- •1 Основные понятия теории дифференциальных уравнений.
- •2. Дифференциальные уравнения первого порядка.
- •Понятие об изогональных траекториях.
- •7.5. Интегрирование простейших типов д.У. 1-го порядка.
- •7.5.1. Д.У. С разделяющимися переменными.
- •7.5.3. Линейные уравнения 1-го порядка.
- •7.5.5. Д.У. В полных дифференциалах.
- •3.1. Общие положения.
- •9.1. Введение.
- •9.2.2. Фундаментальная система решений однородного линейного д.У.
- •9. Линейные д.У..
- •9.2.3. Формула Остроградского-Лиувилля Пусть и – решения (2), следовательно,
- •9.2.4. Существование фср (2)
- •9.2.5. Применение формулы Остроградского-Лиувилля
- •9.3. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка
- •9.3.1. Теоремы о частных решениях
- •9.3.2. Метод вариации произвольных постоянных для нахождения частного решения неоднородного дифференциального линейного уравнения 2-го порядка
- •9.4. Линейные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами и приводящиеся к ним
- •9.4.1. Интегрирование однородных линейных дифференциальных уравнений 2-го порядка с постоянными коэффициентами
- •9.4.2. Неоднородные линейные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами
- •В силу следствия достаточно найти решение уравнения
- •9.4.3. Линейные дифференциальные уравнения, приводящиеся к уравнениям с постоянными коэффициентами
- •9.4.4. Линейные дифференциальные уравнения n-го порядка
- •9.5. Системы дифференциальных уравнений
9.2.3. Формула Остроградского-Лиувилля Пусть и – решения (2), следовательно,
. (3)
Умножим
первое из этих уравнений на
,
а второе – на
и сложим их, получим
, (
)
что
равносильно
. (
)
Это
означает, что
двух решений уравнения (2) есть одно из
решений дифференциального уравнения
(1). Рассмотрим уравнение
. (
)
Решая его, получим:
.
Поскольку
начальное условие
произвольно, то и
является фактически произвольной
константой:
.
Так как определитель Вронского есть одно из решений ( ), то для него также справедлива следующая формула:
. (4)
Формула Остроградского-Лиувилля справедлива для любых двух решений уравнения (2).
Функция
непрерывна, следовательно,
и справедливо следующее утверждение:
вронскиниан
либо тождественно равен нулю, если
,
либо не равен нулю ни при одном
,
если
.
Таким образом, определитель Вронского
для фундаментальной системы решений
не только тождественно не равен нулю,
но и не обращается в ноль ни при одном
.
Существенной является непрерывность
.
9.2.4. Существование фср (2)
Теорема:
Любое однородное линейное дифференциальное уравнение имеет фундаментальную систему решений.
Доказательство:
Рассмотрим дифференциальное уравнение
и две системы начальных условий:
,
,
,
,
,
где
.
Пусть и – частные решения соответствующих задач Коши. Докажем, что они образуют фундаментальную систему:
.
Теорема доказана.
Основная теорема:
Общее решение линейного однородного дифференциального уравнения 2-го порядка является линейной комбинацией с произвольными постоянными коэффициентами любых двух решений этого уравнения, образующих фундаментальную систему решений. Другими словами, общее решение линейного однородного дифференциального уравнения 2-го порядка есть сумма двух частных решений линейно независимых решений, умноженных на произвольные постоянные.
Доказательство:
Пусть
и
– фундаментальная система решений.
Составим линейную комбинацию
,
где
,
есть произвольные постоянные. Надо
доказать, что любое частное решение
можно получить из
выбором
и
.
Пусть
есть решение задачи Коши для начальных
условий
,
,
.
Положим , тогда
,
,
отсюда
и
.
Так как , то и есть общее решение.
9.2.5. Применение формулы Остроградского-Лиувилля
Зная одно частное решение (2), не равное нулю, можно с применением формулы Остроградского-Лиувилля найти фундаментальную систему и, следовательно, общее решение (2), вычислив два неопределённых интеграла.
Пусть
есть известное решение и нужно найти
.
Так как
и
,
то при
получаем:
.
И, наконец, при
.
Пример. Рассмотрим дифференциальное уравнение
,
.
Тогда
.
Общее решение будет:
.
9.3. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка
9.3.1. Теоремы о частных решениях
Рассмотрим неоднородное уравнение
(1)
и соответствующее однородное уравнение
. (2)
Теорема 1:
Разность любых двух частных решений уравнения (1) есть частное решение соответствующего однородного дифференциального уравнения.
Доказательство:
Пусть
и
– частные решения уравнения (1). Подставим
в соответствующее однородное
дифференциальное уравнение функцию
вместе с ее производными:
.
Теорема доказана.
Теорема 2:
Если
– частное решение уравнения (1),
– частное решение соответствующего
однородного уравнения, то
есть новое частное решение уравнения (1).
Доказательство:
Справедливы следующие соотношения:
,
,
значит,
.
Теорема доказана.
Из теорем 1 и 2 следует, что, взяв любое одно частное решение неоднородного уравнения (1) и прибавляя всевозможные частные решения однородного уравнения (2), получим все без исключения частные решения уравнения (1).
Определение: Общее решение неоднородного линейного дифференциального уравнения 2-го порядка есть сумма любого частного решения данного уравнения и общего решения соответствующего однородного линейного дифференциального уравнения 2-го порядка:
,
где и есть линейно независимые частные решения уравнения (2).
Теорема 3:
Если
правая часть уравнения (1) есть сумма
двух функций
и
,
и если
есть частное решение уравнения (1) с
правой частью
,
а
– частное решение уравнения (1) с правой
частью
,
то
– частное решение уравнения (1) с правой
частью
.
Доказательство:
Рассмотрим
уравнение
,
подставим
и
в уравнения
и
соответственно. После сложения последних
уравнений и группировки слагаемых
получим:
.
Теорема доказана.
Пример:
, (1)
,
, (2)
,
. (3)
Тогда
– частное решение уравнения (1).
