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Математика / 3 семестр / 1 МОДУЛЬ Дифференциальные уравнения / Терехина Фикс - Дифференциальные уравнения

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STANOWKA
KA, NE SODERVA]EE QWNO ISKOMU@ FUNKCI@

 

1: y(4) = sin x ; 2x:

 

 

 

 

 

pOSLEDOWATELXNYM INTEGRIROWANIEM NAHODIM

 

 

y000

= Z y(4) dx = Z (sin x ;

2x) dx = ; cos x ; x2 + C1:

 

 

 

 

 

 

x3

 

y00

= Z y000 dx = Z (; cos x ; x2 + C1) dx = ; sin x ; 3 + C1x + C2:

y0 = Z y00 dx = Z (; sin x ;

x3

 

 

 

3 + C1x + C2) dx =

x4

x2

 

x4

 

x2

= cos x ;

12 + C1

2 + C2x + C3:

y = Z y0 dx = Z (cos x ; 12

+ C1 2

+ C2x + C3) dx =

x2

 

 

 

 

x4

x3

 

 

 

= sin x ; 60 + C1

6 + C2

2 + C3x + C4:

oB]EE RE[ENIE URAWNENIQ

 

x4

x3

x2

y = sin x ; 60 + C1 6 + C2 2 + C3x + C4:

 

 

 

tIP II. uRAWNENIQ WIDA F (x y(n;1) y(n)) = 0:

oTLI^ITELXNOJ OSOBENNOSTX@ TAKoGO URAWNENIQ QWLQETSQ OTSUT- STWIE W NEM SAMOJ FUNKCII y I EE MLAD[IH PROIZWODNYH DO n;2 -GO PORQDKA WKL@^ITELXNO. tAKOE URAWNENIE SWODITSQ K URAWNENI@ PER- WOGO PORQDKA PODSTANOWKOJ y(n;1) = z(x):

~ASTNYM SLU^AEM \TOGO TIPA QWLQETSQ URAWNENIE WTOROGO PORQD- y: F(x y0 y00) = 0: pOD-

y0 = z(x) y00 = (y0)0x = z0(x)

PRIWODIT URAWNENIE K URAWNENI@ PERWOGO PORQDKA

F (x z(x) z0(x)) = 0:

rE[AQ \TO URAWNENIE, NAHODIM FUNKCI@ z(x C1) =

y0 A ZATEM

 

 

 

 

 

 

x

ISKOMU@ FUNKCI@

Z

y(x C1 C2)

 

 

 

x

Z

 

 

 

y =

y0 dx =

 

z(x C1) dx + C2

:

 

2: y00 x ln x ; y0 = 0:

uRAWNENIE WTOROGO PORQDKA NE SODERVIT W QWNOM WIDE FUNKCI@ y. wOSPOLXZUEMSQ PODSTANOWKOJ y0 = z(x) TOGDA y00 = (y0)0x = z0(x): pOLU^AEM URAWNENIE PERWOGO PORQDKA OTNOSITELXNO FUNKCII z(x)

z0 x ln x ; z = 0:

118

|TO URAWNENIE DOPUSKAET RAZDELENIE PEREMENNYH

 

dz

 

 

 

dz

dx

dz

 

Z

dx

 

dx x ln x = z

 

z =

 

 

 

=

 

 

 

x ln x

z

x ln x

ln jzj = ln j ln xj + ln C1

z = C1 Zln x:

 

 

nAHODIM FUNKCI@ y(x): tAK KAK

y0 = z

(x) = C1 ln x TO

 

Z

x

Z

 

 

 

x

;

 

 

 

 

y =

 

y0 dx =

 

C1 ln x dx = C1 x(ln x

 

1) + C2:

 

oB]EE RE[ENIE URAWNENIQ

 

 

 

 

y = C1 x(ln x ; 1) + C2:

3: x3y00 + x2y0

 

 

 

 

 

= 1 y(1) = 1

y0(1) = 0:

 

 

pOLU^IM SNA^ALA OB]EE RE[ENIE. dANNOE URAWNENIE { URAWNENIE WTO- ROGO PORQDKA, KOTOROE NE SODERVIT W QWNOM WIDE FUNKCI@ y. rE[IM URAWNENIE PO ANALOGI^NOJ SHEME.

x3y00 + x2y0 = 1 )

 

NET QWNO y

 

 

 

 

) x3 z0 + x2 z = 1:

 

 

y0 = z(x) y00 = z0(x)

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z0 + x

= x3 :

 

 

rAZDELIM NA x

POLU^AEM LINEJNOE URAWNENIE

 

 

 

z(x) = U(x)V (x) z0 = U0V + UV 0 U0V + UV 0 +

UV =

1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V 0 + Vx ! =

1

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

U0V + U

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V 0 + V = 0

 

 

 

 

U0 V =

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

U0 x1 =

1

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dV

 

V

dV

 

dx

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dU =

1

dU = dx2

 

 

 

 

 

 

dx

= ; x

V

 

= ; x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

ln V = ; ln x V = x1 :

 

 

 

 

dx

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U =

dxx2 = ;x1

 

+ C1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tAKIM OBRAZOM

z(x) = U V = C1 ; x! x:

 

 

 

sLEDOWATELXNO

 

 

y0 = z(x) = C1

1 1 y

=

Z1

z(x) dx =

Z

 

C1

1

1 dx =

 

 

= Z

C1

1

!

; x

! x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

; x!

x

 

 

 

;

 

dx = C1 ln jxj + x

+ C2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ C2:

 

oB]EE RE[ENIE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = C1 ln jxj + x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

119

nAJDEM ^ASTNOE1RE[ENIE URAWNENIQ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(1) = 1

 

 

 

1 = C

 

ln 1 + (1=1) + C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ C2

8y

0

(1) = 0

 

 

 

 

1

j 1j=1)

 

(1=1) 2

 

8y = C1 ln jxj + x

 

80 = (C1

 

 

<y0 = (C1

;

1=x)

 

(1=x)

<

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

;

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

8

1 = 1 + C2

 

 

8

C2 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

0 = C1 ; 1

 

 

<

C1 = 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

y = ln jxj + x1 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~ASTNOE RE[ENIE:

4: y000tg x = y00

+ 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dANNOE URAWNENIE { URAWNENIE TRETXEGO PORQDKA, KOTOROE NE SO-

DERVIT W QWNOM WIDE FUNKCI@ y.

 

dELAEM ZAMENU

 

 

 

 

y00

= z(x)

TOGDA

y000 = z0(x):

+ 1:

 

 

 

 

 

 

 

uRAWNENIE PRIMET WID

z0 tg x = z

 

 

 

 

 

 

 

|TO URAWNENIE S RAZDELQ@]IMISQ PEREMENNYMI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

=

dx

 

 

 

 

dz

 

= ctg x dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z + 1

tg x

z + 1

 

 

 

 

 

 

 

ln jz + 1j = ln j sin xj

+ ln C1

 

 

z + 1 = C1 sin x:

 

nAHODIM

 

z(x) = C1 sin x ; 1:

 

 

 

) y0 =

 

 

 

 

 

 

 

dALEE

:

y00 = z(x) = C1

sin x ; 1

 

 

 

z(x) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

; x + C2:R

 

 

 

 

 

y0 =

 

(C1

sin x ; 1) dx = ;C1 cos x

 

 

 

 

 

i, NAKONECR

, POLU^AEM OB]EE RE[ENIE ISHODNOGO URAWNENIQ

 

y =

R

y0 dx =

R

(;C1 cos x;x+C2)dx = ;C1 sin x;x2=2+C2 x+C3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = ;C1 sin x ; x =2 + C2 x + C3:

tIP III. uRAWNENIQ WTOROGO PORQDKA WIDA F (y y0 y00) = 0:

hARAKTERNOJ OSOBENNOSTX@ TAKOGO URAWNENIQ QWLQETSQ OTSUTSTWIE W NEM W QWNOM WIDE NEZAWISIMOJ PEREMENNOJ x. pORQDOK URAWNENIQ

MOVNO PONIZITX DO PERWOGO PODSTANOWKOJ

p = dp

 

 

y0 = p(y)

TOGDA y00

= p0

y0

= p0

 

p:

x

xx

y

x

y

dy

 

(w DANNOM SLU^AE DLQ NAHOVDENIQ y00 ISPOLXZUETSQ PRAWILO DIFFE-

RENCIROWANIQ SLOVNOJ FUNKCII.)

120

5: y00 ; y0ey = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y00

;

y0ey = 0

)

 

 

 

nET QWNO x

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

p0

p

; pey = 0

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0 = p(y) y0 = p0 p

 

 

 

 

 

 

 

p (p0

 

;

ey) = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) p = 0

y0

= 0

 

y = const:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dp

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z dp = Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

+ C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

= e )

e dy ) p = e

 

 

 

 

tOGDA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

) Z

 

 

 

dy

 

 

 

= Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

= ey + C1

) dx = ey + C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ey + C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

POLU^AEM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

(y ; ln(C1 + e )) = x + C2

iNTEGRIRUQ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6:

rE[ITX ZADA^U kO[I

y00 = p

 

y(0) = y0(0) = 0:

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

y00 =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NET QWNO x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

) p0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dp

 

1

 

 

 

 

)

 

 

y0 = p(y) y0

= p0

 

p

 

 

 

p =

 

 

 

 

 

) dy p =

 

 

 

 

 

p

 

 

dy

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z p dp = Z p

 

 

 

)

 

2 = 2py +

2

 

 

) p = q4py + C1:

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tAK KAK y0(0) = p(0) = 0

 

I y(0) = 0

TO MOVNO SRAZU NAJTI C1.

 

 

 

q

4p

 

+ C1

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 =

0

 

 

 

 

 

 

 

C1 = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iTAK,

IMEEM

 

 

 

y0 = 4p

 

 

 

+ 0 = 2p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qdy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2py

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

dx

 

 

 

)

 

 

 

3q

y3

=

 

x

+ C2:

 

 

 

 

 

dx

2py

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tAK KAK

y(0) = 0, TO

 

32p03 = 0 + C2

 

 

) C2 = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

4=3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oKON^ATELXNO, ^ASTNOE RE[ENIE

x = 3qy3: ILI

y =

 

2 x!

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7:

rE[ITX ZADA^U kO[I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y00

= 32 sin3 y cos y

y(1) =

2

 

 

 

y0(1) = 4:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w URAWNENII OTSUTSTWUET W QWNOM WIDE x PO\TOMU DELAEM ZAMENU

121

y0 = p(y) y0

= p0 p:

 

 

 

 

 

 

 

x

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

uRAWNENIE PRIMET WID

 

 

 

 

 

 

 

 

p0 p = 32 sin3 y cos y

)

dydp p = 32 sin3 y cos y

Z

p dp = 32 Z sin3 y cos y dy

)

p2=2 = 8 sin4 y + C1:

tAK KAK y(1) = =2

I y0(1) = p = 4 TO MOVNO SRAZU NAJTI C1.

 

16

= 8 sin4( =2) + C1

8 = 8 + C1

C1 = 0:

 

2

iTAK, IMEEM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p2

 

 

 

 

 

 

 

 

= 4 sin2 y:

 

2 = 8 sin4 y

p2 = 16 sin4 y

p = y0

dy

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

dx = 4 sin2 y

)

 

 

= 4 dx

) ;ctg y = 4x + C2:

 

sin2 y

tAK KAK

y(1) = =2,

TO

 

 

 

 

 

;ctg ( =2) = 4 + C2

0 = 4 + C2

C2 = ;4:

oKON^ATELXNO, ^ASTNOE RE[ENIE

 

4x = 4 ; ctg y:

8: y00 = q1 ; y02:

dANNOE URAWNENIE NE SODERVIT W QWNOM WIDE NI SAMOJ FUNKCII y(x) NI

NEZAWISIMOJ PEREMENNOJ x. tAKIM OBRAZOM, PORQDOK \TOGO URAWNENIQ MOVNO PONIZITX KAK PODSTANOWKOJ y0 = z(x) ) y00 = z0(x)

TAK I PODSTANOWKOJ y0 = p(y) ) y00 = p0(y) p: iSPOLXZUQ PERWU@, POLU^IM

z0(x) = p

 

 

 

dxdz = p

 

 

1 ; z2

 

1 ; z2

arcsin z = x + C1

)

z = sin(x + C1)

 

 

 

dy = sin(x + C1) dx:

y = ; cos(x + C1) + C2:

dz

p1 ; z2 = dx

dxdy = sin(x + C1)

122

y(x)

3. lINEJNYE URAWNENIQ 2 { GO PORQDKA

lINEJNYM DIFFERENCIALXNYM URAWNENIEM WTOROGO PORQDKA NAZY- WAETSQ URAWNENIE, W KOTOROM ISKOMAQ FUNKCIQ I EE PROIZWOD- NYE WHODQT W PERWYH STEPENQH I NE PEREMNOVA@TSQ.

lINEJNOE DIFFERENCIALXNOE URAWNENIE 2-GO PORQDKA IMEET WID ay00 + b y0 + c y = f(x):

GDE a b c; LIBO FUNKCII OT x LIBO POSTOQNNYE ^ISLA. eSLI f(x) = 0 TO URAWNENIE NAZYWAETSQ O D N O R O D N Y M, ILI URAWNENIEM BEZ PRAWOJ ^ASTI. eSLI f(x) 6= 0 TO URAWNENIE NAZYWAETSQ N E O D N O R O D N Y M, ILI URAWNENIEM S PRAWOJ ^ASTX@.

3.1. oDNORODNYE LINEJNYE URAWNENIQ

oTMETIM, ^TO TAKIE URAWNENIQ, KAK I WSQKIE DIFFERENCIALXNYE URAWNENIQ, IME@T BES^ISLENNOE MNOVESTWO RE[ENIJ, NO RE[ENIQ OD- NORODNYH LINEJNYH URAWNENIJ L@BOGO PORQDKA OBLADA@T SPECIFI- ^ESKIMI SWOJSTWAMI.

sWOJSTWA RE[ENIJ LINEJNOGO ODNORODNOGO URAWNENIQ

1. eSLI FUNKCIQ y1(x) QWLQETSQ KAKIM-LIBO ^ASTNYM RE[ENIEM

URAWNENIQ

ay00 + b y0 + c y = 0:

TO FUNKCIQ C y1(x) GDE C ; const TAKVE QWLQETSQ RE[ENIEM \TOGO URAWNENIQ.

2. eSLI FUNKCII y1(x) y2(x) { QWLQ@TSQ ^ASTNYMI RE[ENIQMI

URAWNENIQ

ay00 + b y0 + c y = 0:

TO IH SUMMA y1(x)+y2(x) TAKVE QWLQETSQ RE[ENIEM \TOGO URAWNENIQ. 3. eSLI FUNKCII y1(x) y2(x) { QWLQ@TSQ ^ASTNYMI RE[ENIQMI

URAWNENIQ

ay00 + b y0 + c y = 0:

TO IH LINEJNAQ KOMBINACIQ C1 y1(x) + C2 y2(x) TAKVE QWLQETSQ RE[ENIEM \TOGO URAWNENIQ.

123

y1(x) =6 y2(x)

lINEJNAQ ZAWISIMOSTX I LINEJNAQ NEZAWISIMOSTX SISTEMY FUNKCIJ. oPREDELITELX wRONSKOGO

sISTEMA FUNKCIJ y1(x) y2(x) NAZYWAETSQ LINEJNO NEZAWISIMOJ, ESLI NI ODNU IZ \TIH FUNKCIJ NELXZQ PREDSTAWITX W WIDE LINEJNOJ KOMBINACII OSTALXNYH, NAPRIMER w ^ASTNOSTI, DWE FUNKCII y1(x) I

y2(x) NAZYWA@TSQ L I N E J N O N E Z A W I S I M Y M I, ESLI ODNU IZ NIH NELXZQ LINEJNO WYRAZITX ^EREZ DRUGU@, T.E.

ILI y1(x) =6 const: y2(x)

sISTEMA FUNKCIJ y1(x) y2(x) NAZYWAETSQ LINEJNO ZAWISIMOJ, ESLI ODNU IZ \TIH FUNKCIJ MOVNO PREDSTAWITX W WIDE

y1(x) = y2(x) ILI

y1(x)

= = const:

y2(x)

oB]IM KRITERIEM LINEJNOJ ZAWISIMOSTI I NEZAWISIMOSTI SISTEMY

FUNKCIJ QWLQETSQ OPREDELITELX wRONSKOGO. dLQ SISTEMY DWUH FUNK- CIJ OPREDELITELX wRONSKOGO IMEET WID

 

W [y1

y2] =

 

y1

y2

 

= y1 y0

;

y2 y0 :

 

 

 

 

 

 

y0

y0

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

CFORMULIRUEM KRITERIJ LINEJNOJ ZAWISIMOSTI ^EREZ OPREDE-

LITELX wRONSKOGO.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t E O R E M A

1.

eSLI OPREDELITELX wRONSKOGO

W[y1 y2] = 0

NI PRI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KAKIH x TO SISTEMA FUNKCIJ y1

 

 

 

 

 

6

 

y2 QWLQETSQ LINEJNO NEZAWISIMOJ.

t E O R E M A 2.

eSLI OPREDELITELX wRONSKOGO W [y1 y2] TOV-

DESTWENNO RAWEN NUL@, TO SISTEMA FUNKCIJ y1

y2 QWLQETSQ LINEJNO

ZAWISIMOJ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fUNDAMENTALXNAQ SISTEMA RE[ENIJ LINEJNOGO ODNOROD- NOGO URAWNENIQ.

sISTEMA FUNKCIJ y1(x) y2(x) OBRAZUET F U N D A M E N T A L X N U @ S I S T E M U RE[ENIJ LINEJNOGO ODNORODNOGO URAWNENIQ n-GO

PORQDKA, ESLI ONA UDOWLETWORQET DWUM USLOWIQM:

1)FUNKCII y1(x) y2(x) QWLQ@TSQ RE[ENIQMI URAWNENIQ,

2)FUNKCII y1(x) y2(x) QWLQ@TSQ LINEJNO NEZAWISIMYMI.

iTAK, DLQ ODNORODNOGO LINEJNOGO URAWNENIQ 2-GO PORQDKA L@BAQ PARA LINEJNO NEZAWISIMYH RE[ENIJ y1(x) y2(x) OBRAZUET FUNDAMEN- TALXNU@ SISTEMU RE[ENIJ.

124

k2 y0

tEOREMA O STRUKTURE OB]EGO RE[ENIQ LINEJNOGO ODNOROD- NOGO URAWNENIQ 2-GO PORQDKA

eSLI FUNKCII y1(x) y2(x) OBRAZU@T FUNDAMENTALXNU@ SISTEMU RE[ENIJ LINEJNOGO ODNORODNOGO URAWNENIQ ay00 + b y0 + c y = 0, TO EGO OB]EE RE[ENIE QWLQETSQ IH LINEJNOJ KOMBINACIEJ

Y = C1 y1(x) + C2 y2(x):

tAKIM OBRAZOM, ^TOBY NAJTI OB]EE RE[ENIE LINEJNOGO ODNORODNO- GO URAWNENIQ 2-GO PORQDKA, NUVNO NAJTI KAKU@-LIBO PARU LINEJNO NEZAWISIMYH RE[ENIJ I SOSTAWITX IH LINEJNU@ KOMBINACI@.

dLQ URAWNENIJ S POSTOQNNYMI KO\FFICIENTAMI FUNDAMENTALX- NAQ SISTEMA RE[ENIJ NAHODITSQ DOWOLXNO PROSTO. rASSMOTRIM METOD RE[ENIQ TAKIH URAWNENIJ.

pOISK OB]EGO RE[ENIQ LINEJNOGO ODNORODNOGO URAWNENIQ S POSTOQNNYMI KO\FFICIENTAMI.

rASSMOTRIM URAWNENIE 2-GO PORQDKA.

mETOD RE[ENIE LINEJNOGO ODNORODNOGO URAWNENIQ S POSTOQNNYMI KO\FFICIENTAMI

ay00 + b y0 + c y = 0

BYL PREDLOVEN |JLEROM. w SOOTWETSTWIE S NIM RE[ENIE URAWNENIQ

 

y(x) = e

kx

kx

2

e

kx

:

I]ETSQ W WIDE

 

) y0 = k e y00 = k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kx

= 0 POLU^AEM

pODSTAWLQQ W URAWNENIE I DELQ OBE EGO ^ASTI NA e

 

 

ALGEBRAI^ESKOE URAWNENIE DLQ OPREDELENIQ POKAZATELQ6k

 

ak2 + b k + c = 0

KOTOROE NAZYWAETSQ H A R A K T E R I S T I ^ E S K I M URAWNENIEM DLQ DANNOGO DIFFERENCIALXNOGO.

hARAKTERISTI^ESKOE URAWNENIE POLU^AETSQ IZ DANNOGO DIFFEREN- CIALXNOGO FORMALXNOJ ZAMENOJ W NEM y00 ! ! k y ! 1: tAKIM OBRAZOM, RE[ENIE DIFFERENCIALXNOGO URAWNENIQ SWODITSQ K RE[ENI@ ALGEBRAI^ESKOGO URAWNENIQ

ay00 + b y0 + c y = 0 = ak2 + b k + c = 0:

) -

hARAKTERISTI^ESKOE URAWNENIE QWLQETSQ OBY^NYM KWADRATNYM URAW NENIEM, KORNI KOTOROGO NAHODQTSQ PO IZWESTNYM FORMULAM:

125

 

 

 

 

k1 2 = ;b p

 

 

 

 

 

 

ak2 + b k + c = 0

 

b2 ; 4ac

 

 

 

 

k1 2 =

;b p

2a

 

 

 

 

k2 + b k + c = 0

 

b2 ; 4c

 

 

 

k1 2 = ;b 2p

 

 

 

 

 

ak2 + 2b k + c = 0

b2 ; ac

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

k2 + 2b k + c = 0 k1 2 = ;b pb2

; c:

 

w ZAWISIMOSTI OT ZNAKA DISKRIMINANTA D = b2 ; 4ac URAWNENIQ

WOZMOVNY TRI SLU^AQ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kORNI k1 k2

 

fUND: SISTEMA

 

 

 

oB]EERE[ENIE

 

 

 

 

y1 y2

 

 

 

 

 

Y = C1y1 + C2y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) D > 0

 

 

y1 = ek1x

 

 

 

Y = C1ek1x + C2ek2x

 

 

k1 = k2

 

 

y2 = ek2x

 

 

 

6

 

 

y1 = ekx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) D = 0

 

 

 

Y = ekx (C1 + C2 x)

 

 

k1 = k2 = k

 

 

y2 = xekx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) D < 0

 

y1 = e x cos x

Y

= e x (C1 cos x + C2 sin x)

 

 

k1 2 = i

 

 

y2 = e x sin x

 

 

 

 

 

 

 

pRI OTRICATELXNOM ZNA^ENII DISKRIMINANTA (3 - J SLU^AJ TABLI- CY) KWADRATNOE URAWNENIE, KAK IZWESTNO, NE IMEET DEJSTWITELXNYH KORNEJ, NO ONO IMEET PARU KOMPLEKSNO-SOPRQVENNYH KORNEJ i: ~ISLA I ; DEJSTWITELXNYE, A i; MNIMAQ EDINICA, OPREDE- LQEMAQ SOOTNO[ENIEM i2 = ;1 ILI i = p;1: nA MNOVESTWE KOMPLEKSNYH ^ISEL STANOWITSQ WOZMOVNYM IZWLE^ENIE KORNQ ^ETNOJ STEPENI IZ OTRICATELXNOGO ^ISLA, A ZNA^IT MOVNO ZAPISYWATX RE[E- NIQ KWADRATNYH URAWNENIJ S OTRICATELXNYM DISKRIMINANTOM:

x2 + 1 = 0

) x2 = ;1

)

x1 2 = p

 

 

 

=

i = 0 = 1:

;1

x2 + 4 = 0

) x2 = ;4 ) x1 2 = p

 

 

= 2p

 

 

=

2i

;4

;1

 

 

 

 

= 0

= 2:

 

 

 

 

x2 + 4x + 5 = 0 ) x1 2 = ;2

p

 

 

 

= ;2 i = ;2 = 1:

4 ; 5

x2 ; x + 2 = 0 )

x1 2 = 1 p21 ;

8 = 1

2p

;7

=

1 2ip

7

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

p7

 

 

 

1

p7

 

 

 

= 2

2 i

= 2 = 2 :

126

1: y00 ; 3y0 + 2y = 0:

y00 ;3y0 + 2y = 0 ) k2 ;3k + 2 = 0 k1 = 2 k2 = 1 (D > 0

 

 

 

3 p

 

 

 

 

 

)

k1 2 =

9

; 8

=

3 1

 

 

2

 

 

2

 

k1

= k2)

 

Y = C1 e2x + C2 ex:

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2: y00 + 5y0 = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y00 + 5y0 = 0 ) k2 + 5k = 0 ) k(k + 5) = 0 )

 

k1 = 0 k2

=

 

;

5

 

 

(k1 = k2)

 

 

 

 

 

Y = C1 + C2 e;5x:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3: 2y00 + 5y0 + 2y = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2y00 + 5y + 2y = 0 ) 2k2 + 5k + 2 = 0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

=

;5 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k1 2

25

; 16

 

=

;5 3

 

)

k1 =

;

1=2 k2

=

;

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(D > 0 k1

= k2)

 

 

 

Y = C1 e;x=2 + C2 e;2x:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4: 4y00 ; 25y = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4y00 ; 25y = 0 ) 4k2 ; 25 = 0 ) k2 = 25=4 ) k1 2 = 5=2

 

(D > 0 k1

= k2)

 

 

Y = C1 e;5x=2 + C2 e5x=2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5: y00 + 6y0 + 9y = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y00 + 6y0 + 9y = 0 ) k2 + 6k + 9 = 0 ) k1 2 = ;3 p

9 ; 9

= ;3

 

ILI

(k+3)

2

= 0 k1

= k2 = ;3

 

(D = 0) Y = e;

3x

(C1 + C2x):

 

 

 

 

 

 

6: 25y00 ; 10y0 + y = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25y00 ; 10y0 + y = 0

) 25k2 ; 10k + 1 = 0 ) (5k ; 1)2 = 0

 

 

k1 2 =

5 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ILI

25

; 25

= 1

 

(D = 0

 

 

k1 = k2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y = ex=5(C1 + C2x):

127