2. Для линейной независимости решений необходимо и достаточно .

Доказательство. Первое утверждение следует из доказанной выше теоремы и следствия. Второе утверждение легко доказывается от противного.

Пусть решения линейно независимы. Если , то решения линейно зависимы. Противоречие. Следовательно, .

Пусть . Если решения линейно зависимы, то , следовательно, , противоречие. Поэтому решения линейно независимы.

Следствие. Обращение определителя Вронского в нуль хотя бы в одной точке является критерием линейной зависимости решений линейного однородного уравнения.

14Билет

Теорема. Если функции линейно зависимы, то

Доказательство. Так как функции линейно зависимы, то какая-либо из них линейно выражается через остальные, например,

. Тождество можно дифференцировать, поэтому

. Тогда первый столбец определителя Вронского линейно выражается через остальные столбцы, поэтому определитель Вронского тождественно равен нулю.

Теорема. Для того, чтобы решения линейного однородного дифференциального уравнения n-ого порядка были линейно зависимы, необходимо и достаточно, чтобы .

Доказательство. Необходимость следует из предыдущей теоремы.

Достаточность. Зафиксируем некоторую точку . Так как , то столбцы определителя, вычисленные в этой точке, представляют собой линейно зависимые векторы.

, что выполнены соотношения

.

Так как линейная комбинация решений линейного однородного уравнения является его решением, то можно ввести решение вида

- линейную комбинацию решений с теми же коэффициентами.

Заметим, что при это решение удовлетворяет нулевым начальным условиям, это следует из выписанной выше системы уравнений. Но тривиальное решение линейного однородного уравнения тоже удовлетворяет тем же нулевым начальным условиям. Поэтому из теоремы Коши следует, что введенное решение тождественно равно тривиальному, следовательно,

,

поэтому решения линейно зависимы.

Следствие. Если определитель Вронского, построенный на решениях линейного однородного уравнения, обращается в нуль хотя бы в одной точке, то он тождественно равен нулю.

Доказательство. Если , то решения линейно зависимы, следовательно, .

Теорема. 1. Для линейной зависимости решений необходимо и достаточно (или ).

2. Для линейной независимости решений необходимо и достаточно .

Доказательство. Первое утверждение следует из доказанной выше теоремы и следствия. Второе утверждение легко доказывается от противного.

Пусть решения линейно независимы. Если , то решения линейно зависимы. Противоречие. Следовательно, .

Пусть . Если решения линейно зависимы, то , следовательно, , противоречие. Поэтому решения линейно независимы.

Следствие. Обращение определителя Вронского в нуль хотя бы в одной точке является критерием линейной зависимости решений линейного однородного уравнения.

15Билет

4. Доказать теорему о существовании фундаментальной системы решений для линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка.

Теорема о существовании фундаментальной системы решений линейного однородного дифференциального равнения. Любое линейное однородное дифференциальное уравнение n -го порядка с непрерывными коэффициентами имеет фундаментальную систему решений, т.е. систему из n линейно независимых решений. Док-во. Возьмём любой числовой определитель n -го порядка, не равный нулю

	Возьмём любую точку и сформулируем n задач Коши, причём начальные условия в точке x0 для i-ой задачи возьмём из i-го столбца этого определителя:
L n(y1) = 0;	L n(y2) = 0;	L n(yn) = 0;

Пусть y1(x), y2(x), …, yn(x) - решения этих задач. Эта система линейно независима на (a, b), так как её определитель Вронского в точке x0 равен взятому числовому определителю и отличен от нуля, следовательно, это фундаментальная система решений. Теорема доказана.

Размерность линейного пространства частных решений однородного уравнения с непрерывными коэффициентами равна n, и базисом в этом пространстве служит любая фундаментальная система решений

16Билет

5. Доказать теорему о структуре общего решения линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка.

Общее решение линейного однородного уравнения есть линейная комбинация решений фундаментальной системы.

.

Доказательство. Покажем, что линейная комбинация

является общим решениям (удовлетворяет пунктам определения общего решения)

1. - решение линейного однородного уравнения как линейная комбинация решений.

2. Зададим произвольные начальные условия , покажем, что можно подобрать константы такие, что удовлетворяет этим начальным условиям.

.

.

.

.........................................................................

.

Это – система линейных алгебраических уравнений относительно констант . Определитель этой системы – определитель Вронского. Он не равен нулю, так как решения линейно независимы. Поэтому константы определяются из этой системы по начальным условиям – правым частям системы единственным образом.

Следовательно, - общее решение.

Замечание. Определитель Вронского (как всякий определитель) представляет собой ориентированный n – мерный объем, натянутый на векторы решений фундаментальной системы решений.

17Билет

6. Вывести формулу Остроградского-Леувилля.

Рассмотрим линейное однородное уравнение

.

Определитель Вронского можно вычислить по формуле Остроградского – Лиувилля

.

Вывод формулы Остроградского – Лиувилля.

Известна формула для производной определителя

.

Вычислим ...+

0+...+0+ .

, .

Замечание. В формуле Остроградского – Лиувилля участвуют только коэффициенты при двух старших производных.

Рассмотрим частный случай уравнения второго порядка.

. Здесь формулу Остроградского – Лиувилля можно вывести проще. Рассмотрим - два частных решения

. , . Умножим первое уравнение на , а второе на и вычтем первое уравнение из второго. .

Так как , то = .

Теперь уравнение можно переписать в виде . Решая это уравнение с разделяющимися переменными, получаем формулу Остроградского – Лиувилля

18Билет

7. Построение общего решения линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка в случае действительных различных корней характеристического уравнения (с выводом).

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами второго порядка

.

Будем искать его решение в виде . Подставляя в дифференциальное уравнение, получим

Так как то имеем

- характеристическое уравнение. Решая его, получим корни

.

Возможно три случая:

1) действительны и различны,

2) - комплексно сопряженные корни,

3) - действительный кратный корень.

В случае действительных, различных корней получаем решения

.

Для того, чтобы доказать, что решения составляют фундаментальную систему решений и общее решение записывается в виде

,

надо проверить линейную независимость . Составим определитель Вронского

, так как .

Заметим, что для уравнения второго порядка проверять линейную независимость можно проще. Надо показать, что . Тогда столбцы определителя Вронского линейно независимы и . В нашем случае при .

19Билет

Построение общего решения линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами в случае действительных кратных корней характеристического уравнения (с выводом).

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами второго порядка

.

Будем искать его решение в виде . Подставляя y в дифференциальное уравнение, получим

Так как то имеем

- характеристическое уравнение. Решая его, получим корни

.

Возможно три случая:

1) действительны и различны,

2) - комплексно сопряженные корни,

3) - действительный кратный корень.

В случае кратного действительного корня одно из решений можно выбрать в форме .

Второе решение будем выбирать в виде . Подставим в дифференциальное уравнение, чтобы определить .

,

Так как - корень характеристического уравнения, то . Так как еще и кратный корень, то по теореме Виета . Поэтому . Для определения имеем уравнение , отсюда . Выберем , получим .

Следовательно, . Решения линейно независимы, так как .

Поэтому общее решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами в случае кратного корня можно записать по формуле

.

20Билет

8. Построение общего решения линейного однородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами в случае комплексных сопряженных корней характеристического уравнения.

Рассмотрим линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами второго порядка

.

Будем искать его решение в виде . Подставляя в дифференциальное уравнение, получим

Так как то имеем

- характеристическое уравнение. Решая его, получим корни

.

Возможно три случая:

1) действительны и различны,

2) - комплексно сопряженные корни,

3) - действительный кратный корень.

В случае комплексно сопряженных корней , применяя формулу Эйлера получим комплексно сопряженные решения .

Так как линейная комбинация решений линейного однородного уравнения тоже является решением, то

являются решениями. Они линейно независимы, так как

.

Следовательно, общее решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами в случае комплексных корней можно записать по формуле

.

21Билет

9. Доказать теорему о структуре общего решения линейного неоднородного дифференциального уравнения n-го порядка.

Общее решение линейного неоднородного уравнения есть сумма частного решения линейного неоднородного уравнения и общего решения однородного уравнения.

.

Доказательство. Покажем, что - общее решение неоднородного уравнения.

3. - решение неоднородного уравнения как сумма решений однородного и неоднородного уравнений (теоремы о свойствах решений).

4. Зададим произвольные начальные условия , . Вычислим начальные условия для выбранного частного решения неоднородного уравнения . Получим систему линейных алгебраических уравнений для определения констант:

.

.

. .

Определитель этой системы – определитель Вронского. Он не равен нулю, так как решения линейно независимы. Поэтому константы определяются из этой системы по начальным условиям – правым частям системы единственным образом. Следовательно, - общее решение неоднородного уравнения.

22Билет

10. Доказать теоремы о свойствах частных решений линейного неоднородного дифференциального уравнения n-го порядка.

.

Теорема о наложении частных решений.

Пусть - решение неоднородного уравнения с правой частью ,

- решение неоднородного уравнения с правой частью . Тогда - решение неоднородного уравнения с правой частью .

Доказательство. Подставим в неоднородное уравнение:

.

Метод подбора формы частного решения.

Рассмотрим сначала уравнение второго порядка

1. Пусть правая часть представляет собой квазиполином .

Ищем частное решение в виде . Здесь - полином n-ой степени, - полином, степень которого надо определить.

, .

а) Если - не корень характеристического уравнения, то , и многочлен надо выбирать той же степени, что и , т.е. степени n.

б) Если - простой корень характеристического уравнения, то . В этом случае многочлен надо выбирать той же степени, что и , т.е. степени n. Тогда степень многочлена надо выбирать равной n+1. Однако при дифференцировании производная свободного члена (постоянной) равна нулю, поэтому можно выбирать в виде = .

в) Если - кратный корень характеристического уравнения, то . В этом случае многочлен надо выбирать той же степени, что и , т.е. степени n. Тогда степень многочлена надо выбирать равной n+2. Однако при двукратном дифференцировании производная не только свободного члена равна нулю, но и производная линейного члена равна нулю. Поэтому можно выбирать в виде = .

2) Правая часть имеет вид

1. Если не корни характеристического уравнения, то частное решение ищется в том виде, в котором задана правая часть:

,

где - полиномы степени m – максимальной из степеней полиномов .

б) Если - пара корней характеристического уравнения, то частное решение ищется в виде

,

Рассмотрим неоднородное уравнение n-го порядка, покажем, как в нем применять метод подбора формы частного решения.

Здесь ситуация сложнее, так как в характеристическом уравнении n корней, действительные корни и комплексно сопряженные, простые и кратные корни.

1. Пусть правая часть неоднородного уравнения имеет вид

1. Если не является корнем характеристического уравнения, то частное решение неоднородного уравнения ищется в том же виде, что и правая часть .

2. Если - корень характеристического уравнения r-ой кратности, то частное решение неоднородного уравнения ищется в виде .

2. Пусть правая часть неоднородного уравнения имеет вид

а) Если пара комплексно сопряженных корней не является корнями характеристического уравнения, то частное решение неоднородного уравнения ищется в том же виде, что и правая часть

, где степень m многочленов – максимальная из степеней многочленов .

2. Если пара комплексно сопряженных корней является корнями характеристического уравнения r-ой кратности, то частное решение неоднородного уравнения ищется в виде

.

23Билет