Структура общего решения линейного однородного уравнения
Теорема 4. Общее решение линейного однородного уравнения (3.2) имеет вид
, (3.17)
где – произвольные постоянные, а – любые линейно независимые частные решения уравнения (3.2).
Доказательство. Исходя из определения общего решения, нужно показать:
функция (3.17) при любых удовлетворяет уравнению (3.2);
для любых найдутся конкретные значения такие, что функция
будет удовлетворять начальным условиям
(2.5).
Справедливость первого из этих утверждений непосредственно следует из свойства суперпозиции решений.
Покажем справедливость утверждения 2). Рассмотрим начальные условия (2.5):
.
Подставим
значение
в решение
(3.17) и его производную и потребуем
выполнения условий
(2.5). Получим
систему двух линейных алгебраических
уравнений с двумя неизвестными
вида
(3.18)
Значения
являются её коэффициентами. Заметим,
что определителем матрицы системы
(3.18) является вронскиан
.
Так
как решения
линейно независимы, то
.
Следовательно, система (3.18) всегда имеет
единственное решение. Его можно получить
по формулам Крамера:
,
(3.19)
где
,
.
Функция
удовлетворяет и уравнению (3.2), и начальным условиям (2.5).
Теорема доказана.
Линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами
Рассмотрим
частный случай уравнения (3.2), когда
постоянны, т.е. рассмотрим уравнение
,
(3.20)
где
– числа.
Покажем, что для уравнения (3.20) всегда можно найти пару линейно независимых частных решений и, следовательно, всегда можно построить общее решение.
Будем искать частные решения уравнения (3.20) в виде
,
(3.21)
где
– число. Заметим, что
,
.
Подставим решение в виде (3.21) и его
производные в уравнение (3.20). Получим
или
.
(3.22)
Равенство (3.22) превращается в тождество лишь тогда, когда является решением квадратного уравнения
.
(3.23)
(Оно
получено из (3.20) заменой производных
на степени
.)
Уравнение (3.23) называется характеристическим уравнением для дифференциального уравнения (3.20).
Итак, если является корнем квадратного уравнения (3.23), то функция является решением дифференциального уравнения (3.20).
Известна формула, по которой вычисляются решения квадратного уравнения (3.23):
.
(3.24)
Заметим,
что уравнение (3.23) может иметь два
различных корня (если
),
два одинаковых корня (при
)
и может не иметь действительных корней
(когда
).
Рассмотрим каждый из трёх случаев отдельно.
. Тогда
и у уравнения (3.20) есть два решения:
и
.
Они линейно независимы, так как
.
Следовательно, в этом случае общее решение уравнения (3.20) имеет вид
.
. Тогда
,
и говорят, что уравнение (3.23) имеет один
двукратный корень. В этом случае мы
получаем с помощью нашего предшествующего
рассуждения лишь одно решение уравнения
(3.20):
.
Покажем, что в этом случае функция
также является решением (3.20). Действительно,
,
.
Тогда
.
Поскольку
в данном случае
,
легко установить, что выражение, стоящее
в скобках, обращается в ноль, и,
следовательно,
удовлетворяет уравнению (3.20).
Решения
и
линейно независимы. Общее решение (3.20)
имеет вид
.
. В этом случае уравнение (3.23) не имеет корней в области вещественных чисел.
Введём в рассмотрение числа
,
(3.25)
и покажем, что функции
,
являются решениями (3.20). Рассмотрим и вычислим её производные
,
.
Тогда
.
Рассмотрим
коэффициенты, стоящие в фигурных скобках
при
и при
и вычислим их с учетом (3.25):
,
.
Таким образом, выражение, стоящее в фигурных скобках, обращается в ноль, и, следовательно, является решением (3.20). Точно так же можно показать, что является решением (3.20). Решения и линейно независимы. Общее решение (3.20) в этом случае имеет вид
.
Замечания. 1) Если характеристическое уравнение (3.23) имеет два вещественных корня, то эти корни называются простыми (в отличие от двукратного корня).
2)
В случае, когда характеристическое
уравнение (3.23) не имеет вещественных
корней, говорят о его комплексных корнях
,
где
,
а
и
определяются по формулам (3.25). Арифметические
действия сложения и умножения над
комплексными числами осуществляются
как действия над многочленами относительно
с учетом того, что
.
Так,
.
Пример 3.1. Найти общее решение уравнения
.
(3.26)
Решение. Составим характеристическое уравнение:
.
Оно
имеет корни
,
(случай 1).
Общее решение (3.26) имеет вид
.
Пример 3.2. Найти общее решение уравнения
.
(3.27)
Решение.
Отметим сперва, что уравнение (3.27)
формально отличается от уравнения
(3.20) тем, что коэффициент при
у него отличен от 1. В этом случае можно
поделить уравнение на коэффициент при
и привести его к виду (3.20). Можно поступить
иначе: получить для него алгебраическое
характеристическое уравнение относительно
,
заменяя производные
на степени
,
и решать его по формулам, составленным
для полного (а не приведенного как
(3.23)) квадратного уравнения. Составим
характеристическое уравнение
.
Найдём его корни
Общее решение (3.27) имеет вид
.
Пример 3.3. Найти общее решение уравнения
.
(3.28)
Решение. Составляем характеристическое уравнение
.
Оно
имеет один двукратный корень
(случай 2).
Общее решение уравнения (3.28) имеет вид
.
Пример 3.4. Найти общее решение уравнения
.
(3.29)
Решение. Составляем характеристическое уравнение
,
в
котором
.
Это уравнение не имеет вещественных
корней, т.к.
(случай 3).
Введём числа
из (3.25):
,
.
Общее решение уравнения (3.29) имеет вид
.
Пример 3.5. Решить задачу Коши:
,
(3.30)
,
.
(3.31)
Решение. Найдём сначала общее решение уравнения (3.30). Составим его характеристическое уравнение
,
(3.32)
в
котором
.
Уравнение (3.32) не имеет вещественных
корней, поскольку
(случай 3).
Введём числа
,
.
Общее решение имеет вид
.
Подставим в него значения из начальных условий (3.31). Для этого сначала найдём его производную.
.
Далее,
,
,
откуда
Решение задачи Коши (3.29), (3.30) имеет вид
.
Пример 3.6. Решить задачу Коши
,
(3.33)
,
.
(3.34)
Решение. Характеристическое уравнение имеет вид
.
Оно
имеет два корня
,
.
Общее решение (3.33) имеет вид
.
Вычисляем его производную
.
Подставляем в общее решение и его производную значения из начальных условий (3.34):
,
.
Получена система уравнений для определения :
Эквивалентная (равносильная) система:
откуда
,
.
Решение задачи Коши (3.33), (3.34) имеет вид
.
Пример 3.7. Решить задачу Коши
,
(3.35)
,
.
(3.36)
Решение. Найдем сперва общее решение уравнения (3.35). Составим его характеристическое уравнение
.
(3.37)
Оно
имеет один двукратный корень:
(случай 2).
Общее решение (3.35) имеет вид
.
Подставим в него значения из начальных условий (3.36). Для этого найдем производную общего решения
.
Далее,
,
,
откуда
,
.
Решение задачи Коши (3.35), (3.36) имеет вид
.