Линейные неоднородные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения с постоянными

коэффициентами.

Уравнения с правой частью специального вида.

Представляется возможным представить вид частного решения в зависимости от вида правой части неоднородного уравнения.

            Различают следующие случаи:

I.  Правая часть линейного неоднородного дифференциального уравнения имеет вид:

Рекомендуемые материалы

где - многочлен степени m.

            Тогда частное решение ищется в виде:

Здесь Q(x)- многочлен той же степени, что и P(x), но с неопределенными коэффициентами, а r – число, показывающее сколько раз число a является корнем характеристического уравнения для соответствующего линейного однородного дифференциального уравнения.

            Пример. Решить уравнение .

Решим соответствующее однородное уравнение:

Теперь найдем частное решение исходного неоднородного уравнения.

Сопоставим правую часть уравнения с видом правой части, рассмотренным выше.

Частное решение ищем в виде: , где

Т.е.  

Теперь определим неизвестные коэффициенты А и В.

            Подставим частное решение в общем виде в исходное неоднородное дифференциальное уравнение.

            Итого, частное решение:

Тогда общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения:

           

II.  Правая часть линейного неоднородного дифференциального уравнения имеет вид:

Здесь Р₁(х) и Р₂(х) – многочлены степени m₁ и m₂ соответственно.

Тогда частное решение неоднородного уравнения будет иметь вид:

где число r показывает сколько раз число  является корнем характеристического уравнения для соответствующего однородного уравнения, а Q₁(x) и Q₂(x) – многочлены степени не выше m, где m- большая из степеней m₁ и m₂.

Заметим, что если правая часть уравнения является комбинацией выражений рассмотренного выше вида, то решение находится как комбинация решений вспомогательных уравнений, каждое из которых имеет правую часть, соответствующую выражению, входящему в комбинацию.

            Т.е. если уравнение имеет вид: , то частное решение этого уравнения будет где  у₁ и у₂ – частные решения вспомогательных уравнений

 и

            Для иллюстрации решим рассмотренный выше пример другим способом.

Пример. Решить уравнение

Правую часть дифференциального уравнения представим в виде суммы двух функций f₁(x) + f₂(x) = x + (-sinx).

Составим и решим характеристическое уравнение:

1. Для функции f₁(x) решение ищем в виде .

Получаем:  Т.е.   

Итого:

2. Для функции f₂(x) решение ищем в виде: .

Анализируя функцию f₂(x), получаем:

            Таким образом,

Итого:

            Т.е. искомое частное решение имеет вид:

Общее решение неоднородного дифференциального уравнения:

            Рассмотрим примеры применения описанных методов.

            Пример. Решить уравнение

Составим характеристическое уравнение для соответствующего линейного однородного дифференциального уравнения:

            Общее решение однородного уравнения:

Теперь найдем частное решение неоднородного уравнения в виде:

Воспользуемся методом неопределенных коэффициентов.

Подставляя в исходное уравнение, получаем:

Частное решение имеет вид:

Общее решение линейного неоднородного уравнения:

            Пример. Решить уравнение 

Характеристическое уравнение:

Общее решение однородного уравнения:

Частное решение неоднородного уравнения: .

Находим производные и подставляем их в исходное неоднородное уравнение:

Вам также может быть полезна лекция "6.1 Основы Римской цивилизации".

Получаем общее решение неоднородного дифференциального уравнения: