Учебно-методическое пособие для проведения практических занятий по высшей математике со студентами инженерно-педагогических специальностей по теме Дифференциальные уравнения
.pdf
|
|
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
y |
|
|
e2 x C1x C2 dx |
|
e2 x |
|
C1x2 |
C2 x C3 . |
|
|
8 |
2 |
|||||||
|
4 |
|
|
|
|
||||
Подставим начальные условия и получим:
1 |
|
1 |
С ; |
|
1 |
1 |
C ; |
0 |
1 |
C ; |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
8 |
|
3 |
|
|
|
4 |
2 |
|
2 |
|
|
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
C |
1 |
; |
C |
5 |
; |
C |
7 |
; |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
1 |
2 |
|
2 |
|
4 |
|
3 |
8 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Получаем частное решение (решение задачи Коши): y 18 e2 x 14 x2 54 x 78 .
Ответ: y 18 e2 x 14 x2 54 x 78 — частное решение.
Пример 2. Решить уравнение y sin x .
Решение.
Очевидно, данное уравнение относится к рассматриваемому виду ( n 3 ). Запишем данное уравнение в
виде: y sin x . Тогда |
y sin dx C1 cos x C1 y cos x C1 dx sin x C1x C2 . |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
y sin x C1x C2 dx cos x |
1 |
C1x2 C2 x C3 . |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Получаем общее решение: y cos x |
1 |
C x2 |
C x C , где |
C ,C ,C — произвольные постоянные. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
2 |
|
3 |
1 |
2 |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: y cos x |
1 |
C x2 |
C x C , где |
C ,C ,C |
— произвольные постоянные. |
|||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
1 |
2 |
|
3 |
|
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пример 3. Найти частное решение уравнения |
|
yIV cos2 x , |
удовлетворяющее начальным условиям: |
|||||||||||||||
y 0 |
1 |
, |
|
y 0 |
1 |
, y 0 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
32 |
y 0 0, |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Решение.
Очевидно, данное уравнение относится к рассматриваемому виду ( n 4 ). Найдем общее решение по-
следовательным интегрированием данного уравнения:
|
|
|
|
|
|
2 |
x dx |
1 |
|
1 cos 2x dx |
1 |
x |
1 |
sin 2x C1. |
|||||||
|
|
|
|
2 |
2 |
4 |
|||||||||||||||
y |
cos |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
x2 |
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
x |
|
|
sin 2x |
C1 dx |
|
|
|
|
cos 2x C1x C2. |
|||||||||
y |
2 |
4 |
4 |
8 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
cos 2x C1x C2 |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 2x C1 |
|
|
|
|
C2 x C3. |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
4 |
|
8 |
12 |
16 |
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
x3 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
x4 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
C1x3 |
C2 x2 |
|
|
|||||||||||||||||||||
y |
|
|
|
|
|
|
sin 2x C1 |
|
C2 x C3 |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos 2x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C3 x C4 |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
12 |
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
48 |
|
|
|
|
32 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||
Воспользуемся начальными условиями: x |
0, y |
|
1 |
, |
y 0, |
y |
1 |
, y 0. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
o |
32 |
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
8 |
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
0 C C 0; |
|
|
1 |
|
1 |
C C |
1 |
; |
0 C C 0; |
|
|
|
1 |
|
1 |
C C 0. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
8 |
|
2 |
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
32 |
|
|
32 |
|
4 |
4 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Следовательно, искомое частное решение имеет вид: y |
x4 |
|
|
|
1 |
|
cos 2x |
x2 |
. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
48 |
|
|
|
32 |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задания для решения в аудитории |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Задание №1. Решить уравнения в полных дифференциалах: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. y 3 cos2 x, |
|
y 0 0, |
y 0 2, y 0 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
31
2. |
y |
|
1 |
|
|
, |
y 2 3, |
y 2 2, |
y 2 |
|
1 |
. |
|
|||||
|
|
|
||||||||||||||||
x 3 3 |
2 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
cos x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3. |
y 2 |
|
|
|
|
|
, y |
|
|
0, y |
|
1, |
y |
|
|
2 . |
||
sin |
3 |
x |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|||||
4. |
y |
|
sin x |
, y 0 3, y 0 0, |
y 0 7 . |
||||||
|
3cos3 x |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5. |
y 27e3x 120x3 , y 0 3, |
y 0 1, |
y 0 2 . |
||||||||
6. |
y |
|
1 |
, |
y 1 1, y 1 2, |
y 1 2 |
|
||||
|
|
||||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
7. |
y |
ln x |
, y |
e 4, y e |
2 |
. |
|
|
|||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
x2 |
|
|
e |
|
|
||
8. |
y tg2 3x, y 0 9, y 0 5 . |
|
|
||||||||
Задания для самостоятельного решения
Задание №2. Решить уравнения в полных дифференциалах: |
|
1. y x sin x, y 0 0, y 0 0, y 0 2. Ответ. |
y x cos x sin |
2.y sin4 x sin 2x. Ответ. y lnsin x C1x2 C2 x C3.
3.y 2sin x cos2 x sin3 x. Ответ. y 13 sin3 x C1x C2.
4. |
y x e x , |
y 0 0, |
y 0 2, |
y 0 2 . |
Ответ. |
y x 3 e x |
||||||||||||||||||
5. |
y e5x 4x. Ответ. |
y |
|
1 |
|
e5x |
x4 |
|
C1x2 |
C2 x C3. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
125 |
|
|
6 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
6. |
y x ln x, |
y 1 0, |
y 1 |
|
1 |
. Ответ. |
y ln x |
x3 |
|
|
5x3 |
|
13 |
x |
2 |
. |
||||||||
|
36 |
36 |
9 |
|||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|||||||
x x2 .
3x2 3.
2
2. Уравнения, не содержащие искомой функции. Различают несколько основных типов диффе-
ренциальных уравнений высших порядков, не содержащих искомой функции. Рассмотрим их подробнее.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(n) |
) 0. |
I. Уравнения, не содержащие явно независимой переменной x . Это уравнения вида F(y, y ,..., y |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Порядок таких уравнений |
может |
быть |
понижен |
на |
единицу с помощью замены переменных |
||||||||||||||||||||||||||||
y p y , где |
p y — новая искомая функция. Тогда |
y |
dy |
|
|
dy |
|
|
|
dy |
|
|
dp |
p; |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
dx |
dy |
dx |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
dy |
|
dy |
|
dy |
|
dy |
|
d |
|
p |
|
d |
2 |
p |
|
|
|
|
dp |
2 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
y |
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
p; и т.д. |
|
|
|||||
|
dx |
dy |
dx |
dy |
|
dy |
|
|
dy |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Подставляя эти значения в исходное дифференциальное уравнение, получаем:
|
|
dp |
|
d n 1 p |
0 . |
|
F1 |
y, p, |
|
,..., |
|
|
|
dy |
n 1 |
|||||
|
|
|
dy |
|
|
|
Если это уравнение проинтегрировать, и Ф(y, p,C1,C2 ,...,Cn 1) 0 — совокупность его решений, то для решения данного дифференциального уравнения остается решить уравнение первого порядка:
Ф(y, y ,C1,C2 ,...,Cn 1) 0.
32
Заметим также, что при осуществлении замены |
y p y возможна потеря решения |
y const . |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(n) |
) 0 |
Непосредственной подстановкой необходимо проверить наличие у уравнения F(y, y ,..., y |
|
||||||||
решений такого вида. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 4. Найти общее решение уравнения yy |
|
|
2 |
4yy |
|
0. |
|
|
|
|
(y ) |
|
|
|
|
||||
Решение.
Очевидно, данное уравнение — дифференциальных уравнений высших порядков, не содержащее не-
зависимую переменную х. Следовательно, можем ввести замену переменной: y p y y dpdy p .
|
dp |
|
dp |
|
|
|
Подставляем в исходное уравнение получаем: yp |
|
p2 4 yp 0 p y |
|
p 4 y |
0 . Произведе- |
|
dy |
dy |
|||||
|
|
|
|
ние равно нулю, когда один из множителей равен нулю, следовательно:
1) |
y |
dp |
p 4y 0 |
|
|
dp |
4 |
p |
. |
|
Для решения |
|
полученного |
|
дифференциального уравнения |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
y |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
произведем замену переменной: u |
|
p |
. Тогда u |
du |
|
|
y 4 u |
|
|
du 4 |
dy |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
y |
|
|
y |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
du 4 |
|
dy |
|
|
|
u 4ln |
|
|
y |
|
|
4ln C |
|
|
|
|
|
u 4ln |
|
C y |
|
|
|
|
p 4 y ln |
|
C y |
|
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
С учетом того, что p |
|
, получаем: |
|
|
|
4 y ln |
|
|
C1 y |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
dx |
4 y ln |
|
C y |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
dx |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
1 |
|
|
|
|
d (ln |
C1 y |
) |
|
|
1 |
|
ln |
|
ln |
|
C y |
|
C . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
C y |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4x C . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Общий интеграл имеет вид: ln |
ln |
C1 y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2) p 0 y 0 y C . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Таким образом, получили два общих решения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ln |
|
ln |
|
C1 y |
|
4x C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Ответ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, где C — произвольная постоянная. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
y C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Пример 5. Решить уравнение 1 y 2 yy .
Решение.
Очевидно, данное уравнение — дифференциальных уравнений высших порядков, не содержащее независимую переменную х. Следовательно, можем ввести замену переменной: y p y Тогда
y p dpdy . Уравнение примет вид 1 p2 y p dpdy . Это уравнение первого порядка относительно
p с разделяющимися переменными. Далее разделяем переменные и интегрируем: |
|
|
pdp |
|
dy |
; |
||||||||||||||||||||||
1 |
p2 |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
||||
ln 1 p2 2ln |
|
2ln |
|
|
или 1 p2 C12 y2 ; |
|
|
|
|
y , |
|
|||||||||||||||||
y |
C1 |
p C12 y2 |
1 . Возвращаясь к функции |
имеем |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y C2 y2 |
1 |
|
|
|
|
dx. |
Интегрируя |
|
получаем |
общий |
|
|
интеграл: |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
C2 y2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
x C |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ln |
|
C y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
C2 y2 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
C1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
33 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
|
|
x C |
— общий интеграл, где C ,C |
|
|||||
Ответ: |
ln |
C y |
C2 y2 |
1 |
— произвольные постоянные. |
||||||||
|
|||||||||||||
|
C1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
|
|
1 |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
2 |
0, y 0 1, |
|
0 2 . |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Пример 6. Решить уравнение yy |
y |
y |
|
|
|||||||||
Решение.
Очевидно, данное уравнение — дифференциальных уравнений высших порядков, не содержащее независимую переменную х.
Положим y p . Тогда y p p . Уравнение примет вид y p p p2 0 p y p p 0 . Произведение равно нулю, когда один из множителей равен нулю, следовательно:
1) y dpdy p 0. Разделяя переменные и интегрируя, получим: dpp dyy 0, ln p ln y ln C1 ,
p C1 y . Возвращаясь к функции у, получаем y C1 y . Разделяя переменные и интегрируя, получа-
ем:
dyy C1dx, ln y C1x C2 , y eC1x C2 .
2) p 0 y 0 y C . |
|
|
|
|
|
Таким образом, получили два общих решения. |
|
|
|
||
Находим |
частное решение 2 C 1 C 2. 1 eC1 0 C2 |
C 0. |
Таким образом, |
частное решение: |
|
|
1 |
1 |
2 |
|
|
y e2x . И C 1 |
|
|
|
|
|
y e2 x |
|
|
|
|
|
Ответ: |
— частное решение. |
|
|
|
|
y 1 |
|
|
|
|
|
II. Дифференциальное уравнение которое не содержит ни искомой функции y x |
, ни ее производ- |
||||
ных до порядка k 1 включительно, т. е. имеет вид F(x, y k , y k 1 ,..., y(n) ) 0 .
Его порядок может быть понижен на k единиц в результате подстановки y k p x , где p x — но-
вая искомая функция. Тогда уравнение ,..., y(n) ) 0 принимает вид:
|
|
|
(n k ) |
) 0 . |
F(x, p, p , p ,..., p |
|
|||
После определения функции p x искомую функцию y x находят из уравнения k -кратным инте- |
||||
грированием его обеих частей. |
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
Пример 7. Найти решение уравнения xy |
y ln |
|
. |
|
|
|
|||
|
|
x |
|
|
Решение. |
|
|||
Это уравнение не содержит искомой функции y x . |
Полагая y p , где |
p p x , преобразуем |
|||||||||||
|
|
p |
|
|
|
|
p |
|
p |
|
|
||
p ln |
|
|
. Отсюда имеем |
|
|
|
ln |
|
|
однородное уравнение первого |
|||
уравнение к виду x p |
|
p |
|
|
|
||||||||
|
|
x |
|
|
|
|
x |
|
x |
|
|
||
порядка. Введем еще одну замену переменной: |
p |
u , откуда |
p u x, |
p u x u , получим урав- |
|||||||
x |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нение u x u u lnu или |
du |
x u 1 ln u 0 . Разделяя переменные, |
получим |
du |
|
dx |
0. |
||||
|
u 1 ln u |
x |
|||||||||
dx |
|||||||||||
34
Интегрируя |
|
|
|
du |
|
|
|
dx |
ln |
|
C |
|
, получим ln |
|
ln u 1 |
|
ln |
|
x |
|
ln |
|
C |
|
или |
lnu 1 C x , откуда |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
u 1 ln u |
|
x |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
u eC1x 1 . Возвращаясь к функции y , приходим к уравнению y p x eC1x 1 . |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Следовательно, |
y x eC1x 1dx |
1 |
|
x eC1x 1 |
1 |
eC1x 1 C2 . |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
C1 |
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
||||||||||||||
Ответ: y |
1 |
x eC1x 1 |
|
1 |
eC1x 1 C |
, где C ,C — произвольные постоянные. |
|
|||||||||||||||||||||||
|
C2 |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
C |
|
2 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III. Дифференциальные уравнения, которые содержат только две последовательные производные |
||||||||||||||||||||||||||||||
неизвестной функции, т. е. уравнения вида F( y n 1 , y(n) ) 0 . Если это уравнение удается разрешить
относительно |
y n , то |
оно принимает вид: y n y n 1 и решается с помощью подстановки |
||||||
y n 1 p x , |
где p x |
— новая искомая функция. Такая подстановка |
y n p x приводит урав- |
|||||
нение y n y n 1 |
к виду |
dp |
p . Определив из уравнения |
dp |
p функцию p x и |
|||
|
|
|||||||
|
|
|
dx |
dx |
|
|||
подставив ее в уравнение y n 1 p x , находят неизвестную функцию y x . |
||||||||
Пример 8. Найти общее решение уравнения y 5 y |
1 |
. |
|
|
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
Решение. |
|
|
||
Данное уравнение не содержит искомой функции y x , поэтому для его решения проведем заме-
ну: y |
|
p x y |
|
|
|
|
— новая искомая функция. Тогда данное уравнение примет |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
p x , где p x |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
dp |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dp |
1 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
dx |
|
|
||||||
вид : |
p 5 p |
|
|
|
5 p |
|
. Разделив переменные, получим |
|
|
p |
x |
|
|
|
||||||||||||||||||
x |
dx |
x |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
откуда, интегрируя, |
будем иметь |
|
dp |
5 |
|
1 |
dx ln |
|
p |
|
5ln |
|
x |
|
ln |
|
C |
|
p x C x5 , где |
C |
— |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p x в |
y p x , получим уравнение |
|||||||||||||||||
произвольная постоянная. Подставляя найденную функцию |
||||||||||||||||||||||||||||||||
для определения первоначальной искомой функции y x : |
y C1 x5 , решая которое, будем иметь: |
|||||||||||||
|
dy |
|
C1 x5 . Разделив переменные: dy C1 x5dx dy C1 x5dx . После интегрирования получим |
|||||||||||
|
dx |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
y |
|
C1 |
x6 C |
, где C ,C |
—произвольные постоянные. |
|
|
||||||
|
|
|
|
6 |
2 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: y |
C1 |
x6 C |
— общее решение, где C ,C —произвольные постоянные. |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
6 |
2 |
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задания для решения в аудитории |
|
|||
Задание №1. Найти общее решение дифференциального уравнения: |
|
|||||||||||||
1. |
y x ln x |
y |
|
2. 2x y y |
|
3. y 2 y |
|
|||||||
4. |
xy 2y x3 |
|
5. |
x2 y xy 1 |
6. x4 y x3 y 1 |
|||||||||
7. |
x y 2 y 0 |
|
8. y 2 2 y y 0 |
9. 4y3 y y4 |
1 |
|||||||||
10. |
|
|
y 128 y3 |
|
11. |
y y3 49 0 |
12. 4y3 y 16y4 1 |
|||||||
13. |
|
|
y 8sin y cos3 y 0 |
14. |
y 32cos y sin3 y |
15. y 18sin3 |
y cos y |
|||||||
Задание №2. Решите уравнение: |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35 |
1. |
y |
IV |
6x; |
|
|
|
|
2. |
y cos3x 2; |
|
2 |
|
|
4. |
y |
|
3x |
2 |
y |
|
0. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
3. ( y ) |
y ; |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
2cos xsin |
2 |
x cos |
3 |
|
|
2 |
|
2 |
4; |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
5. |
y |
|
|
|
x; |
6. |
(y ) |
( y ) |
|
7. yy |
|
( y ) |
|
; |
8. |
xy |
y x sin |
x |
; |
|||||||||||
9. xy y x2 sin x; |
|
|
10. (1 x2 )y 2xy 3x2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Задание №3. Решите задачу Коши:
1. sin3 xy cos x, |
y |
|
|
, |
y |
|
|
1 |
; |
|
|
|
|
||||||
|
|
2 |
|
2 |
|
||||
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|||
|
|
3 |
1, |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
||
3. |
y y |
|
y |
|
|
|
1, |
y |
|
|
|
1; |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
||
5. |
ex y x, |
|
y(0) 3, |
y (0) 1, |
y (0) 0; |
|||||||||
|
|
3 |
1, |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
||
7. |
y y |
|
y |
|
|
|
1, |
y |
|
|
|
1; |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
||
2. |
y 2ey , |
y(1) 0, |
y (1) 2; |
|
||||||
|
2 |
|
y y , |
|
|
|
||||
4. |
y |
y(2) 1, |
y (2) 1; |
|
||||||
6. y (y )2 |
0, |
|
y(1) 1, |
y (1) 0, |
y (1) 1; |
|||||
8. |
|
|
|
2 |
0, |
y(1) 0, y (1) 1. |
||||
y (3y 1) 3y |
|
|||||||||
Задания для самостоятельного решения
Задание №2. Решить задачу Коши: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1. |
y |
|
y |
x x 1 , |
y 2 1, |
|
y 2 1. |
Ответ. y |
3x4 |
4x3 |
36x2 |
72x 8 |
. |
||||
|
|
|
|
|
|
24 |
|
||||||||||
x |
1 |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2. |
1 x2 |
y xy 2. Ответ. y arcsin x 2 C1 arcsin x C2. |
|
|
|
||||||||||||
|
y y x. Ответ. |
y |
x 1 2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
3. |
|
|
|
C ex C . |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4. 1 sin x y cos x y . Ответ. |
y C1x C1 cos x C2. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
5. |
tgx y 2 y . Ответ. y |
C1x |
|
C1 sin 2x |
C2. |
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Задание №3. Решить уравнения.
1.y 2y 3 2y 2 0. Ответ. 0,5ln 2y 3 C1x C2.
2.y y y 2 y 3 , y 1 1, y 1 1. Ответ. y 2 ln y x.
3. y |
y |
|
. Ответ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
y 0,5C1 ln |
2 |
y C1 |
C2 x. |
||||||
|
|
|
||||||||
|
||||||||||
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4. |
y 3y2 y 3. |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
y4 |
|
|||||
Ответ. y |
|
|
|
C2 x |
|
|
|
. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|||||
5. y y 3 0. |
Ответ. y |
|
1 |
|
|
x |
|
y2 |
|
|
||||||||
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
. |
|||||||||
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
4x 4C2 |
|
|
5C1 |
. |
||||||||||
6. |
y y 3 1 0. Ответ. |
y |
|
4 |
||||||||||||||
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Линейные дифференциальные уравнения порядка n
Определение1. Линейным дифференциальным уравнением n – го порядка называется любое уравне-
ние первой степени относительно функции у и ее производных y , y ,..., y(n) вида: p0 y(n) p1 y(n 1) p2 y(n 2) ... pn 1 y pn y f (x)
где p0 , p1,..., pn — функции от x или постоянные величины, причем p0 0 .
Левую часть этого уравнения обозначим L y : p0 y(n) p1 y(n 1) p2 y(n 2) ... pn 1 y pn y L(y)
36
Определение 2. Если f x 0 , то уравнение |
L y 0 называется линейным однородным уравнени- |
ем, если f x 0 , то уравнение L y f x |
называется линейным неоднородным уравнением, если |
все коэффициенты p0 , p1,..., pn — постоянные числа, то уравнение L y f x называется линейным
дифференциальным уравнением высшего порядка с постоянными коэффициентами.
Отметим одно важное свойство линейных уравнений высших порядков, которое отличает их от нелинейных. Для нелинейных уравнений частный интеграл находится из общего, а для линейных — наоборот, общий интеграл составляется из частных. Линейные дифференциальные уравнения описывают реальные процессы или дают первое приближение к этим процессам, поэтому имеют широкое практическое применение. Рассмотрим способы интегрирования некоторых типов линейных дифференциальных уравнений высших порядков.
Линейные однородные дифференциальные уравнения порядка n с постоянными коэффициентами
Определение 1. Линейным однородным дифференциальным уравнением порядка n с постоянными коэффициентами называется уравнение вида:
an y(n) an 1 y(n 1) |
an 2 y(n 2) ... a1 y a0 y 0 |
|
1 |
где an , an 1, an 2 ,...,a1, a0 — известные постоянные коэффициенты, причем an |
0 , |
y y x — не- |
|
известная функция аргумента x , |
y n , y n 1 ,..., y — ее производные порядка |
n, n 1 ,...,1 соответ- |
|
ственно.
Приведем основные свойства решений линейного однородного дифференциального уравнения порядка n с постоянными коэффициентами.
I. Если y1, y2 ,..., ym решения уравнения (1), то и любая их линейная комбинация
c1 y1 c2 y2 ... cm ym
также является решением уравнения (1), где c1,c2 ,...,cm — некоторые постоянные.
II. Если линейное однородное уравнение (1) с действительными коэффициентами имеет комплексное решение y u i v , то и функции u Re y и v Im y в отдельности являются решениями уравнения (1).
Определение 2. Функции 1 x , 2 x ,..., m x называются линейно зависимыми на множестве A,
если существуют постоянные 1, 2 ,..., m , такие, что
1 1 x 2 2 x ... m 1 x 0, x A , причем 12 22 ... m2 0 .
Если же тождество имеет место лишь при 1 2 ... m , то функции 1 x , 2 x ,..., m x
называются линейно независимыми.
Определение 3. Любая система из n линейно независимых решений y1 x , y2 x ,..., yn x линейно-
го однородного уравнения (1) называется фундаментальной системой решений линейного однородного дифференциального уравнения порядка n с постоянными коэффициентами.
III. Общее решение линейного однородного уравнения (1) представляет собой линейную комбинацию фундаментальных решений, т. е. имеет вид: y x c1 y1 x c2 y2 x ... cn yn x , где c1,c2 ,...,cn – произвольные постоянные, а , y1 x , y2 x ,..., yn x — фундаментальная система решений уравнения (1). Формула y x c1 y1 x c2 y2 x ... cn yn x определяет структуру
37
общего решения линейного однородного дифференциального уравнения порядка n с постоянными коэффициентами.
IV. Линейное однородное уравнение (1) всегда имеет решение y 0 , которое называется триви-
альным решением.
Из вышеизложенного видно, что отыскание общего решения линейного однородного дифференциального уравнения сводится к нахождению его фундаментальной системы решений. Однако, даже для уравнения второго порядка, если коэффициенты a зависят от x , эта задача не может быть решена в общем виде. Тем не менее, если известно одно ненулевое частное решение, то задача может быть решена.
Теорема. Если задано уравнение вида y p1(x)y p2 (x)y 0 и известно одно ненулевое решение
y y1 , то общее решение может быть найдено по формуле: |
1 |
|
p1 |
( x)dx |
|
|
y C2 y1 |
|
e |
|
|
dx C1 y1. |
|
y2 |
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
|
|
Таким образом, для получения общего решения надо подобрать какое — либо частное решение дифференциального уравнения, хотя это бывает часто довольно сложно.
Пример 1. Решить уравнение (1 x2 )y 2xy 2y 0.
Решение.
Данное уравнение — линейное однородное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами второго порядка. Для нахождения общего решения необходимо отыскать какое - либо
частное |
решение. Таким |
частным |
|
решением |
|
|
|
будет |
|
являться |
функция |
y1 x. (так как |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
y1 1 y1 0 0 2x 2x 0 ). Исходное дифференциальное уравнение можно преобразовать: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
2x |
|
|
y |
|
|
2 y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 x2 |
1 x2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
e |
2 x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
А тогда общее решение имеет вид: y C1x |
|
|
dxdx C2 x; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 x2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y C1x |
e |
ln(1 x2 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx C2 x; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
||||||
|
y C1x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C2 x |
y C2 x C1x |
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|||||||||||||||||||||||||
|
x |
2 |
(1 x |
2 |
) |
|
2 |
2(1 x) |
2(1 x) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
1 x |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y C2 x C1x |
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
2 |
1 |
x |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Окончательно: |
y C x C x ln |
|
1 x |
|
C |
, где C ,C ,C |
—произвольные постоянные. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
1 x |
|
4 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ответ: |
y C x C x ln |
|
1 x |
|
|
C — общее решение, где |
C ,C ,C —произвольные постоянные. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
3 |
|
1 x |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
V. Задача Коши для линейного однородного дифференциального уравнения n-го порядка с постоянными коэффициентами an y(n) an 1 y(n 1) an 2 y(n 2) ... a1 y a0 y 0
y x0 y0 y x0 y0 y x0 y0
…
y n 1 x0 y0 n 1
38
всегда имеет и притом единственное решение при любых начальных условиях.
Определение 4. Характеристическим уравнением для линейного однородного дифференциального уравнения порядка n с постоянными коэффициентами
|
an y(n) an 1 y(n 1) an 2 y(n 2) |
... a1 y a0 |
y 0 |
|||
называется алгебраическое уравнение степени n |
вида |
|
|
|||
a kn a |
kn 1 a |
kn 2 ... a |
k a |
0 . |
2 |
|
n |
n 1 |
n 2 |
1 |
0 |
|
|
Таким образом, чтобы составить характеристическое уравнение (2), надо в уравнении (1) заменить
производные y n , y n 1 ,..., y соответственно степенями неизвестной величины k , точнее, показатель степени с основанием k должен быть равен порядку соответствующей производной неизвестной функции y , а сама искомая функция y заменена единицей (т. е. k0 ).
В зависимости от коэффициентов k характеристическое уравнение может иметь либо n различных действительных корней, либо среди действительных корней могут быть кратные корни, могут быть комплексно – сопряженные корни, как различные, так и кратные. Не будем подробно рассматривать каждый случай, а сформулируем общее правило нахождения решения линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.
Общее правило нахождения решения линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами, заключается в следующем:
1) Составляют характеристическое уравнение
( a0kn a1kn 1 ... an 2k2 an 1k an 0 )
и находят его корни, причем согласно основной теоремы алгебры (многочлен степени n имеет ровно n корней с учетом их кратности), их ровно n и они могут быть как действительными числами так и комплексными.
2) Находят соответствующие частные линейно независимые решения этого уравнения, причем в за-
висимости от вида корней соответствующие частные линейно независимые решения будут иметь различный вид:
a) каждому действительному корню соответствует решение ekx;
б) каждому действительному корню кратности m ставится в соответствие m решений:
ekx ; xekx ; ... xm 1ekx .
в) каждой паре комплексно – сопряженных корней i характеристического уравнение
ставится в соответствие два решения: e x cos x и e x sin x .
г) каждой паре m – кратных комплексно – сопряженных корней i характеристического уравнения ставится в соответствие 2m решений:
e x cos x, |
xe x cos x, |
... xm 1e x cos x, |
e x sin x, |
xe x sin x, |
...xm 1e x sin x. |
(более подробно возможные случаи представлены в таблице1. )
3) Составляют общее решение уравнения, которое представляется в виде линейной комбинации n линейно независимых частных решений этого уравнения:
n
y Cm ym C1 y1 C2 y2 ... Cn yn
m 1
Эта линейная комбинация и будет являться общим решением исходного линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.
Таблица 1. Частные линейно независимые решения зависимости от вида корней характеристического уравнение линейного однородного дифференциального уравнения n го порядка с постоянными коэф-
фициентами
№ |
Вид корней |
Вид частных решений |
39
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Корни |
k i 1, 2,..., n характери- |
|
|
|
|
y |
ek1x |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
стического уравнения действитель- |
|
|
|
|
y |
ek2 x |
|
|
|
||||||||||
1. |
ны и различны. |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
ekn x |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
Корни характеристического уравне- |
|
|
|
|
|
x |
cos |
x |
|
|
|
||||||||
|
ния комплексные числа k1 i |
|
|
|
y1 e |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
y2 e x sin x |
|
|
||||||||||||||
2. |
, k2 i . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Корни характеристического уравне- |
|
|
|
y1 |
cos x |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
ния мнимые числа k1 i , |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
y2 |
sin x |
|
|
|
||||||||||||
|
k2 i . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Корни характеристического урав- |
|
|
|
|
|
y1 e |
kx |
|
|
|
|
||||||||
|
нения действительны и кратны: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
y2 xekx |
|
|
|
||||||||||||
|
k |
k |
2 |
k |
... k |
m |
k |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
x2ekx |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
m |
xm 1ekx |
|
|
|
||||
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Корни характеристического уравне- |
y1 |
|
x |
cos x |
|
|
|
|
|
x |
sin x |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
ния комплексные числа k1 i , |
e |
|
|
|
y2 e |
|
|||||||||||||
|
y |
xe x cos x |
|
|
|
y |
|
xe x sin x |
||||||||||||
|
k2 i |
и кратности m каждый. |
3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
||||||
|
y |
x2e x cos x |
|
|
|
y |
x2e x sin x |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xm 1e x cos x |
|
|
… |
|
|
|
|
xm 1e x sin x |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
2m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
2m |
|
|||
Таким образом, линейные однородные уравнения с постоянными коэффициентами всегда можно решить в элементарных функциях, причем решение сводится к алгебраическим операциям. Пример 2. Решить уравнение y y 0 .
Решение.
Данное уравнение — линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами.
1. Составим характеристическое уравнение: k3 1 0;
|
|
|
|
|
(k 1)(k2 k 1) 0; |
|
k |
1; |
k2 k 1 0; |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
D 1 4 3; |
|
k |
|
|
|
1 |
|
|
3 |
i; |
k |
1 |
|
3 |
i; |
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
3 |
2 |
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2. Находим |
|
|
частные |
|
|
решения |
|
|
|
дифференциального |
уравнения |
||||||||||||||||
|
|
|
x |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
3 |
x; y e |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y |
ex ; y |
2 |
cos |
2 |
sin |
|
x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
1 |
2 |
|
|
|
2 |
3 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3. Составляем линейную комбинацию найденных решений . Общее решение будет иметь вид:
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
3 |
||||||
4. y C1ex e |
|
x C3 sin |
||||||||
2 |
C2 cos |
|
|
|
|
|
x . |
|||
2 |
2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
40
