4.5. Метод вариации произвольных постоянных (метод Лагранжа)
Пусть нам известно
общее решение уравнения (7), т.е.
.
Тогда решение уравнения (6) будем искать
в виде
.
Продифференцируем это равенство:
В силу произвольности
выбора функций
и
положим
(10)
Тогда
Подставляя
в уравнение (6) и группируя члены,
получаем
(11)
Выражения в скобках в формуле (11) равны нулю, объединяя полученные результаты, приходим к системе
(12)
из которой
единственным образом находятся
и
,
так как её опре-делитель является
определителем Вронского
.
И тогда
Пример 4.
Методом вариации произвольных постоянных
найти общее решение уравнения
Найдём общее решение соответствующего однородного уравнения
Составим характеристическое уравнение
Воспользуемся
формулой (4)
.
Здесь
.
Составим систему (12)
Интегрируя
последнее уравнение системы, находим
,
а из
первого уравнения определяем
Окончательно получим общее решение
Лекция № 42
4.6. Лнду-2 с постоянными коэффициентами со специальной правой частью
Общий вид линейного неоднородного дифференциального уравнения
,
(1)
где
.
Как известно, общее
решение уравнения (1) имеет вид
.
Рассмотрим, как можно определить частное
решение
в зависимости от вида правой части (1)
в некоторых случаях:
1.
,
где
многочлен п-ой
степени.
Зададим вид
частного решения в форме
,
где
многочлен п-ой степени с неопределёнными коэффициентами. Найдём его производные:
Подставим эти
выражения в уравнение (1) и сократим
на
.
(2)
Здесь возможны случаи:
1.1. Число
не является корнем характеристического
уравнения, т.е.
.
Тогда слева и справа в выражении (2) стоят
многочленып-ой
степени и, приравнивая коэффициенты
при одинаковых степенях, находим
неопределённые коэффициенты
.
1.2. Число
является простым корнем характеристического
уравнения, т.е.
,
а из теоремы Виета следует
.
Тогда слева в выражении (2) стоит многочлен
(п
1)-ой
степени, а справа п-ой
степени. Поэтому, для того чтобы
коэффициенты
были определены, необходимо частное
решение искать в виде многочлена (п
+
1)-ой
степени, но без свободного члена, так
как он исчезает при дифференцировании,
т.е.
.
1.3. Число
является двукратным корнем
характеристического уравнения, т.е.
,
а из теоремы Виета следует
.
Тогда слева в выражении (2) стоит многочлен
(п
2)-ой
степени, а справа
(п
1)-ой
степени. Рассуждая аналогично, получаем
.
Рассмотренные три случая можно объединить общим правилом
Правило 1.
Если правая часть уравнения (1) имеет
вид
,
то частное решение следует искать в
виде
,
где
многочлен п-ой
степени с неопределёнными коэффициентами,
а
кратность корня
характеристического уравнения.
Пример 1.
Найти общее решение уравнения
На предыдущей лекции было найдено общее решение соответствующего однородного уравнения
.
Частное решение
будем искать в виде
(случай1.3).
Подставим это
выражение в наше уравнение и сократим
на
:
или
.
Тогда общее решение будет иметь вид
2.
,где
и
многочлены п-ой
и т-ой
степени соответственно.
Частное решение будем искать в виде
,
где
и
многочлены с неопределёнными
коэффициентами, а
.
Найдём производные:
Если подставить
эти выражения в уравнение (1), сократить
на
и приравнять коэффициенты при
и
,
то получим систему
(3)
Если подставить
числа
в характеристическое уравнение уравнения
(1), то получим
и тогда возможны случаи:
2.1. Числа
не являются корнями характеристического
уравнения, т.е.
.
Тогда слева в
уравнениях (3) стоят многочлены степени
.
Поэтому можно приравнять коэффициенты
при одинаковых степенях х.
В результате получим систему для
определения коэффициентов многочленов
и
.
2.2. Числа
- корни характеристического уравнения,
т.е.
и
.
Тогда слева в уравнениях (3) стоят многочлены степени на единицу меньшую, чем k и, рассуждая аналогично, как и ранее, частное решение ищем в виде
.
Итак, получаем
Правило 2. Если правая часть уравнения (1) имеет вид
,
то частное решение следует искать в виде
,
если
не
являются корнями характеристического
уравнения, и в виде
,
если
корни характеристического уравнения,
где
и
многочлены с неопределёнными
коэффициентами, а
.
Замечание 1.
Правило 2
справедливо и для случая
.
Тогда
и, если
корень характеристического уравнения,
то
Замечание 2. Если правая часть уравнения (1) представляет собой сумму двух функций, относящихся к правилам 1-2, то частное решение в силу линейности уравнения ищется в виде суммы двух функций, которые определяются соответственно правилами 1-2.
Пример 2. Найти частное решение уравнения
.
Здесь правая часть уравнения представляется в виде суммы двух функций:
и
.
Поэтому решение
ищем в виде
,
где
является частным решением уравнением
.
(4)
а
является частным решением уравнения
.
(5)
Для этого случая решение имеет вид (случай 2.1)
.
Подставим это выражение в уравнение (4):
.
Сократим на
и приравняем коэффициенты при
и
:
Из решения системы получаем
.
Решение уравнения (5) ищем в виде (случай 1.1)
.
Подставим это выражение в уравнение (5)
.
Приравнивая
коэффициенты при
,
приходим к системе
Из решения системы последовательно находим
.
Окончательно получим
.
Лекция № 43. Тема 5 : Линейные ДУ высших порядков
5.1. Линейные дифференциальные уравнения п-го порядка
Общий вид линейного дифференциального уравнения п-го порядка (ЛДУ - п)
.
(1)
Ему соответствует однородное уравнение п-го порядка
(2)
Определение 1.
Функции
называются линейно зависимыми (ЛЗ) на
,
если
,
где, по крайней мере, одно из них отлично
от нуля, для которых выполняется
.
В противном случае функции называются
линейно независимыми (ЛНЗ).
Для выяснения ЛЗ или ЛНЗ решений уравнения (2) также используется определитель Вронского, который для данного случая имеет вид
При этом, если
,
то система функций ЛЗ. Если же дляп
частных решений
уравнения (2)
,
то эти решения являются ЛНЗ.
Справедливы также теоремы о структуре решений уравнений (1-2):
Теорема 1.
Если
ЛНЗ решения уравнения (2), то его общее
решение имеет вид
,
где
произвольные константы.
Теорема 2.
Общее решение ЛНДУ - п
есть сумма частного решения
уравнения (1) и общего решения
соответствующего однородного (2), т.е.
.
Доказательства этих теорем аналогичны, как и для случая ЛДУ – 2.
Если известно
общее решение соответствующего
однородного уравнения (2), то общее
решение уравнения (1) можно находить
методом вариации произвольных постоянных.
Тогда система для нахождения функций
имеет вид
Остановимся на
случае, когда все коэффициенты
в уравнениях (1-2) являются константами.
Тогда для однородного уравнения имеем
характеристическое уравнение
.
(3)
По характеру корней уравнения (3) определяются частные ЛНЗ решения:
Правило. Каждому действительному корню k характеристического уравнения (3) т-ой кратности соответствует т ЛНЗ решений вида
.
Каждой паре
комплексных корней
кратностит
соответствует 2т
ЛНЗ решений вида
Для случая уравнения
со специальной правой частью
исполь-зуется аналогичное правило, как
и для ЛНДУ-2, для нахождения вида частного
решения
.
Пример 1. Найти общее решение ДУ
.
Ему соответствует однородное уравнение
Составим характеристическое уравнение
.
Найдём его корни
.
Тогда, согласно правилу, получаем общее решение однородного уравнения
.
Частное решение
неоднородного уравнения будем искать
в виде
,
где
частное решение уравнения
(4)
а
частное решение уравнения
(5)
Так как число 2
не является корнем характеристического
уравнения, то
.
Подставим это выражение в уравнение
(4), предварительно сократив его на
:
.
Частное решение уравнения (5) ищем в виде
,
так как нуль является корнем характеристического уравнения.
Подставим это выражение в уравнение (5):
.
Таким образом, получаем общее решение данного уравнения
.
5.2*. Понятие о краевой задаче
При решении некоторых задач требуется проинтегрировать ДУ не при начальных условиях (задача Коши), а с учётом значений искомой функции или её производных в некоторых точках. Условия, налагаемые на значения функции, её производных на концах отрезка, называются краевыми условиями, а соответствующая задача – краевой задачей.
При этом для корректности решаемой задачи число таких условий должно быть равно числу констант в общем решении. Такие задачи рассматриваются в курсе сопротивления материалов, а ещё более общие задачи встречаются в курсе уравнений математической физики.
Рассмотрим в качестве примера задачу изгиба балки на упругом основании.
y
q(x)
-l O l x
Дифференциальное уравнение прогиба балки имеет вид
,
где упругая постоянная, характеризующая свойства основания, Е - модуль упругости балки, I - момент инерции площади поперечного сечения балки, q(x) интенсивность внешней нагрузки.
Этому уравнению соответствует однородное уравнение
для которого характеристическое уравнение имеет вид
.
Непосредственно легко проверить, что его корнями являются
.
Этим корням соответствует общее решение
.
.
Рассмотрим случай,
когда
.
Тогда частное
решение будем искать в виде
.
Подставим это выражение в уравнение
прогиба балки, получим
.
Тогда
.
(6)
Константы
определяются из условий закрепления
концов балки, так, например, если концы
балки закреплены жестко, то эти условия
(граничные условия) имеют вид
.
Подставляя в эти
граничные условия полученное выражение
для прогиба (6),
получим систему
четырёх
уравнений
для определения
.
Лекция № 44. Тема 6 : Системы дифференциальных уравнений
6.1. Нормальные системы дифференциальных уравнений
К решению систем дифференциальных уравнений приводят, в частности, задачи по исследованию колебательных процессов в технике, физике, меха-нике. Вибрации сооружений, электромагнитные колебания, колебания упру-гих тел все эти процессы описываются системами дифференциальных уравнений.
В качестве примера рассмотрим движение материальной точки массой т в плоскости Оху. Согласно второму закону Ньютона имеем
.
Спроектируем векторное равенство на координатные оси
(1)
Получена система
дифференциальных уравнений относительно
двух неизвестных функций
,
которые определяют положение точки
на плоскости. Здесьt
время,
проекции
скорости,
проекции
ускорения на координатные оси.
Будем рассматривать системы дифференциальных уравнений, каждое уравнение которой разрешено относительно старшей производной – канонические системы. Такую систему, путём введения дополнительных функций, всегда можно привести к эквивалентной ей системе дифференциальных уравнений первой порядка (ДУ-1), разрешенных относительно производной.
Например, приведём систему (1) к системе ДУ-1.
Введём функции
.
Тогда она примет вид
Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только такие системы.
Определение 1. Нормальной системой дифференциальных уравнений называется система дифференциальных уравнений вида
(2)
где
- искомые функции, а
заданные функции в некоторой областиG
переменных
.
Определение 2.
Решением системы (2) называется совокупность
п
дифференцируемых функций:
,
которые при подстановке в систему ДУ,
обращают каждое уравнение в тождество.
Определение 3.
Совокупность функций
называется общим решением системы
ДУ (2), если:
1. Эти функции
являются решением системы при любых
значениях
;
2. Для любых начальных условий вида
(3)
из области G
можно найти такие значения
,
при которых каждая функция этой
совокупности удовлетворяет условиям
(3).
Задача Коши
для системы (2) формулируется следующим
образом: Найти такое решение
,
которое удовлетворяетначальным
условиям
(3).
Теорема (о существовании и единственности решения задачи Коши).
Если правые части
системы ДУ (2) и их частные производные
по переменным
непрерывны в областиG,
то для любой точки
существует единственное непрерывное
решение задачи Коши, удовлетворяющее
начальным условиям (3).
Пример 1*. Определить траекторию полёта снаряда, выпущенного из орудия под углом к горизонту со скоростью V0. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Вначале лекции были рассмотрены общие уравнения (1), которые можно применить для данной задачи
где g ускорение свободного падения. Проинтегрируем каждое уравне-ние системы
Константы
интегрирования
и
найдем из начальных условий:
.
Тогда система примет вид
Ещё раз проинтегрируем
Константы
интегрирования
и
определим из начальных условий с учетом
выбора начала системы координат в
положении орудия:
.
Таким образом, решением системы являются функции
Исключая параметр t, приходим к уравнению траектории
