 
        
        математика 1874
.pdf 
21
2 Диференціальне рівняння F(y, y′, y′′) = 0 , яке не містить
змінну х.
Знизимо порядок диференціального рівняння шляхом заміни y′ = p(y), y′′ = p p′
Отримаємо ДР-1: F(y, p, pp′) = 0 . Розв′яжемо його відноснофункції p:
p = ϕ (y,C1 ) або y′ = ϕ (y, C1 )
Проінтегруємо це диференціальне рівняння і отримаємо розв’язок ДР-2:
| ∫ | dy | 
 | = x + C2 . | 
| ϕ (y,C | ) | ||
| 1 | 
 | 
 | |
| Приклад 13. Знайти частинний розв′язок ДР-2 | |||
| y3 y′′ = y 4 − 16, y(0) = 2 2, y′(0) = 2 | |||
Розв′язання.
Диференціальне рівняння не містить змінну х. Знизимо порядок
| ДР-2 | шляхом | 
 | заміни | 
 | y′ = p; y′′ = pp′ . | 
 | 
 | 
 | Маємо ДР-1 | |||||||||||||||
| y3 p p′ = y 4 − 16 | 
 | з відокремлюваними змінними. Розв′яжемо його: | ||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | 4 | − 16 | 
 | 
 | 
 | 
 | 16 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | pdp = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | dy | ∫ pdp = ∫ y | − | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | dy + C1 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | 3 | 
 | 
 | 
 | y | 3 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | p2 | = | y2 | + | 8 | + C | 2 p2 = y2 | 
 | + | 16 | + 2C ; | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | y2 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y 2 | 1 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | p = | 
 | y2 + 16 + 2C | або y′ = | y | 2 + 16 + 2C | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y 2 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y2 | 1 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| Знайдемо значення сталої С1, | застосовуючи початкові умови: | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 2 = | 
 | 8 + 16 + 2C ; | 2 = 2 | 
 | 5 + C C = −4 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 8 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 1 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Маємо | ДР-1 | y′ = | 
 | 
 | y2 + 16 − | 8 = y 2 − 4 | з | 
 | відокремлюваними | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y2 | y | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
змінними. Розв’яжемо його:
 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 22 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| ydy | 
 | = dx; | ∫ | ydy | = | ∫ | dx + C | 
 | 
| y2 − | 4 | y2 − 4 | 2 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
1 ln y2 − 4 = x + C2
2
Знайдемо значення сталої С2 , застосовуючи початкові умови:
1 ln 8 − 4 = 0 + C2 C2 = ln 2.
2
Частинний розв′язок заданого ДР-2 має вигляд
1 ln y2 − 4 = x + ln 2 y2 − 4 = 4e2x .
2
Приклад 14 Знайти загальний розв′язок ДР-2
(y − 1)y′′ = (y′)2
Розв′язання.
Диференціальне рівняння не містить змінну х. Знизимо порядок
| ДР-2 шляхом заміни y′ = p; y′′ = p p′. | 
 | ||
| Маємо ДР-1 : | (y − 1)p p′ = p2 | з відокремлюваними змінними. | |
| Розв′яжемо його. | 
 | p = 0, | 
 | 
| p((y − 1)p′ − p) = 0 | (1) | ||
| 
 | (2) | ||
| З (1) маємо y′ = 0; | 
 | ( y − 1) p′ − p = 0 | |
| y = C - загальний розв′язок ДР-2 | 
 | ||
Рівняння (2) є ДР-1 з відокремлюваними змінними. Розв’яжемо його
| 
 | 
 | dp | = | 
 | 
 | 
 | 
 | dy | 
 | dp | = | 
 | 
 | dy | 
 | + lnC | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | p | y − 1 | 
 | 
 | ∫ p | 
 | 
 | 
 | 
 | ∫ y − | 1 | 1 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ln | 
 | p | 
 | = ln | 
 | y − 1 | 
 | + ln C1 ; | 
 | p = C1 (y − 1). | 
 | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| y′ = C1(y −1) це | 
 | 
 | ДР-1 з відокремлюваними змінними. Знайдемо | |||||||||||||||||||||||||||||
| його розв'язок | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | dy | = C dx; | 
 | 
 | dy | 
 | 
 | 
 | = C | dx + lnC | 2 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | y − 1 | 1 | 
 | 
 | ∫ y − 1 | 
 | 1 | ∫ | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| ln | 
 | y − 1 | 
 | = C x + ln C | 2 | . | 
 | 
 | 
 | 
 | y − 1 = C | eC1x | ; | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | |||||
 
23
y = C2eC1x + 1 - загальний розв′язок ДР-2.
3 Диференціальне рівняння F(x, y′′) = 0 , яке не містить шукану
функцію у та її похідну у′.
Можна знизити порядок ДР, як у випадку 7.1.1 або розв’язати ДР відносно у′′, якщо це можливо, і двічі проінтегрувати його:
y′′ = f (x) y′ = ∫ f (x)dx + C1
y = ∫(∫ f (x)dx + C1 )dx + C2 - загальний розв′язок ДР-2.
Приклад 15. Знайти загальний розв′язок ДР-2. y′′ = x − ln x
Розв’язання.
Рівняння розв′язане відносно у′′. Тому
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (x − ln x)dx + C | 
 | 
 | u = ln x; dv = dx | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| y′ = | ∫ | 
 | 
 | = | du = | 
 | dx | 
 | 
 | 
 | = | ∫ | xdx − | |||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ; v = x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| + ∫ x | dx | + C1 = | x2 | 
 | − x ln x + x + C1 . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | u = ln x; dv = | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | x | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | − x ln x + x + C1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | dx | 
 | 
 | |||||||||||||||
| y = ∫ | 
 | 
 | 
 | dx + C2 | = | = | 
 | ; v = | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | du | 
 | 
 | x | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| = | 1 | 
 | 
 | x2dx − | 
 | x2 | ln x + | 
 | 
 | x2 | 
 | 
 | dx | + | 
 | 
 | xdx + C | 
 | 
 | 
 | dx + C | 
 | ||||||||||||||||||||
| 2 ∫ | 2 | ∫ 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ∫ | 
 | ∫ | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 2 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| = | 1 | 
 | x3 | 
 | − | x2 | 
 | ln x + | 1 | 
 | x2 | 
 | + | x2 | 
 | + C1 x + C2 . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
Загальний розв′язок заданого ДР-2
x ln x +
xdx x2 =
2
=
| y = | x3 | − | x2 | ln x + | 3 | x | 2 + C x + C | 2 | 
| 
 | 
 | 
 | ||||||
| 6 | 2 | 4 | 
 | 1 | ||||
| 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 24 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 4 Диференціальне рівняння F(y′, y′′) = 0 , яке не містить шукану | ||||||||||||||||
| функцію у та змінну х. | y′′ = (y′)′ , можна знизити порядок ДР шляхом | |||||||||||||||
| Враховуючи, що | ||||||||||||||||
| заміни y′ = z, | 
 | 
 | y′′ = z′ . Матимемо ДР-1 F(z; z′) = 0 . Розв’яжемо | |||||||||||||
| його відносно z: | z = f (x)+ C1 або y′ = f (x)+ C1 . Проінтегруємо це | |||||||||||||||
| рівняння: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| y = ∫( f (x)+ C1 )dx + C2 | - загальний розв′язок ДР-2. | |||||||||||||||
| Приклад 16. Знайти загальний розв′язок ДР-2. | ||||||||||||||||
| y′ + 2 = y′′ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| Розв′язання. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Враховуючи, що y′′ = (y′)′ | = | d | (y′), зробимо заміну y′ = z , y′′ = z′ | |||||||||||||
| 
 | ||||||||||||||||
| матимемо: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | dx | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| z + 2 = z′ | dz | = dx . Проінтегруємо це рівняння: | ||||||||||||||
| z + 2 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | dz | 
 | = | 
 | dx + lnC ln | 
 | z + 2 | 
 | = x + lnC | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| ∫ z + | 2 | ∫ | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | |||||
| z + 2 = C ex ; | z = C ex − 2 | або y′ = C e x − 2 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 1 | |||
| Маємо ДР-1 з відокремлюваними змінними. | ||||||||||||||||
| y = ∫(C1e x − 2)dx + C2 = C1e x − 2x + C2 | ||||||||||||||||
| y = C ex − 2x + C | 2 | - загальний розв′язок заданого ДР-2. | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 5 Для ДР-2 | 
 | F(x, y, y′, y′′) = 0 | необхідно підібрати відповідну | |||||||||||||
заміну, яка дозволить знизити порядок диференціального рівняння та розв′язати його. Якщо заміну підібрати складно, то ДР розв′язують, застосовуючи наближені методи.
Лінійні однорідні диференціальні рівняння другого порядку зі сталими коефіцієнтами (ЛОДР-2).
Ці рівняння мають вигляд
 
25
y′′ + a1 y′ + a2 y = 0 , де a1 , a2 - дійсні числа. Загальний розв′язок ЛОДР-2
y = C1 y1 + C2 y2
де y1 , y2 -частинні розв′язки ЛОДР-2, які лінійно незалежні.
Щоб отримати загальний розв′язок цих рівнянь, необхідно скласти характеристичне рівняння, замінивши в заданому ДР похідну функції на змінну, степень якої співпадає з порядком похідної:
y′′ ~ k 2 ; y′ ~ k; y ~ k o = 1
| Маємо алгебраїчне рівняння другого степеня: | k | 2 + a k + a | 2 | = 0 . | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | |
| Розв′яжемо | його. | Дискримінант | D = a2 | − 4a | 2 | . За формулою | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| k1,2 = | − a1 ± | D | знаходимо корені цього рівняння. | Можемо мати | ||||||||||||||
| 
 | 2 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| три випадки: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| а) | 
 | D > 0 k1 , k2 | - дійсні, | різні. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Розв′язок ЛОДР-2 має вигляд: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y = C ek1x | + C | 2 | ek2x ; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| б) | D = 0 k1 = k2 = k - дійсні, рівні. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| Розв′язок ЛОДР-2 має вигляд: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | y = (C + C | 2 | x)ekx ; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| в) | 
 | D < 0 k1,2 = α ± β i | - | комплексні, | де | 
 | − 1 = i - уявна | |||||||||||
| одиниця, α = a1 ; | β = | D | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Розв′язок ЛОДР-2 має вигляд: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | y = eαx (C cos βx + C | 2 | sin βx) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| Приклад 17. Знайти загальний розв′язок ЛОДР-2. | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | y′′ + 4y′ − 5y = 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Розв’язання. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Складемо характеристичне рівняння k 2 + 4k − 5 = 0 , | знайдемо його | |||||||||||||||||
| корені: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 26 | 
| D = 16 + 4 5 = 36; | 
 | D = 6 | |||
| k1 | = − 4 + 6 = 1, k | 2 | = − 4 − 6 = −5 | ||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 2 | |
| Загальний розв′язок ЛОДР-2 | 
 | e−5x | |||
| 
 | y = C ex + C | 2 | |||
| 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | |
Приклад 18. Знайти частинний розв′язок ЛОДР-2
y′′ − 8y′ + 16y = 0, y(0) = 2; y(0) = 6
Розв′язання.
Складемо характеристичне рівняння k 2 − 8k + 16 = 0 , знайдемо його корені:
D = 64 − 4 16 = 0 , k1 = k2 = 4
Загальний розв′язок ЛОДР-2
y = (C1 + C2 x) e4x
Для знаходження частинного розв′язку визначимо сталі С1 і С2, застосовуючи початкові умови.
2 = (C1 + C2 0) e4 0 C1 = 2
y′ = C2 e4x + (C1 + C2 x) 4e4x
6 = C2e4 0 + (2 + C2 0) 4 e4 0 C2 = −2
Частинний розв′язок ЛОДР-2
| yчаст | = (2 − 2x)e4x | 
 | 
 | 
| Приклад 19. Знайти загальний розв′язок ЛОДР-2 | |||
| y′′ + 4y′ + 5y = 0 | 
 | 
 | |
| Розв′язання. | 
 | 
 | 
 | 
| Складемо характеристичне рівняння | k 2 + 4k + 5 = 0 , знайдемо його | ||
| корені: | 
 | 
 | = − 4 ± 2i = −2 ± i | 
| D = 16 − 4 5 = −4; | D = 2i , | k | |
| 
 | 
 | 1,2 | 2 | 
| α = −2; β = 1 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | |
Загальний розв′язок ЛОДР-2
 
27
y = e−2x (C1 cos x + C2 sin x)
Лінійні неоднорідні диференціальні рівняння другого порядку із сталими коефіцієнтами (ЛНДР-2).
Ці рівняння мають вигляд
y′′ + a1 y′ + a2 y = f (x), де а1, а2 – дійсні числа, f (x) - функція змінної х.
Загальний розв′язок цього рівняння складається із суми загального розв′язку відповідного ЛОДР-2 та частинного розв′язку ЛНДР-2: y = yодн + y , де уодн - загальний розв′язок відповідного
ЛОДР-2, y - частинний розв′язок ЛНДР-2. Знаходження загального розв′язку ЛОДР-2 розглянуто вище. Знаходження частинного розв′язку ЛНДР-2 залежить від вигляду функції f (x). Розглянемо окремі випадки вигляду функції f (x).
| 
 | 
 | 1 f (x) = eαx P (x), | 
 | де α - дійсне число, P (x)- многочлен п-го | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
| степеня. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = eαx Qn (x) xS , | ||
| 
 | 
 | Частинний розв′язок | 
 | 
 | знаходимо у вигляді | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | |||||||
| 
 | 
 | 
 | y | |||||||||
| де α - відповідає значенню α з функції | f (x); | Qn (x) - многочлен | ||||||||||
| такого ж степеня як і Pn (x), записаний в загальному вигляді: | ||||||||||||
| Q | n | (x) = b xn + b | n−1 | xn−1 | + ...+ b x3 | + b x | 2 + b x + b , | |||||
| 
 | n | 
 | 3 | 2 | 1 | 0 | ||||||
| де bi (i = 0,1,...,n) | невідомі коефіцієнти; s – дорівнює числу збігів α з | |||||||||||
коренями кі характеристичного рівняння для ЛОДР-2.
Для знаходження bі, необхідно в задане ЛНДР-2 підставити
y, y′ , y″ . З отриманого рівняння складемо систему рівнянь для
визначення bi, прирівнявши коефіцієнти при однакових степенях змінної х.
Приклад 20. Знайти загальний розв′язок ЛНДР-2. y′′ − y′ − 6y = e−2x (x + 4)
Розв'язання.
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 28 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | Загальний розв’язок має вигляд | 
 | y = yодн + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | y | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| Знайдемо уодн, розв′язуючи відповідне ЛОДР-2: | y′′ − y′ − 6y = 0 . | |||||||||||||||||||||||||
| Характеристичне | рівняння | для | 
 | 
 | нього | 
 | k 2 − k − 6 = 0 | |||||||||||||||||||
| k1 = −2, k2 | = 3 . Тоді загальний розв′язок ЛОДР-2 має вигляд | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | одн | = C e−2 x | + C | 2 | e3x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | f (x) = e−2x (x + 4), | |||||||||
| 
 | 
 | В правій частині заданого ЛНДР-2 | функція | |||||||||||||||||||||||
| де α = −2 i n = 1. | Тому | Q1 (x) = b1 x + b0 , s = 1 , | так як | 
 | k1 = α . | |||||||||||||||||||||
| Частинний | 
 | 
 | розв′язок | ЛНДР-2 | 
 | шукатимемо | у | 
 | вигляді | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | = e−2x (b x + b ) | x = e−2x | (b x2 + b x) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | y | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 0 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ′ , | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ″ , а | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | Знайдемо значення коефіцієнтів | b | та b . Для цього | y | , | y | y | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| саме : | 
 | 
 | ′ = e−2x (− 2)(b x2 + b x)+ e | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | −2x (2b x + b ) = | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = e | −2x (− 2b x2 − 2b x + 2b x + b | ) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | ″ = e−2x (− 2)(− 2b x2 − 2b x + 2b x + b | 
 | )+ e−2x | (− 4b x − 2b + 2b ) = | |||||||||||||||||||||
| 
 | y | 
 | ||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 0 | 1 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 1 | ||||
= e−2x (4b1x2 + 4b0 x − 8b1x − 2b0 + 2b1 )
підставимо в задане ЛНДР –2. Отримаємо рівняння e−2x (4b1x2 + 4b0 x − 8b1x − 2b0 + 2b1 )−
− e−2x (− 2b1x2 − 2b0 x + 2b1x + b0 )− 6e−2x (b1x2 + b0 x)=
| 
 | = e−2x (x + 4)| ÷ e−2x | або | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 4b x | 2 + 4b x − 8b x − 2b + 2b + 2b x2 | + 2b x − 2b x − b − 6b x2 | − | |||||||
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 
 | 
− 6b0 x = x + 4
Приведемо подібні
− 10b1x − 3b0 + 2b1 = x + 4
Маємо рівність двох многочленів. Прирівняємо коефіцієнти при однакових степенях змінної х:
29
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x | 
 | − 10b1 = 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | b1 = −0,1 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | xo | 
 | − 3b + 2b = 4 | b = −1,4 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| Частинний розв′язок ЛНДР-2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = e−2x (− 1,4x2 − 0,1x). | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | y | 
 | ||||||||||||||||||||||||||
| Загальний розв′язок ЛНДР-2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | e3x + e−2x (− 1,4x2 − 0,1x) | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y = C e−2x | + C | 2 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Приклад 21. Знайти частинний розв′язок ЛНДР-2. | 
 | |||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y′′ − 3y′ + 2y = 36e− x , y(0) = 8, y′(0) = 2 | 
 | |||||||||||||||||||||
| Розв′язання. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y = yодн + | 
 | 
 | 
 | |||||||
| Загальний розв’язок має вигляд | y | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| Знаходимо загальний розв′язок | ЛОДР-2: | 
 | y′′ − 3y′ + 2y = 0 . | |||||||||||||||||||||||||
| Характеристичне | 
 | 
 | рівняння | 
 | 
 | 
 | 
 | для | нього | k 2 − 3k + 2 = 0 | 
 | |||||||||||||||||
| k1 = 1; | k2 = 2 . Тоді загальний розв′язок ЛОДР-2 має вигляд | 
 | ||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | одн | = C ex | + C | 2 | e2x . | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | f (x) = 36e− x , | 
 | ||||||
| В | правій | частині | ЛНДР-2 | функція | 
 | де | ||||||||||||||||||||||
| α = −1, | n = 0, s = 0 (α ≠ k1; | α ≠ k2 ). Частинний розв′язок ЛНДР-2 | ||||||||||||||||||||||||||
| шукатимемо у вигляді | 
 | 
 | = Ae− x . Знайдемо значення коефіцієнта А. | |||||||||||||||||||||||||
| 
 | y | |||||||||||||||||||||||||||
| Для цього | 
 | , | 
 | ′ , | 
 | ″ , а саме : | 
 | 
 | 
 | 
 | ′ = − Ae− x , | 
 | ″ = Ae− x , підставимо в | |||||||||||||||
| y | y | y | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | y | y | ||||||||||||||||||||||||
| задане ЛНДР –2. Отримаємо рівняння | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||
| Ae− x + 3Ae− x + 2Ae− x = 36e− x | ÷e− x | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| 6A = 36 A = 6 . Тоді | 
 | = 6e− x . | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| y | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| Загальний розв′язок ЛНДР-2 має вигляд | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y = C ex | + C | 2 | e2x + 6e− x | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
Знайдемо частинний розв′язок ЛНДР-2, застосовуючи початкові умови:
8 = C1e0 + C2e0 + 6e0 C1 + C2 = 2 y′ = C1ex + 2C2e2x − 6e− x
2 = C1e0 + 2C2e0 − 6e0 C1 + 2C2 = 8
 
30
| Отримаємо значення C1 = −4 | 
 | і | C2 = 6 . Частинний | розв′язок | ||||||||||
| заданого ЛНДР-2 має вигляд: | 
 | 
 | 
 | 
 | + 6e− x | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | yчаст = −4ex + 6e2x | 
 | 
 | ||||||||||
| 2 f (x) =eαx (P (x)cos βx)+ Q | n | (x)sin βx , | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| де α , β - дійсні числа; Pn (x)i Qn (x) - многочлени одного степеня, | ||||||||||||||
| вони можуть бути і сталими числами, а один із них навіть нулем. | ||||||||||||||
| Частинний розв′язок | 
 | знаходимо у вигляді | 
 | 
 | ||||||||||
| y | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | = eαx (Sn (x)cos βx + Rn (x)sin βx) xS , | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | y | 
 | ||||||||||
| де α i β - | відповідають | значенням | α i β | з функції f (x); | ||||||||||
| Sn (x)i Rn (x) | - | многочлени | одного | степеня | рівного | степеню | ||||||||
| многочленів | Pn (x)i Qn (x), | але | записані | у загальному вигляді; s - | ||||||||||
| дорівнює числу | збігів α ± β i | з коренями k1,2 | характеристичного | |||||||||||
| рівняння для ЛОДР-2. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Sn (x) та | ||||||
| Для знаходження невідомих коефіцієнтів многочленів | ||||||||||||||
Rn (x) необхідно в задане ЛНДР-2 підставити y, y′ , y″ . З отриманого рівняння складемо систему рівнянь для визначення шуканих
| коефіцієнтів, прирівнявши коефіцієнти при sin βx | та cosβx . | |||
| Приклад 22. Знайти загальний розв′язок ЛНДР-2. | ||||
| y′′ − 4y′ + 53y = 200cos 7x | 
 | |||
| Розв′язання. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Загальний розв′язок ЛНДР-2 y = yодн + | 
 | . | 
 | |
| y | 
 | |||
| Знаходимо загальний розв′язок ЛОДР-2: | y′′ − 4y′ + 53y = 0 . | |||
| Характеристичне рівняння для нього k 2 − 4k + 53 = 0 | ||||
| D = 16 − 4 53 = 16 − 212 = −196; k | = 4 ± | − 196 = 2 ± 7i | ||
| 1,2 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | |
Загальний розв′язок ЛОДР-2 має вигляд
yодн = e2x (C1 cos 7x + C2 sin 7x)
