Вища математика / В.М.-iнтеграли
.pdfДля 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 |
= e− x , 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)e− x + c′ (x)ex |
= 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−c′(x)e− x |
+ 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 = |
|
|
|
e− x |
0 |
|
|
|
= |
|
1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e x |
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
−e− x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ e x |
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
ex |
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
−e− x |
|
|
|
|
|
+ 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 розв’язків: якщо |
y1 |
– |
частинний |
розв’язок неоднорідного рівняння із правою частиною f1 (x) , |
y2 |
– |
частинний |
розв’язок рівняння із правою частиною f 2 (x) , то сума y1 + y2 |
є частинний |
||
розв’язок 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 |
e− x + |
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 |
|
e− x − |
1 |
e x + |
1 |
e−2 x . |
|||||||||||||||
2 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 144 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
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 -
