- •Высшая математика
- •Часть 3
- •Составители: ст.Преп. Елена Николаевна Бесперстова
- •Рабочая программа
- •Рекомендуемая литература
- •Контрольная работа №7.
- •4.1-4.30.
- •Методические указания и примеры для выполнения контрольной работы № 7
- •1. Неопределенный интеграл
- •2. Основные методы интегрирования
- •3. Интегрирование рациональных дробей
- •4. Интегрирование некоторых иррациональных выражений
- •5. Интегрирование тригонометрических функций
- •6. Определенный интеграл
- •7. Несобственные интегралы.
- •8. Геометрические приложения определенного интеграла
- •Контрольная работа №8 Дифференциальные уравнения
- •Методические указания и примеры для выполнения контрольной работы №8
- •1. Дифференциальные уравнения
- •2. Дифференциальные уравнения первого порядка
- •2.1. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными
- •2.2. Однородные уравнения первого порядка
- •2.3. Линейные уравнения первого порядка.
- •3. Дифференциальные уравнения высших порядков
- •4. Линейные уравнения второго порядка.
- •5. Системы дифференциальных уравнений
- •Контрольная работа №9
- •Методические указания и примеры для выполнения контрольной работы № 9
- •1. Кратные и криволинейные интегралы
- •2. Вычисление двойных интегралов
- •3. Вычисление тройных интегралов
- •4. Вычисление криволинейных интегралов
4. Линейные уравнения второго порядка.
Рассмотрим теперь важный класс уравнений вида
. (10)
Если
,
то данное уравнение называетсяоднородным.
В
противном случае, данное уравнение
называется неоднородным.
Общее
решение неоднородного уравнения
имеет вид
,
где
—
общее
решение соответствующего однородного
уравнения:
,
а
—
некоторое
частное решение исходного уравнения.
Будем
рассматривать наиболее часто встречающиеся
в практике случаи, когда коэффициенты
,
,
являются постоянными числами, а правая
часть имеет простой (специальный) вид.
К таким
уравнениям приводят многие физические
задачи, решение которых, например,
основано на втором законе механики
,
где
— масса системы,
— ускорение,
— действующие силы.
Если,
например, на некоторую систему действуют
силы
(сила, пропорциональная скорости
движения) и
(сила, восстанавливающая отклонение от
положения равновесия), при этом внешнее
возмущение описывается функцией
,
то учитывая, что
,
а
,
получаем
или
,
что, с точностью до обозначений, совпадает с общим видом линейных уравнений второго порядка (10).
Решение
уравнения (10) ищем в виде
.
Для нахождения
составляетсяхарактеристическое
уравнение
,
находятся
его корни
и
и, в зависимости от их значений,
определяется
.
Правило
нахождения
укажем в таблице 3.Таблица
3
|
Характеристическое уравнение
|
Общее
решение однородного уравнения
|
|
1.
|
|
|
2.
|
|
|
3.
|
|
При
нахождении
будем исходить из того, что правая часть
уравнения
имеет
специальный вид:
;
;
;
,
где
и
—
заданные
многочлены в степени
.
Например,
—
многочлен нулевой степени,
—
многочлен первой степени,
—
многочлен второй степени и так далее.
Соответствующие значения для
укажем в таблице 4.
Таблица 4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В
выражениях для
содержится функция
,
которая представляет собой многочлен
степени
с
неизвестными коэффициентами:
.
Задача
состоит в том, чтобы найти эту функцию,
т.е. найти неизвестные коэффициенты
.
Для
этого нужно найти
,
,
подставить значения
,
,
в исходное уравнение и из сравнения
левой и правой частей найти неизвестные
коэффициенты.
Замечание.
Если правая часть
и
— частное решение уравнения с правой
частью
,
—
частное
решение уравнения с правой частью
,
то
частное решение для уравнения с правой
частью
будет
.
Пример
6. Найти
общее решение уравнения (10), если
,
,
,
.
Решение.
При заданных значениях
уравнение (10) примет вид
.
Обозначим
искомое решение через
.
Тогда
,
где
-
общее
решение уравнения
.
Составим
характеристическое уравнение
,
.
Следовательно
.
Найдем
.
Так как правая часть уравнения равна
,
то
это случай 4 табл.4 и, частное решение
было бы
,
если
бы числа
не было среди коней характеристического
уравнения. Но, так как число
встречается среди коней характеристического
уравнения один раз (
),
то
.
Найдем
,
,
подставим эти значения в данное уравнение
и потребуем, чтобы оно обратилось в
тождество
;
,
откуда
.
Таким
образом,
и общее решение уравнения будет
.
Если
в начальный момент времени
известны
и
,
то можно найти частное решение уравнения
(10), удовлетворяющее этим условиям, то
есть решить, так называемую,задачу
Коши.
Пример
7.
Найти
частное решение уравнения
,
удовлетворяющее
начальным условиям
.
Решение.
Данное
уравнение — это уравнение вида (10), при
,
,
,
.
Найдем
сначала общее решение данного уравнения
.
Для этого решим соответствующее однородное уравнение:
.
Следовательно
.
Так
как числа
нет среди корней характеристического
уравнения, то (случай 3, табл.2) частное
решение
подбираем в таком же виде, как и правая
часть
,
,
.
Подставляем
эти значения в уравнение
.
Следовательно,
.
Значит,
- общее решение данного уравнения. Для
нахождения частного решения,
удовлетворяющего заданным начальным
условиям, найдем:
.
Так как
и
,
то получаем

Подставляя
эти значения в общее решение, найдем
частное решение
,
удовлетворяющее заданным начальным
условиям.
Пример
8.
Найти частное решение уравнения
,
удовлетворяющее начальным условиям:
.
Решение.
Данное уравнение — это уравнение вида
(10), при
,
,
,
.
Решаем
уравнение
.
Составляем
характеристическое уравнение
.
Следовательно,
— общее решение уравнения без правой
части. По виду правой части
находим число![]()
,
(случай 2, табл. 2). Такого числа среди
корней характеристического уравнения
нет, поэтому
;
;
.
Подставим
эти значения в данное уравнение
или
.
Сравнивая
слагаемые, содержащие
и
,
получим

Поэтому
,
— общее решение данного уравнения.
Найдем

Учитывая
начальные условия, найдем:
,
,откуда
.
Подставляя эти значения в общее решение,
получим
— частное
решение исходного уравнения, удовлетворяющее
заданным начальным условиям.
Физический
смысл полученного решения (и предыдущих)
в том, что это есть отклонение платформы
от положения равновесия в любой момент
времени. В частности, при
получим
.
