Линейное уравнение остается линейным при таких преобразованиях:
1) замена независимой переменной ,
, где
- произвольная дифференцируемая функция,
причём,
в рассматриваемом интервале изменения
;
2) замена искомой функции на
, где
и
- любые известные дифференцируемые
функции, причём,
, а
-
искомая функция.
Действительно, в первом случае ,
и уравнение (3.1) запишется:
или
,
т. е. уравнение снова остается линейным.
Во втором случае, положив ,
получаем
. Подставляем в (3.1)
, или
, или
-
линейное уравнение.
Свойства решений линейного уравнения:
1. Если известно какое-то частное решение линейного однородного уравнения (3.2), то
его общее решение будет
, где
- произвольная постоянная. Функция
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
. Тогда
общее решение неоднородного уравнения записывается
, т.е.
общее решение получается при помощи одной квадратуры. В самом деле, подставляя
в уравнение (3.1), получаем:
,
т. к.
.
Значит, 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
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
частные
решения уравнения (3.1), то:
и
.
Поэтому, вычитая из первого равенства второе, находим:
или
.
Из последнего тождества следует, что есть частным решением соответствующего
однородного уравнения, а его общим решением будет функция
. Тогда по второму свойству функция
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
и сопротивлением
.
Определить заряд
конденсатора в момент
после включения.
Р е ш е н и е. В момент заряд
конденсатора равен
, и сила тока
. К этому моменту времени в цепи действует
электродвижущая сила
, равная разности между
напряжением цепи
и напряжением конденсатора
:
.
По закону Ома сила тока или
или
или
или
.
Интегрируя полученное линейное уравнение находим общее
решение . Согласно начальным условиям при
,
. Отсюда
. Итак, рассматриваемый процесс описывается
уравнением:
.
Рассмотрим виды уравнений, которые при помощи некоторых преобразований можно свести к линейным.
1. Уравнения вида
, (3.15)
где ,
,
-
заданные функции,
можно свести к линейным
уравнениям переходом от функции
к обратной к ней
функции
,
.
Относительно этой функции из (3.15) и равенства , получаем линейное уравнение
.
П р и м е р 1. Решить уравнение:
.
Р е ш е н и е. Относительно функции получим уравнение
.
Проинтегрировав, получим:
.
2. Уравнения вида:
(3.16)
сводятся к линейным относительно
функции заменой
,
(3.17)
так как после замены получаем уравнение:
.
Решив последнее уравнение по формуле (3.14), получаем:
,
т. е. получаем общий интеграл:
.
(3.18)
П р и м е р 2. Проинтегрировать уравнение Бернулли:
,
,
(3.19)
Очевидно, при и
уравнение (3.19) линейное. Полагая что
, делим уравнение на
. Получаем:
.
Так
как , то, положив
,
получим линейное уравнение:
,
которое решаем по формуле (3.14):
. (3.20)
Кроме
того, уравнение Бернулли при имеет решение
. Это решение является особым 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
, как и
линейное уравнение.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.