Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Вища математика / В.М.-iнтеграли

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
1.29 Mб
Скачать

Для відшукання загального розв’язку ЛНДР (10.4.1) розглянемо метод варіації довільних постійних.

1. Знаходимо загальний розв’язок ЛОДР (10.4.2.)

y(x) = c1 y1 (x) + c2 y2 ( x) ,

(10.4. 3)

де y1 (x) й y2 (x) – лінійно незалежні частинні розв’язки диференціального

рівняння (10.4. 2), c1, c2– довільні сталі.

2. Запишемо загальний розв’язок ЛНДР (10.4.1) у формі (10.4.3)

y(x) = c1 ( x) y1 ( x) + c2 (x) y2 ( x) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.4. 4)

де c1 (x)

й c2 (x)

невідомі функції. Функції

c1 (x) й c2 (x) підберемо так, щоб

функція y(x)

була розв’язком диференціального рівняння (10.4. 1).

3.

Для

визначення

c1 (x)

й c2 (x) необхідно розв’язати

систему лінійних

неоднорідних алгебраїчних рівнянь:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c¢

(x) y (x) + c¢ (x) y

2

(x) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.4. 5)

 

 

1

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c¢(x) y¢(x) + c¢

(x) y

¢ (x) = f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Із системи рівнянь (10.4. 5)

 

c′ (x)

і c′ (x) визначаються єдиним чином, тому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

що визначник системи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W [y (x), y

 

(x)]

 

¹ 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

=

y1 (x) y2 (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

y¢(x) y¢ (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функції

 

y1 (x) й y2 (x)

лінійно незалежні.

 

 

 

 

 

 

 

 

Нехай

 

 

 

 

 

 

 

 

c

(x) = ϕ

(x) й

 

 

c

(x) = ϕ

2

(x) .

Тоді

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

c1 (x) = ϕ1 (x)dx + c1, c2 (x) = ϕ2 (x)dx + c2 , де

 

c1 й c2 постійні інтегрування.

4. Знайдені c1 (x)

й c2 (x) , підставимо в співвідношення (10.4. 4) і одержимо

загальний розв’язок ЛНДР (10.4. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) = (ϕ1 (x)dx + c1 )y1 (x) + (ϕ 2 (x)dx + c2 )y2 ( x)

 

 

 

 

 

 

 

 

або y(x) = c1 y1 (x) + c2 y2 ( x) + y1 (x)ϕ1 (x)dx + y2 ( x)ϕ 2 (x)dx .

 

 

 

 

(10.4.6)

У співвідношенні (10.4. 6)

c1 y1 ( x)

+ c2 y2 (x) - загальний розв’язок ЛОДР (10.4.

2),

а функція y ( x) = y1 ( x)ϕ1 ( x)dx + y2 ( x)ϕ 2 ( x)dx -

частинний розв’язок ЛНДР

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.4. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 1. Знайти загальний розв’язок диференціального рівняння

 

′′

y =

 

e x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

1 + e x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10.4. 7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Відповідне однорідне диференціальне рівняння y′′ − y = 0

 

Характеристичне рівняння λ2 -1 = 0 λ = -1, λ

2

= 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

= ex , y

 

= e x .

 

Отже, фундаментальна система розв’язків є y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Відповідно до методу варіації довільних постійних загальний розв’язок неоднорідного рівняння (10.4.7) шукаємо у вигляді

y = c1 ( x)e x + c2 ( x)e x .

Для відшукання c′ (x) й c

(x)

1

2

 

(10.4. 8)

запишемо систему рівнянь (10.4. 5)

- 140 -

c′(x)ex + c′ (x)ex

= 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c′(x)ex

+ c

(x)ex =

 

 

 

 

 

ex

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв’яжемо систему рівнянь за формулами Крамера.

 

 

 

 

 

 

Визначник системи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

e

x

 

 

 

 

e

x

 

= 2, .∆1 =

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

e x

 

 

= −

 

 

 

e

2 x

 

 

 

; 2 =

 

 

 

ex

0

 

 

 

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

;

 

ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ e x

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

ex

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

ex

 

 

 

 

 

+ ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + e

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e 2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= −

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

(x) =

 

 

 

 

2

=

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1 (x) =

 

 

 

 

 

2(1

+ e x )

 

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

2(1

+ e x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У результаті інтегрування знаходимо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 e2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

(e2 x −1) +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1 (x) = −

 

 

 

 

 

dx = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1+ ex

2

 

 

 

 

 

 

1+ ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

(ex

 

−1)(ex + 1)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

(ex

x) −

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1+ ex

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1+ ex

 

 

2

 

2

 

1+ ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

=

 

(1 + e x ) − e x

dx = dx

d (1 + e x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Знайдемо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= x − ln(1 + e x ) .

 

1 + e

x

 

 

 

 

 

1 + e

x

 

 

 

 

 

 

1

+ e

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

~

 

 

Отже, c1 (x) = −

 

 

 

 

(e

 

 

 

x) −

 

 

 

 

 

x +

 

 

 

 

ln(1

+ e

 

 

) =

 

 

(ln(1 + e

) − e

 

) + c1

,

 

2

 

 

 

2

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2 (x) =

 

 

(x − ln(1 + e

 

)) + c2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Підставляючи вирази для c1 (x) й

 

 

 

 

c1 (x)

 

в (10.4. 8), одержимо загальний

розв’язок неоднорідного диференціального рівняння

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

x

 

 

 

~

 

x

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

1

 

x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) = c1e

 

 

 

+ c2 e

 

 

 

+

 

 

 

 

ln(1 + e

 

 

)(e

 

 

 

 

e

 

 

) +

 

 

 

 

xe

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.5. Лінійні неоднорідні диференціальні рівняння n-го порядку з постійними коефіцієнтами і з правою частиною спеціального виду. Метод невизначених коефіцієнтів

Розглянемо лінійне неоднорідне диференціальне рівняння з постійними коефіцієнтами:

y (n) + a y (n−1)

+ ... + a

n

y = f (x) ,

(10.5. 1)

1

 

 

 

де ai (i = 1, n) – дійсні числа. Відповідне (10.5.1) ЛОДР:

y (n) + a1 y (n−1) + ... + an y = 0 .

Загальний розв’язок ЛОДР має вигляд:

y(x) = c1 y1 + c2 y2 + ... + cn yn ,

де ci – довільні сталі (i = 1, n) , а yi (i = 1, n) – фундаментальна система розв’язків

цього диференціального рівняння.

Загальний розв’язок ЛНДР (10.5.1)визначається формулою:

= + + + + ~ , y(x) c1 y1 c2 y2 ... cn yn y (x)

де ~ – який-небудь частинний розв’язок (10.5. 1).

y (x)

У попередньому параграфі був розглянутий загальний метод відшукання

- 141 -

загального розв’язку ЛНДР − метод варіації довільних сталих.

Якщо має спеціальний вигляд, то частинний розв’язок ~ може

f (x) y (x)

бути знайдено методом невизначених коефіцієнтів.

Метод невизначених коефіцієнтів дозволяє для так називаної спеціальної правої частини знайти частинний розв’язок неоднорідного диференціального рівняння без інтегрування.

Загальний вид спеціальної правої частини

f (x) = eαx (P (x) cos βx + Q

m

(x) sin βx) ,

(10.5. 2)

n

 

 

де Pn (x) й Qm (x) – поліноми степенів n і m відповідно, тобто

Pn(x) = c0 x n + c1 x n−1 + ... + cn−1 x + cn ,

Qm (x) = D0 x m + D1 x m−1 + ... + Dm−1 x + Dm ,

α і β - дійсні числа.

Частинний розв’язок ЛНДР, що відповідає даній правій частини f (x) шукаємо у вигляді

~

= e

αx

(M r

(x) cos βx + N r (x) sin βx)x

k

,

(10.5. 3)

y

 

 

де M r (x) й Nr (x)

поліноми степеня r з невизначеними коефіцієнтами:

M

r

(x) = A x r + A x r −1

+ ... + A

 

x + A ,

 

 

 

 

0

1

 

r −1

 

 

r

 

 

N

r

(x) = B

x r + B x r −1

+ ... + B

r −1

x + B

r

,

 

 

 

 

 

0

1

 

 

 

 

 

r = max(m, n) ;

k – кратність коренів α ± iβ характеристичного рівняння; якщо числа α ± iβ не є коренями характеристичного рівняння, то треба покласти k=0.

Для ЛНДР має місце принцип накладення розвязків: якщо

y1

частинний

розвязок неоднорідного рівняння із правою частиною f1 (x) ,

y2

частинний

розвязок рівняння із правою частиною f 2 (x) , то сума y1 + y2

є частинний

розвязок рівняння із правої частиною f1 (x) + f 2 (x) .

 

 

 

Таким чином, якщо ЛНДР має вигляд:

 

 

 

y

(n)

+ a1 y

(n−1)

+ ... + an y = f1 (x) + f 2 (x) , то частинний розв’язок y (x)

 

 

 

(x) + y

2 (x) , де

~

можна представити у вигляді суми y1

y1 (x) й

 

 

 

 

~

~

 

~

частинні розв’язки рівнянь:

цього рівняння

~ відповідні y2 (x)

y (n) + a y (n−1) + ... + a

n

y = f

(x) ; y (n)

+ a y (n−1) + ... + a

n

y = f

2

(x) .

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

Приклад 1. Знайти частинний розв’язок рівняння

y

′′

+ 4 y = sin 2x ,

y(0) = 0,

 

 

 

 

 

 

(10.5. 4)

 

 

y (0) = 1

 

 

 

 

 

 

 

Розглянемо ЛОДР y′′ + 4 y = 0 , що відповідає даному неоднорідному.

Характеристичне рівняння:

 

 

 

 

 

 

λ2

+ 4 = 0 , корені цього рівняння λ

= ±2i .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

 

 

 

 

 

Загальний розв’язок однорідного рівняння y0.0. = c1 cos 2x + c2 sin 2x .

Права частина рівняння

f (x) = sin 2x .

 

 

 

 

Виходячи із загального виду спеціальної правої частини (10.5.2) маємо:

P0 (x) = 0, Q0 (x) = 1, α = 0, β = 2, r = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

Числа

α ± iβ = 0 ± 2i = ±2i

є

корені

 

характеристичного рівняння.

Частинний розв’язок шукаємо у вигляді: ~ = + .

y (x) (M cos 2x N sin 2x)x

- 142 -

Тут числа

± 2i є

простими коренями

характеристичного

рівняння

(k = 1, r = 0, r = max(n, m) ,

де

n = 0, m = 0) . Підставимо функцію y (x) і її похідні

y (x) ,

 

у

рівняння

(10.5.

~

одержимо:

y (x)

4),

~

 

~′′

 

 

 

 

 

~

′ = −2Mx sin 2x + 2xN cos 2x + M cos 2x + N sin 2x ,

 

 

 

y

 

 

 

%

′′

= −4M sin 2x + 4N cos 2x − 4xM cos 2x − 4xN sin 2x .

 

 

y

 

 

 

Невизначені коефіцієнти М и N визначаємо з тотожності:

− 4M sin 2x + 4N cos 2x = sin 2x ,

звідки прирівнюючи коефіцієнти при sin 2x й cos 2x , одержимо систему

sin 2x

− 4M = 1 M = −

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2x

 

 

 

4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отже, частинний розв’язок: y (x) = −

 

 

x cos 2x .

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальний розв’язок диференціального рівняння:

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) = y0.0. + y (x) або y(x) = c1

cos 2x + c2 sin 2x

 

 

x cos 2x .

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для відшукування частинного розв’язку використаємо початкові умови

y(0) = 0 c1

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Знаходимо

 

1

 

cos 2x +

1

 

x sin 2x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y (x) = −2c1 sin 2x + 2c2 cos 2x

4

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

маємо 2c2

1

 

= 1, c2

=

5

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

З початкової умови y (0) = 1

4

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отже, y =

5

sin 2x

1

x cos 2x

шуканий частинний розв’язок.

 

 

 

 

 

 

8

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 2. Знайти загальний розв’язок рівняння:

 

 

 

y′′ − 6 y′ + 13y = e x (x 2 − 5x + 2) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристичне рівняння: λ2 − 6λ + 13 = 0 , його корені λ

 

= 3 ± 2i .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

 

 

 

Загальний розв’язок однорідного рівняння y

0.0.

= e3x (c cos 2x + c

2

sin 2x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Права частина f (x) = ex (x2 − 5x + 2), P (x) = x2

 

− 5x + 2, β = 0,

r = 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число α=1 не є коренем характеристичного рівняння. Частинний розв’язок

шукаємо у вигляді

~

x

( Ax

2

+ Bx + C) .

y (x) = e

 

 

Невизначені коефіцієнти А, В, C визначаємо, диференціюючи двічі y (x) й

 

 

 

 

 

 

~

підставляючи у вихідне рівняння: ( e x скорочуємо)

~

x

( Ax

2

+ Bx + C + 2 Ax + B) ,

y (x) = e

 

 

 

 

~′′

 

x

( Ax

2

+ Bx + C + 4 Ax + 2B + 2 A) ,

y (x) = e

 

 

Ax2 + Bx + C + 4 Ax + 2B + 2 A − 6( Ax2 + Bx + C + 2 Ax + B) +13( Ax2 + Bx + C) = x2 − 5x + 2, або : 8Ax 2 + (8B − 8A)x + (8C − 4B + 2 A) = x 2 − 5x + 2

Прирівняємо коефіцієнти при однакових степенях х:

x2

 

8A = 1 A =

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

x1

 

8B − 8A = −5 B = −

1

,

 

 

 

 

 

2

 

 

 

x0

 

8C − 4B + 2 A = 2 C = −

1

,

 

 

 

 

32

 

 

 

 

- 143 -

одержимо:

%

x

1

 

2

1

x

1

 

 

 

x

 

 

 

.

y(x) = e

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

2

 

32

 

Маємо загальний розв’язок диференціального рівняння:

y(x) = e

3 x

(c cos 2x + c sin 2x) + e

x

1

x

2

1

x

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

32

 

Приклад 3. Знайти розв’язок рівняння

y′′ + y′ = x 2 + 2x

задовольняючий початковим умовам: y(0) = 4, y′(0) = −2 . Відповідне однорідне рівняння

y′′ + y′ = 0 .

Характеристичне рівняння

λ2 + λ = 0 λ1 = 0, λ2 = −1.

Загальний розв’язок однорідного рівняння: y

0.0.

= c

+ c

 

e x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = x 2 + 2x , тоді α = β = 0.

1

2

 

 

 

 

 

 

Права частина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виходить,

 

α ± iβ = 0

є простий корінь характеристичного рівняння,

тобто

k=1, тому частинний розв’язок шукаємо у виді:

~

 

 

 

 

2

+ Bx + C)x .

 

 

y (x) = ( Ax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Підставивши функцію y (x) у вигляді:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

= Ax

3

+

Bx

2

 

 

 

 

%

 

 

2

+ 2Bx + C ,

%′′

 

 

 

 

 

 

 

y (x)

 

 

+ Cx і її похідні y (x) = 3Ax

 

y (x) = 6 Ax + 2B

 

 

у вихідне диференціальне рівняння,

одержимо тотожність:

 

 

6 Ax + 2B + 3Ax 2 + 2Bx + C = x 2 + 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прирівнюючи коефіцієнти при однакових степенях х, знайдемо А, В, C

 

x 2

 

 

3A = 1, A =

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 A + 2B = 2; B

= 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 0

2B + C = 0, C = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тоді

y ( x) =

3

x

 

 

частинний розв’язок рівняння.

Загальний

розв’язок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диференціального рівняння : y(x) = c

+ c

ex +

1

x 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′ − y′ − 2 y = e x

+ e −2 x ,

 

 

 

 

Приклад 4. Знайти загальний розв’язок ЛНДР:

 

f

1

(x) = e x , f

2

(x) = e−2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розглянемо відповідне ЛОДР: y′′ − y′ − 2 y = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристичне рівняння λ 2 − λ − 2 = 0 , корені λ = 2, λ

2

= −1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

~

 

~

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

Частинний розв’язок ЛНДР шукаємо у вигляді y (x) = y1

(x) + y2 (x) , де

y1 (x) й

~

(x) – відповідні частинні розв’язки диференціальних рівнянь:

 

 

y2

 

 

y′′ − y′ − 2 y = e x , y′′ − y′ − 2 y = e−2 x .

Частинні розв’язки цих диференціальних рівнянь відповідно рівні:

~

1

 

x

 

~

1

 

−2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 (x) = −

 

e

 

,

y2 (x) =

 

e

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

1

 

x

 

1

 

−2 x

 

 

 

 

 

Частинний розв’язок ЛНДР:

y (x) = −

 

e

 

+

 

 

e

 

.

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальний розв’язок ЛНДР:

y(x) = c e 2 x

+ c

 

ex

1

e x +

1

e−2 x .

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 144 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0.0. = c1e2 x + c2e4 x

Приклад 5. Знайти загальний розв’язок рівняння

y¢¢ - 6 y¢ + 8 y = 3e2 x .

Відповідне однорідне рівняння: y′′ − 6 y′ + 8 y = 0 .

Корені його характеристичного рівняння λ2 − 6λ + 8 = 0 дорівнюють: λ1 = 2, λ2 = 4 .

Загальний розв’язок однорідного рівняння:

Знайдемо частинний розв’язок.

Порівняємо праву частину рівняння з (10.5. 2), одержимо α = 2, β = 0 . Число α ± iβ = 2 є простий корінь характеристичного рівняння.

Тому частинний розв’язок неоднорідного рівняння шукаємо у вигляді

~

 

 

2 x

× x ,

де k = 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y (x) = Ae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P0 (x)

і Q0 (x)

поліноми нульового степеня, у зв'язку із цим r=0 і коефіцієнт

при

e

2 x

беремо у

вигляді

константи. Знаходимо похідні

~

~′′

і

 

y (x) ,

y (x)

підставляємо їх у неоднорідне рівняння, що дає

 

 

 

8Ax − 6 A − 12 Ax + 4 A + 4 Ax = 3 ( e2 x

скорочується).

 

 

 

Звідси маємо

A = -

3

,

~

3

 

−2 x

× x .

 

 

 

 

 

 

 

y (x) = -

 

e

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Загальний розв’язок:

y(x) = c e 2 x + c

e4 x

-

3

e2 x × x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад 6. Записати вид частинних розв’язків неоднорідних

диференціальних рівнянь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a) y′′ + 4 y = sin 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Корені характеристичного рівняння λ1,2 = 2i .

 

 

 

Аналізуємо праву частину:

f (x) = sin 2x , тоді α = 0, β = 2 , тобто α + iβ = +2i

є

простими коренями характеристичного рівняння, тому частинний розв’язок має вигляд

~ = + . y (x) ( A cos 2x B sin 2x)x

б) y¢¢ - 2 y¢ + y = (6x 2 - 4)e x .

Характеристичне рівняння λ2 − 2λ +1 = 0 .

Його корені λ1,2 = 1. Порівнюючи праву частину з (10.5. 2) визначаємо, що α = 1, r = 2, k = 2 . Отже, частинний розв’язок запишеться

~

 

x

( Ax

2

+ Bx + C)x

2

.

 

 

 

y (x) = e

 

 

 

 

 

 

в)

y¢¢ + 6 y¢ + 9 y = 2xe−3x sin x .

 

 

 

Корені характеристичного рівняння

 

λ1,2

= −3 . З правої частині маємо: α = −3,

β = 1, r = 1.

Вид частинного розв’язку y (x) = e

−3 x

(( Ax + B) cos x + (Cx + D) sin x).

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

г)

y¢¢ - 6 y¢ +13y = 8e3x sin 2x .

 

 

= 3 ± 2i .

Корені характеристичного рівняння λ1,2

З правої частині знаходимо: α = 3,

β = 2, тобто α ± iβ = 3 ± 2i

характеристичного рівняння: r = 0,

k = 1

 

Частинний розв’язок:

 

 

 

 

– прості корені

- 145 -

~

3x

( Acos 2x

+ B sin 2x)x .

y (x) = e

 

- 146 -

Розділ 11

ЧИСЛОВІ І ФУНКЦІОНАЛЬНІ РЯДИ

Числові ряди. Основні поняття. Необхідна ознака збіжності

Розглянемо послідовність чисел a1,a2 ,..., an ,....

Вираз a1 + a2 + ... + an + ... = an називають числовим рядом; an

n =1

загальним членом ряду.

Сума n перших членів ряду називається n-ю частковою сумою ряду

Sn = a1 + a2 + .... + an .

Ряд називається збіжним, якщо існує скінченна границя послідовності його

часткових сум: lim Sn = S . Число S називають сумою ряду. Якщо границя

n →∞

послідовності часткових сум дорівнює нескінченності або взагалі не існує, то ряд розбігається. При розгляді числових рядів практично розв’язується дві задачі:

1)дослідити ряд на збіжність;

2)визначивши, що ряд збігається, знайти його суму.

Приклади. Користуючись визначенням, дослідити збіжність ряду та у випадку збіжності знайти його суму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад.

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

n(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв’язання.

 

Загальний член ряду

an =

 

1

 

 

=

1

 

-

 

1

 

,

тоді

 

 

n(n +1)

n

n +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Sn =

 

1

+

1

 

+ ... +

1

 

= 1 -

1

+

1

-

1

+ ... +

1

 

-

1

+

1

-

1

 

 

= 1 -

1

.

 

 

 

 

n(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

× 2 2 ×

3

 

2

2 3

 

n -1 n n n +1

 

 

 

n +1

Очевидно, що границя послідовності часткових сум цього ряду існує і дорівнює 1:

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

lim

Sn =

lim

1 -

 

 

 

 

 

= 1 -

lim

 

 

= 1,

S = lim Sn = 1.

n

+1

 

n→∞

 

n→∞

 

 

 

n→∞ n +1

 

n →∞

Отже, ряд збігається і його сума дорівнює 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

Приклад.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 2

-12n - 5

 

 

Розв’язання. Розкладемо загальний член ряду на найпростіші дроби:

- 147 -

an =

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 

 

 

=

 

(3n +1)- (3n - 5) º 6

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3n - 5)(3n +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9n2 -12n - 5

 

 

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 4

(3n +1)

- (3n - 5)

=

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

-

 

4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3n - 5)(3n +1)

 

 

 

 

 

(3n - 5) (3n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким чином, an

=

 

4

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n - 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отже,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

1

 

Sn =

4 1

-

 

+

 

 

-

 

 

 

 

 

+

 

 

 

-

 

 

 

+ ...

+

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

+

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 4 10

 

 

 

 

 

 

7 13

 

 

 

 

 

3n -11 3n - 5 3n - 8 3n -

2 3n -

5 3n +1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = lim

Sn = 4 1

+

 

 

 

 

 

= 5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +1 + ... +1 + ... розбігається, тому що

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад.

 

 

Ряд

 

 

 

 

Sn = n

та

 

lim Sn = lim

n = +¥.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n →∞

 

 

n →∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 -1 +1 -1 + ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S1 = 1, S2 = 0, S3 = 1,

 

 

 

Приклад.

 

 

Ряд

 

розбігається.

 

Тут

 

 

 

 

S4 = 0,..., S2n = 0,

 

 

S2n−1 = 1 і т.д., тому

 

lim

S n не існує.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад.

 

 

 

Ряд

 

 

 

 

геометричної

прогресії

 

 

a + aq + aq 2 + ... + aq n + ...

 

(a ¹ 0)

при

 

q

 

< 1

 

збігається,

 

і

його сума

S =

 

a

;

при

 

 

q

 

³ 1

ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

розбігається.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Залишок ряду rn = an +1 + an + 2 + ... + ... для збіжного ряду при n → ∞

 

наближається до 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необхідна ознака збіжності ряду. Якщо ряд збігається, то його

 

загальний член наближається до нуля, тобто

lim an = 0 . Звідси випливає, що

 

 

 

 

 

an ¹ 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

an = 0 , то ряд може

 

якщо

lim

то ряд розбігається. Якщо ж

 

 

lim

 

 

 

 

n →∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n →∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

збігатися, а може і розбігатися.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад. Розглянемо ряд ln(1 +

1

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розв’язання. Загальний член ряду an = ln(1 +

1

);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

an =

lim

ln(1 +

1

) = 0 ,

 

 

тобто

виконується

необхідна ознака збіжності

 

 

 

 

 

n →∞

 

 

n →∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ряду.

Проте ряд розбігається, оскільки an = ln(n +1) - ln n ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sn = a1 + a2 +...+ an = ln2− ln1+ ln3−ln2 +...+ lnn − ln(n −1) + ln(n +1) −lnn =

 

= ln(n +1);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 148 -

отже,

lim

Sn = lim

ln(n + 1) = +∞.

 

 

 

 

 

n→∞

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можна

показати, що

гармонічний ряд

1

також розбігається,

 

 

 

 

 

 

 

n=1 n

незважаючи на те, що lim an = lim

1

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

n→∞ n

 

 

 

11.2.Достатні ознаки збіжності рядів зі знакосталими членами

11.2.1.Ознаки порівняння

Теорема 1. (ознака порівняння). Нехай члени рядів an

та bn

n=1

n =1

додатні, й існує таке N , що при усіх n > N

an bn . Тоді зі збіжності ряду

 

bn

випливає збіжність ряду an , і навпаки, із розбіжності ряду an

n =1

 

n =1

n=1

 

 

 

випливає розбіжність ряду bn .

 

 

 

n =1

 

 

Теорема 2 (гранична форма ознаки порівняння). Нехай члени рядів

 

an

 

 

an

та bn

додатні, й існує lim

= L (L ¹ 0, L ¹ ¥) , тоді обидва ряди

 

n=1

n =1

n→∞ bn

 

збігаються або розбігаються одночасно.

На практиці еталонами для порівняння виступають так званий

узагальнений гармонічний ряд 1 , що збігається при p > 1 і розбігається

n=1 n p

при

p ≤ 1,

а

також

ряд

геометричної

збігається, якщо

 

q

 

< 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aq n -

 

 

 

 

 

q

 

³

.

 

 

 

 

 

 

 

 

розбігається, якщо

 

1

 

n =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклади. Дослідити збіжність рядів.

 

 

 

 

 

 

Приклад. Ряд

1

розбігається, оскільки ln n < n,

1

 

 

 

 

 

n = 2 ln n

 

ln n

 

 

 

 

 

1

розбігається ( p = 1) .

 

 

 

 

 

n=1 n

 

 

 

 

прогресії:

>1 , але ряд n

- 149 -

Соседние файлы в папке Вища математика