1, случай II (2))

yч.н = Вx-5x тогда

у'ч.н = В (2x-5x2-5x

y"ч.н=B(2-20x+25x2)e-5x

Подставляя выражения для уч.н, у'ч.н,.у"ч.н в исходное уравнение, получаем 2Be-5x=4e-5x, откуда В=2 и, значит,yч.н=2х2e-5x.

Общее решение данного уравнения

y(x)=(С12x)e-5x+2x2е-5x