Линейное уравнение остается линейным при таких преобразованиях:
1) замена независимой переменной  ,
,  , где
, где  - произвольная дифференцируемая функция,
причём,
 - произвольная дифференцируемая функция,
причём,  в рассматриваемом интервале изменения
 в рассматриваемом интервале изменения  ;
;
2) замена искомой функции  на
 на  , где
, где  и
 и  - любые известные дифференцируемые
функции, причём,
 - любые известные дифференцируемые
функции, причём,  , а
, а  -
искомая функция.
 -
искомая функция.
Действительно, в первом случае  ,
и уравнение (3.1) запишется:
,
и уравнение (3.1) запишется: 
 
 
или
 ,
, 
т. е. уравнение снова остается линейным.
Во втором случае, положив  ,
получаем
,
получаем  . Подставляем в (3.1)
. Подставляем в (3.1)
  , или
, или 
 , или
, или 
 -
линейное уравнение.
 -
линейное уравнение.
Свойства решений линейного уравнения:
1. Если известно какое-то частное решение  линейного однородного уравнения (3.2), то
его общее решение будет
 линейного однородного уравнения (3.2), то
его общее решение будет  , где
, где  - произвольная постоянная. Функция
 - произвольная постоянная. Функция  удовлетворяет уравнению и имеет
произвольную постоянную.
 удовлетворяет уравнению и имеет
произвольную постоянную.
2. Если известно одно частное решение  линейного неоднородного уравнения (3.1),
то для получения его общего решения необходимо найти общее решение
соответствующего однородного уравнения
 линейного неоднородного уравнения (3.1),
то для получения его общего решения необходимо найти общее решение
соответствующего однородного уравнения  . Тогда
общее решение неоднородного уравнения записывается
. Тогда
общее решение неоднородного уравнения записывается  , т.е.
общее решение получается при помощи одной квадратуры. В самом деле, подставляя
, т.е.
общее решение получается при помощи одной квадратуры. В самом деле, подставляя  в уравнение (3.1), получаем:
 в уравнение (3.1), получаем:
 ,
,
 т. к.
 т. к.  .
.
Значит,  и
 и  .
.
В ы в о д. Общее решение линейного неоднородного уравнения есть сумма его частного решения и общего решения соответствующего однородного уравнения.
3. Если известны любые два частных решения  и
 и  линейного
неоднородного уравнения (3.1), то его общее решение находится без квадратур и
запишется
 линейного
неоднородного уравнения (3.1), то его общее решение находится без квадратур и
запишется  .
.
Д о к а з а т е л ь с т в о. Так как  и
 и  частные
решения уравнения (3.1), то:
 частные
решения уравнения (3.1), то:
 и
 и  .
.
Поэтому, вычитая из первого равенства второе, находим:
 или
 или  .
.
Из последнего тождества следует, что  есть частным решением соответствующего
однородного уравнения, а его общим решением будет функция
 есть частным решением соответствующего
однородного уравнения, а его общим решением будет функция  . Тогда по второму свойству функция
. Тогда по второму свойству функция  будет общим решением уравнения (3.1).
 будет общим решением уравнения (3.1).
К линейным уравнениям приводятся многие задачи современной техники.
П р и м е р 1. Конденсатор, емкость которого  включается в цепь с напряжением
 включается в цепь с напряжением  и сопротивлением
 и сопротивлением  .
Определить заряд
.
Определить заряд  конденсатора в момент
 конденсатора в момент  после включения.
 после включения.
Р е ш е н и е. В момент  заряд
конденсатора равен
 заряд
конденсатора равен  , и сила тока
, и сила тока  . К этому моменту времени в цепи действует
электродвижущая сила
. К этому моменту времени в цепи действует
электродвижущая сила  , равная разности между
напряжением цепи
, равная разности между
напряжением цепи  и напряжением конденсатора
 и напряжением конденсатора  :
:
 .
.
По закону Ома сила тока  или
 или  или
 или  или
 или  или
 или  .
. 
Интегрируя полученное линейное уравнение находим общее
решение  . Согласно начальным условиям при
. Согласно начальным условиям при  ,
,  . Отсюда
. Отсюда
 . Итак, рассматриваемый процесс описывается
уравнением:
. Итак, рассматриваемый процесс описывается
уравнением:
 .
.
Рассмотрим виды уравнений, которые при помощи некоторых преобразований можно свести к линейным.
1. Уравнения вида
 ,                             (3.15)
,                             (3.15)
где  ,
,  ,
,  -
заданные функции,
 -
заданные функции,  можно свести к линейным
уравнениям переходом от функции
 можно свести к линейным
уравнениям переходом от функции  к обратной к ней
функции
 к обратной к ней
функции  ,
,  .
.
Относительно этой функции из (3.15) и равенства  , получаем линейное уравнение
, получаем линейное уравнение
 .
.
П р и м е р 1. Решить уравнение:
 .
.
Р е ш е н и е. Относительно функции  получим уравнение
 получим уравнение  .
Проинтегрировав, получим:
.
Проинтегрировав, получим:
 .
.
2. Уравнения вида:
 (3.16)
                    (3.16)
сводятся к линейным относительно
функции  заменой
 заменой
 ,                                     
(3.17)
,                                     
(3.17)
так как после замены получаем уравнение:
 .
.
Решив последнее уравнение по формуле (3.14), получаем:
 ,
,
т. е. получаем общий интеграл:
 .                  
(3.18)
.                  
(3.18)
П р и м е р 2. Проинтегрировать уравнение Бернулли:
 ,
,  ,
,  (3.19)
                    (3.19)
Очевидно, при  и
 и  уравнение (3.19) линейное. Полагая что
 уравнение (3.19) линейное. Полагая что  , делим уравнение на
, делим уравнение на  . Получаем:
. Получаем:
 .
.
Так
как  , то, положив
, то, положив  ,
получим линейное уравнение:
,
получим линейное уравнение:
 ,
,
которое решаем по формуле (3.14):
 .        (3.20)
.        (3.20)
Кроме
того, уравнение Бернулли при  имеет решение
 имеет решение  . Это решение является особым при
. Это решение является особым при  и частным при
 и частным при  .
.
З а м е ч а н и е. Уравнение (3.19) называют
уравнением Якова Бернулли, так как он предложил его к решению в 1695 г. Лейбниц
в 1696 г. указал на способ сведения его к линейному. Иоган Бернулли, младший
брат Я. Бернулли, в 1697 г. нашел подстановку  ,
которая приводит уравнение (3.19) к линейному, и дал метод непосредственного
интегрирования этого уравнения заменой
,
которая приводит уравнение (3.19) к линейному, и дал метод непосредственного
интегрирования этого уравнения заменой  , как и
линейное уравнение.
, как и
линейное уравнение.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.