Линейные однородные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.

Решение дифференциального уравнения вида или, короче, будем искать в виде , где k = const.

Т.к. то

При этом многочлен называется характеристическим многочленомдифференциального уравнения.

Для того чтобы функция являлась решением исходного дифференциального уравнения, необходимо и достаточно, чтобы т.е.

Т.к. e^kx ¹ 0, то - это уравнение называется характеристическим уравнением.

Как и любое алгебраическое уравнение степени n, характеристическое уравнение имеет n корней. Каждому корню характеристического уравнения k_i соответствует решение дифференциального уравнения.

В зависимости от коэффициентов k характеристическое уравнение может иметь либо n различных действительных корней, либо среди действительных корней могут быть кратные корни, могут быть комплексно – сопряженные корни, как различные, так и кратные.

Сформулируем общее правило нахождения решения линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.

1) Составляем характеристическое уравнение и находим его корни.

2) Находим частные решения дифференциального уравнения, причем:

a) каждому действительному корню соответствует решение e^kx;

б) каждому действительному корню кратности m ставится в соответствие m решений:

в) каждой паре комплексно – сопряженных корней характеристического уравнение ставится в соответствие два решения:

и .

г) каждой паре m – кратных комплексно – сопряженных корней характеристического уравнения ставится в соответствие 2m решений:

3) Составляем линейную комбинацию найденных решений.

Эта линейная комбинация и будет являться общим решением исходного линейного однородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.

Пример 1. Решить уравнение

Решение.Характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 2. Решить уравнение

Решение.Характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 3. Решить уравнение

Решение.Характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 4. Решить уравнение

Решение.Характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 5. Решить уравнение

Решение.Характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 6. Решить уравнение

Решение.Составим характеристическое уравнение:

Общее решение:

Пример 7. Решить уравнение .

Решение.Составим характеристическое уравнение:

Общее решение имеет вид:

Пример 8. Решить уравнение

Решение.Это уравнение не является линейным, следовательно, приведенный выше метод решения к нему неприменим. Понизим порядок уравнения с помощью подстановки

Тогда

Окончательно получаем:

Это выражение будет общим решением исходного дифференциального уравнения.

Полученное выше решение у₁ = С₁ получается из общего решения при С = 0.

Пример 9. Решить уравнение

Решение.Производим замену переменной:

Общее решение:

Пример 10. Решить уравнение

Решение.Это линейное однородное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами второго порядка. Для нахождения общего решения необходимо отыскать какое - либо частное решение.

Таким частным решением будет являться функция

Исходное дифференциальное уравнение можно преобразовать:

Общее решение имеет вид:

Окончательно:

Примеры. Решить уравнения:

Примеры. Найти частный интеграл уравнения, удовлетворяющий начальным условиям:

Поиск по сайту: