Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

nahman

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
07.02.2015
Размер:
496 Кб
Скачать
☆

u1/2 = eex +C; 1/2

u = 14(eex +C)2.

Поскольку y = uv , то ответ имеет вид

y= 14(eex +C)2e−2ex ;

y= 14((eex +C)e−ex )2; y = 14(1+C−ex )2 .

Ответ: y = 14(1+C−ex )2 .

Задача 6. Течение процесса y = y(t) описывается уравнением y′′ = (t −54)3 , скорость процесса в мо-

мент t = 0 равна нулю, начальное состояние процесса y(0) = 1. Найти состояние процесса в момент t = 2. Вычисления провести с точностью до 0,1.

Решение. Требуется решить задачу Коши:

 

 

 

5

 

 

y′′ =

 

 

 

;

(t

− 4)

3

 

 

 

 

 

y(0) =1;

 

 

 

′

= 0.

 

 

y (0)

 

 

 

 

 

 

 

Согласно правилам интегрирования, имеем

y′ = ∫(t −54)3 dt; y′ = ∫5(t − 4)−3dt; y′ = 2(t−−54)2 +C1.

Из начального условия находим значение константы С1:

0 = 2(0−−54)2 +C1; C1 = −325 .

Далее находим

y= ∫(2(t−−54)2 +C1)dt;

y= 2(t5− 4) +C1t +C2;

y= 2(t5− 4) − 325 t +C2.

Из начального условия находим значение константы С2:

1= 2(05−4) − 325 0+C2; C2 =1+ 85 + 325 = 5732.

Окончательно получаем решение задачи Коши, описывающее состояние процесса.

y(t) = 2(t5−4) − 325 t + 5732 .

Найдем состояние процесса в момент t = 2 :

y(2) = 2(25−4) − 325 2+ 5732 = 3227 .

Вычисляя значение с точностью до 0,1, получим y(2) ≈ 0,8. Ответ: Состояние процесса в момент t = 2 равно y(2) ≈ 0,8.

Задача 7. Решить задачу Коши для обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка

2yy′′ = y′2 +1;

y(0) = 5;y′(0) = 2.

Решение. В уравнение не входит явным образом x. Полагаем y′ = p , y′′ = pdpdy ,

и, следовательно, уравнение принимает вид

2ypdpdy = p2 +1.

Полагая y ≠ 0, разделяем переменные:

p22 p+1dp = dyy .

Интегрируя, получим

∫ p22 p+1dp = ∫dyy ;

ln | p2 +1|= ln | y| +lnC1; p2 +1= C1y;

p = ± C1y−1,

т.е. y′ = ± C1y−1 .

Постоянную C1 можно найти уже на этом этапе, если, положив x = 0, использовать начальные усло-

вия: y(0) = 5, y′(0) = 2 .

2 = ± 5C1 −1; C1 = 45+1 =1.

Значит, решаем уравнение y′ = y −1 (при извлечении корня выбран знак плюс, так как в точке x = 0 y′ является положительной). Разделяя переменные (предполагаем, что y−1≠ 0 ), имеем

dy =dx, y −1

∫(y −1)−1/2dy = 3∫dx, 2 (y −1)1/2 = 3x +C2 .

Найдем C2 из условия y(0) = 5:

2 4 = 0+C2, C2 = 4 .

Следовательно:

2 y −1 =3x+ 4, 4(y −1) = (3x+ 4)2.

Напомним, что это решение было получено в предположении, что y ≠ 0 и y−1≠ 0 . Очевидно, что функции y = 0 и y =1 не являются решениями данной задачи Коши.

Ответ: 4(y −1) = (3x + 4)2 .

Задача 8. Найти общее решение обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка x2 y′′ = y′2 .

Решение. Уравнение не содержит в явном виде у. Положим

z = y′,

тогда

z′= y′′

и следовательно:

x2z′ = z2 .

Получено уравнение первого порядка с разделяющимися переменными:

x2 dxdz = z2 .

Разделяем переменные (предполагаем, что x ≠ 0, z ≠ 0):

dzz2 = dxx2 .

Интегрируя, получаем:

∫dzz2 = ∫dxx2 ;

− 1z = −1x +C1.

Выражаем отсюда z:

1z = 1−xC1x; z = 1−xC1x.

Проверяем: функция x = 0 не является решением дифференциального уравнения, а функция z = 0 является решением.

Получаем два уравнения первого порядка: 1) y′ = 1−xC1x .

Отсюда

 

 

y = ∫

x

dx;

 

 

 

 

1−C x

 

 

 

 

1

 

 

 

 

y =

1

(∫

C1x −1

dx + ∫

 

1

dx);

C

1−C x

1

−C x

1

1

 

 

 

1

 

y= C11 (−x− C11 ln|1−C1x|) +C2; y = −Cx1 − (C11)2 ln|1−C1x|+C2.

2) y′ = 0.

Отсюда

y = ∫0dx; y = C3.

Ответ: y = −Cx1 − (C11)2 ln |1−C1x|)+C2 ; y = C3 .

Задача 9. Решить линейные однородные дифференциальные уравнения.

a) y′′−10y′+9y = 0; б) y′′+8y′+16y = 0;

в) 9y′′′+ y′ = 0.

Решение:

а) y′′−10y′+9y = 0 – линейное однородное уравнение с постоянными коэффициентами. Характеристическое уравнение имеет вид

λ2 −10λ+9 = 0 ;

D =100−36 = 64; D =8; λ = 10±8;

1,2

2

 

λ1 =9; λ2 =1.

Следовательно, ФСР:

 

y1 = e9x , y2 = ex ,

и общее решение y = C1y1 +C2 y2 принимает вид

y = C1e9x +C2ex .

б) y′′+8y′+16y = 0.

Характеристическое уравнение имеет вид

λ2 +8λ+16 = 0 ;

y = C1e−4x +C2xe−4x ;

D = 64−64 = 0;

λ1,2 = −28 = −4.

Следовательно, ФСР:

y1 = e−4x , y2 = xe−4x .

и общее решение y = C1y1 +C2 y2 принимает вид

 

 

 

 

y = C e−4x +C

2

xe−4x .

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

в)

9y′′′+ y′ = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристическое уравнение имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9λ3 +λ = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ(9λ2 +1) = 0;

 

 

 

 

1)

λ1 = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

9λ2 +1= 0; λ2,3= ±

1

i.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, ФСР:

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

y =1;

y

2

= cos

;

y

3

= sin

,

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и общее решение y = C1y1 +C2 y2 +C3y3 принимает вид

y = C1 +C2 cos 3x +C3 sin 3x .

Ответ: а) y = C1e9x +C2ex ; б)

в) y = C1 +C2 cos 3x +C3 sin 3x .

Задача 10. Решить линейное неоднородное дифференциальное уравнение y′′+4y = 2tgx

МЕТОДОМ ВАРИАЦИИ ПОСТОЯННЫХ.

Решение. Согласно структуре y = y0 + yч общего решения ЛНУ, рассмотрение начинаем с соответствующего ЛОУ:

y′′+4y = 0.

Корнями характеристического уравнения λ2 +4 = 0 являются числа λ1,2 = ±2i, следовательно, ФСР имеет вид

y1(x) = cos2x, y2(x) = sin2x.

Поскольку y0 = C1y1(x)+C2 y2(x) , то y0 = C1 cos2x+C2 sin2x . Теперь мы можем записать следующую структуру частного решения ЛНУ:

yч = C1(x)cos2x +C2(x)sin2x .

Составляем систему уравнений для определения C1′(x) и C2′(x):

С1′(x)cos2x +С2′(x)sin2x = 0;С1′(x)(cos2x)′+С2′(x)(sin2x)′ = 2tgx.

Вычисляя производные, получаем

 

 

 

 

 

 

С′(x)cos2x +С′

(x)sin2x = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1′(x)(−2sin2x)+С2′(x)(2cos2x) = 2tgx,

 

 

после чего

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1′(x)

= −С2′(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−С2′(x)

 

 

 

 

 

 

 

(−2sin2x)+С2′(x)(2cos2x) = 2tgx.

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1′(x) = −С2′(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С2′(x)2sin2 2x +С2′(x)2cos2 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2tgx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а значит:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1′(x) = −С2′

(x)

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2С2′(x)

 

= 2tgx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что cos2x = cos2 x −sin2 x; sin2x = 2sin xcosx, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1′

(x) = −

 

 

 

 

 

 

2sin xcosx;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С2′

(x) =

 

 

 

 

 

 

 

(cos

 

x −sin

 

 

x);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С′

(x) = −2sin2 x;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

3

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С2′

(x) = sin xcosx −

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx

 

 

 

 

 

Для

вычисления

 

 

первообразных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

удобно

записать

(используем

формулы sin2 x =

1−cos2x

,

cos2

x =

1+cos2x

):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С′

(x) = −1+ cos2x;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1−cos

x)sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С2′

(x) =

 

sin2x−

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C (x) = −x +

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

C2

(x) =

 

 

 

 

 

sin2xdx+

 

 

 

 

 

 

 

 

−cosx dcosx

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ∫

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2(x) = − 14cos2x + ln|cosx|− 12cos2 x ;

C2(x) = − 14cos2x+ ln|cosx|− 14 − 14cos2x .

Окончательно

C1(x) = −x + 12sin2x;

C2(x) = − 12cos2x+ ln|cosx|− 14 .

Поскольку yч = C1(x)cos2x+C2(x)sin2x , то

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

yч(x) =

− x +

 

sin2x cos2x +

−

 

cos2x+ ln|cosx|−

 

sin2x ;

2

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yч(x) = −xcos2x+sin2xln|cosx|−

1

sin2x .

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наконец, складывая y0 и yч, получаем общее решение ЛНУ:

y(x) = −xcos2x+sin2xln |cosx| −14sin2x+С1 cos2x+С2 sin2x.

Учитывая, что C2 − 4 также является произвольной константой, окончательно ответ можно записать

в виде

Ответ: y(x) = −xcos2x+sin2xln |cosx| +С1 cos2x+С2 sin2x.

Задача 11. Решить линейное неоднородное дифференциальное уравнение y′′+5y′ = 2xe2x .

Решение. Согласно структуре y = y0 + yч общего решения ЛНУ, рассмотрение начинаем с соответствующего ЛОУ:

y′′+5y′ = 0.

Характеристическое уравнение

λ2 +5λ = 0

имеет корни λ1 = 0, λ2 = −5 и, следовательно:

y0 = C1+C2e−5x .

Перейдем к нахождению yч . Правая часть уравнения f(x) = 2xe2x

имеет вид п. 4 таблицы (степень многочлена Pn(x) равна 1); здесь α = 2 и контрольное число S = α = 2 . Поскольку S ≠ λ1 , S ≠ λ2 , то r = 0,

yч = (A+ Bx)e2x .

Осталось определить коэффициенты A и B.

Находим

yч′ = Be2x +2(A+ Bx)e2x ;

 

′′

= 2Be

2x

+ 4(A+ Bx)e

2x

+ 2Be

2x

′′

= 4Be

2x

+ 4(A+ Bx)e

2x

 

yч

 

 

 

; yч

 

 

и подставляем в неоднородное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4Be2x +4(A+ Bx)e2x +5Be2x +10(A+ Bx)e2x = 2xe2x

 

или

(4B+4A+5B+10A)e2x +(4B+10B)xe2x = 2xe2x ,

 

 

 

 

 

(9B+14A)e2x +14Bxe2x = 2xe2x .

Приравнивая коэффициенты при одинаковых функциях в левой и правой частях, получаем

9B +14A= 0;14B = 2.

Отсюда B =

 

1

;

 

A = −

 

9

.

7

 

98

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

 

1

 

 

 

9

 

2x

.

 

yч =

 

 

 

x

−

 

e

 

 

 

7

 

98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, общее решение ЛНУ

 

−5x

 

1

 

9

 

2x

.

y = C1 +C2e

 

+

 

x−

 

e

 

 

7

98

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

 

−5x

 

1

 

9

 

2x

.

y = C1 +C2e

 

+

 

x−

 

e

 

 

7

98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 12. Решить задачу Коши для линейного неоднородного дифференциального уравнения

y′′− 2y′+5y = 5x2 + 6x −12;

y(0) = 0;y′(0) = 2.

Решение. Согласно структуре y = y0 + yч общего решения ЛНУ, рассмотрение начинаем с соответствующего ЛОУ:

y′′−2y′+5y = 0.

Характеристическое уравнение

λ2 −2λ+5 = 0

имеет корни λ1,2 =1±2i и, следовательно, a =1, b = 2. Тогда

y0 = ex(C1 cos2x+C2 sin2x) .

Перейдем к нахождению yч . Правая часть уравнения

f(x) = 5x2 +6x−12

имеет вид п. 2 таблицы (степень многочлена Pn(x) равна 2); контрольное число S = 0 . Поскольку S ≠ λ1 ,

S ≠ λ2 , то r = 0.

yч = Ax2 + Bx+C .

Осталось определить коэффициенты A, B и C. Находим

yч′ = 2Ax+ B;

y′ч′ = 2A

и подставляем в неоднородное уравнение

 

2A−2(2Ax+ B)+5(Ax2 + Bx+C) = 5x2 +6x−12

или

5Ax2 +(−4A+5B)x+(2A−2B+5C) = 5x2 +6x−12.

Приравнивая коэффициенты при одинаковых функциях в левой и правой частях, получаем систему алгебраических уравнений

5A= 5;

− 4A+5B = 6;

2A− 2B +5C = −12.

Отсюда A =1; B = 2; C = −2.

Итак, yч = x2 +2x−2. Следовательно, общее решение ЛНУ

y = ex(C1 cos2x+C2 sin2x)+ x2 +2x−2 .

Найдем частное решение ЛНУ, удовлетворяющее начальным условиям. Для этого сначала продифференцируем полученное общее решение ЛНУ:

 

y′ = ex(C1 cos2x+C2 sin2x)+ex(−2C1sin2x+2C2 cos2x)+ 2x+ 2.

 

Подставляя

в

полученные

равенства

значения

x = 0; y = 0; y′ = 2,

получим систему

 

 

 

 

 

 

 

0 =1 (C1 1+C2 0)+ 0+ 0− 2;

 

 

 

 

 

(−2C1 0+ 2C2 1)+ 0+ 2.

 

 

 

2 =1 (C1 1+C2 0)+1

 

Отсюда

 

C1 = 2,

C2 = −1.

 

 

 

 

 

 

Подставляя эти значения констант в общее решение ЛНУ, получим решение задачи Коши.

Ответ: y = ex(2cos2x−C2 sin2x)+ x2 + 2x−2.

Задача 13. Процесс колебания материальной точки массой m под действием силы упругости Fу = −ky, силы сопротивления среды Fc = −hy′ и внешней силы F(t), где t – время, а y(t) – отклонение от

состояния

равновесия

y = 0, может

быть описан уравнением вида

y′′+ py′+ qy = f (t) .

Здесь

p =

h

, q =

k

,

f (t) =

F(t)

. Найти закон

движения точки, если известны

 

значения p = 2, q

= 10,

 

 

m

 

 

m

m

 

 

 

 

 

 

f (t) =sin3t , а также координаты точки в моменты времени t0 = 0 и t1 = 5: y(0)

= 0, y(5) = 0.

 

 

Решение. Требуется решить уравнение

 

 

 

у′′+2у′+10у = sin3t ,

причем положение точки в начальный момент и в момент t1 = 5 заданы:

y(0) = 0, y(5) = 0.

Найдем общее решение ЛНУ. Составляем характеристическое уравнение

λ2 +2λ+10 = 0.

Это уравнение для соответствующего ЛОУ имеет комплексные корни λ1,2 =−1±3i, поэтому общее решение ЛОУ получаем в виде

у

0

= е−t (C cos3t +C

2

sin3t) .

 

1

 

Поскольку контрольное число S =3i не совпадает ни с одним из корней, то частное решение ЛНУ ищем в виде

уч = М cos3t + Nsin3t .

Находя

у′ч = −3М sin3t +3N cos3t ;

у′ч′ = −9M cos3t −9Nsin3t

иподставляя результаты в ЛНУ, получаем

−9M cos3t −9Nsin3t + 2(−3M sin3t +3N cos3t)+ +10(M cos3t + Nsin3t) = sin3t;

cos3t(−9M + 6N +10M)+sin3t(−9N −6M +10N) = sin3t; cos3t(M + 6N)+sin3t(−6M + N) = sin3t.

Приравнивая коэффициенты при одинаковых функциях в левой и правой частях, получаем

M + 6N = 0;

−6M + N =1,.

откуда М = −376 , N = 371 , так что

уч =− 376 cos3t + 371 sin3t .

Следовательно, общее решение ЛНУ

у = у0 + уч =e−t (C1 cos3t +C2 sin3t)− 376 cos3t + 371 sin3t .

Теперь подставим краевые условия: t = 0 и y = 0, t = 5 и y = 0 :

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

С1

−

 

= 0;

 

 

 

 

 

 

37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

1

 

 

 

−5

 

 

 

 

 

 

 

 

е

(С1cos15+C2 sin15)−

cos15

+

sin15

= 0.

 

 

37

37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая систему, получаем:

 

 

6

 

 

 

 

C1

=

 

;

 

 

 

37

 

 

.

 

 

 

5

−6cos15

 

 

(6cos15−sin15)e

 

 

C2

=

 

 

 

 

.

 

37sin15

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]