Дифференциальные уравнения (стр. 4 )

.

Таким образом, общее решение данного уравнения имеет вид:

.

Пример 87. Найти частное решение уравнения , удовлетворяющее условиям , .

Решение. Данное уравнение 2-го порядка не содержит явно аргумента . Поэтому , тогда , данное уравнение примет вид:

или .

Получили уравнение Бернулли 1-го порядка, где рассматривается как функция от .

Заменяя функцию по формуле , имеем или .

Отсюда для нахождения и получим два уравнения:

1) и 2).

Из первого уравнения находим , как его простейший частный интеграл:

, . Умножим уравнение на и проинтегрируем

, , , .

Подставляя во второе уравнение, находим , как его общий интеграл:

, , . Умножим обе части уравнения на и проинтегрируем

, , , , .

Зная и , находим .

Заменяя через , получим уравнение с разделяющимися переменными

.

Прежде чем интегрировать это уравнение целесообразно определить значение постоянной , используя заданные значения , :

, , .

Подставляя значение в последнее уравнение, разделяя в нем переменные и интегрируя, найдем:

, , , , .

Для отыскания полученного интеграла воспользуемся подстановкой , тогда , , , , .

.

Следовательно,

.

Наконец, используя заданные значения , , определяем значение постоянной :

, , и получаем искомый частный интеграл

.

Как показано в решениях примера 83 и примера 87, при отыскании частных интегралов уравнений высших порядков (указанных типов) нет необходимости сначала находить общий интеграл, а лишь затем определять значения всех постоянных. Можно, и лучше, определять значение каждой постоянной немедленно после того, как она появляется в процессе решения.

Задания для самостоятельного решения

Найти общие решения или общие интегралы дифференциальных уравнений:

1. . 2. . 3. . 4. .

5. . 6. .

Найти решения, удовлетворяющие заданным начальным условиям:

7. , , , , .

8. , , . 9. , .Ответы: 1. .

2. . 3. .

4. , 5. . 6. .

7. . 8. . 9. .

3.4 Линейные дифференциальные уравнения второго

порядка с постоянными коэффициентами

3.4.1 Основные понятия и определения

Определение. Линейным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами называется уравнение вида

, (3.16)

где искомая функция, и некоторые постоянные.

Если , то уравнение (3.16) называется линейным однородным уравнением (ЛОДУ), в противном случае оно называется линейным неоднородным уравнением (ЛНДУ).

Функции и называется линейно независимыми на некотором интервале , если отношение этих функций является некоторой функцией для всех , то есть .

Функции и линейно зависимы тогда и только тогда, когда они пропорциональны, то есть для всех выполняется равенство , или , .

Например, функции и линейно независимы: .

Средством изучения линейной зависимости системы функций является так называемый определитель Вронского или вронскиан.

Для двух дифференцируемых функций и вронскиан имеет вид

.

Справедливы следующие теоремы.

Теорема 1. Если дифференцируемые функции и линейно зависимы на интервале , то определитель Вронского на этом интервале тождественно равен нулю.

Теорема 2. Если и - линейно независимые решения уравнения на интервале , то определитель Вронского на этом интервале нигде не обращается в нуль.

Теорема 3. (структура общего решения ЛОДУ второго порядка). Если два частных решения и ЛОДУ линейно независимы на интервале , то общим решением этого уравнения является функция

, (3.17)

где и произвольные постоянные.

Выражение читается: общее решение однородного уравнения.

3.4.2 Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Перед тем, как рассмотреть основные свойства решения ЛОДУ вида

, (3.18)

рассмотрим понятие комплексных чисел.

Определение. Комплексным числом называется выражение вида , где и действительные числа, а так называемая мнимая единица, .

Если , то число называется чисто мнимым; если , то число отождествляется с действительным числом . А это означает, что множество всех действительных чисел является подмножеством множества всех комплексных чисел, то есть .

Число называется действительной частью комплексного числа и обозначается , а мнимой частью , .

Два комплексных числа и называются равными тогда и только тогда, когда равны их действительные части и равны их мнимые части: , . В частности, комплексное число равно нулю тогда и только тогда, когда . Понятия «больше» и «меньше» для комплексных чисел не вводится.

Два комплексных числа и , отличающиеся лишь знаком мнимой части, называются сопряженными.

Всякое комплексное число можно изобразить точкой плоскости такой, что , . И, наоборот, каждую точку координатной плоскости можно рассматривать, как образ комплексного числа .

Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется комплексной плоскостью. Ось абцисс называется действительной осью, ось ординат – мнимой осью.

Комплексное число можно задавать с помощью радиус - вектора . Длина вектора , изображающего комплексное число , называется модулем этого числа и обозначается или . Величина угла между положительным направлением действительной оси и вектором , изображающим комплексное число, называется аргументом этого комплексного числа, обозначается или .

Аргумент комплексного числа не определен. Аргумент комплексного числа величина многозначная и определяется с точностью до слагаемого : , где главное значение аргумента, заключенное в промежутке , то есть .

Модуль однозначно определяется по формуле

.

Например, ; ,

. Аргумент определяется из формул

, , .

Суммой двух комплексных чисел и называется комплексное число, определяемое равенством

.

Разностью двух комплексных чисел и называется комплексное число, определяемое равенством

.

Произведением комплексных чисел и называется комплексное число, определяемое равенством

.

Отсюда, в частности, следует важнейшее соотношение

.

Например,

.

Произведение сопряженных комплексных чисел - действительное число.

Частным двух комплексных чисел и называется комплексное число , определяемое равенством

.

Пример 88. Выполнить деление .

Решение. Умножим числитель и знаменатель данной дроби на число , сопряженное знаменателю

Пример 89. Вычислить а) б)

Решение. а)

б)

Пример 90. Решить уравнение .

Решение. Дано квадратное уравнение. Найдем дискриминант . Действительных корней данное уравнение не имеет, но имеет комплексные корни. . Тогда получим , то есть , сопряженные комплексные числа, которые и являются решениями данного квадратного уравнения.

Вернемся к линейному однородному уравнению (3.18) , где и вещественные числа. Будем искать решение этого уравнения в виде , где некоторое число. Найдем первую и вторую производные и и подставим полученные правые части в данное уравнение:

.

Сокращая обе части этого равенства на , получаем квадратное уравнение:

. (3.19)

Если число является корнем уравнения (3.19), то функция есть решение однородного уравнения (3.18). Уравнение (3.19) называется характеристическим уравнением для уравнения (3.18).

Вид решения уравнения (3.18) существенно зависит от того, какие корни имеет характеристическое уравнение (3.19). Обозначим эти корни через и .