Теорема об общем решении однородного линейного уравнения: Пусть – ФСР уравнения . Тогда – общее решение этого уравнения. Здесь – произвольные постоянные.
Система решений уравнения порядка n линейно зависима.
Множество решений линейного уравнения образует линейное пространство размерности n, причём ФСР – базис в этом пространстве.
Однородное линейное уравнение можно решить, построив ФСР. В общем случае уравнений с переменными коэффициентами общего метода построения ФСР нет. Возможно понижение порядка, если известно хотя бы одно нетривиальное решение уравнения. На этом пути в простейших случаях удаётся получить ФСР.
Уравнения с постоянными коэффициентами решаются всегда. ФСР однородного уравнения с постоянными коэффициентами всегда можно решить методом Эйлера.
§ 2.4 Решение однородных линейных уравнений с постоянными коэффициентами
Рассмотрим уравнение , предполагая, что постоянны. Найдём ФСР. Воспользуемся для этого подстановкой Эйлера: будем искать решения уравнения в виде , где k – постоянная. Подставляем в уравнение .
Это уравнение называется характеристическим уравнением уравнения .
Это алгебраическое уравнение степени n с вещественными коэффициентами. По основной теореме алгебры такое уравнение всегда имеет ровно n корней в комплексных числах с учётом их кратности.
1. Характеристическое уравнение имеет простые вещественные корни: при . По формуле получаем решения: . Таких решений n и они линейно независимы, т.к. (определитель Вандермонда) , следовательно, образуют ФСР. Таким образом, общее решение – .
2. Характеристическое уравнение имеет простые корни, среди которых есть комплексные: . Выбираем произвольно корень уравнения . Если он вещественный, то по формуле получаем вещественное решение, иначе – . Т.к. характеристическое уравнение имеет вещественные коэффициенты, то . Этим двум корням по формуле ставим в соответствие комплексное решение: . Выбираем (в последнем случае знак – произвольно). Таким образом, каждому корню характеристического уравнения сопоставляется вещественное решение уравнения . Таких решений n. Можно показать, что они линейно независимы, следовательно, они образуют ФСР, откуда можно получить общее решение уравнения.
3. Характеристическое уравнение имеет корни соответственной кратности . Заметим, что для . Будем сопоставлять каждому корню решений уравнения . Выбираем произвольно корень . Если , этот корень простой, следовательно, по формуле ему ставится в соответствие решение (комплексное либо вещественное). Если кратны, т.е. , то эта формула позволяет получить только одно решение, следовательно, имеются недостающие решения. Однако легко показать, что решениями являются также функции . В целом получается решений, следовательно всего уравнению сопоставляют решений. Если корень вещественный, то все приведённые решения вещественны. Если – комплексный, то найдётся ещё один корень . Соответственно этим двум корням можно сопоставить вещественное решение . В результате получается n решений. Можно показать, что они линейно независимы, следовательно, они образуют ФСР, откуда получается общее решение.
Некоторые уравнения, изначально с переменными коэффициентами, приводятся к уравнениям с постоянными коэффициентами с помощью замены переменных, в том числе уравнение Эйлера: ( – постоянные). Это уравнение приводится к уравнению с постоянными коэффициентами заменой . Отсюда следует, что уравнение Эйлера можно решать и непосредственно, не приводя его к уравнению с постоянными коэффициентами с помощью степенной подстановки Эйлера: .
§2.5 Формула Остроградского-Лиувилля
Пусть известно, что – ФСР некоторого уравнения (однородного, линейного) порядка n. Можно ли восстановить уравнение по ФСР?
Пусть – любое решение искомого уравнения. Тогда – линейно зависимы, следовательно, . Разложим определитель по последнему столбцу: , где (правило дифференцирования определителя: производная определителя представляется суммой определителей, получающихся из исходного дифференцированием элементов одной строки: ). Следовательно, – решение уравнения . Можно показать, что уравнение восстанавливается однозначно по ФСР, если выбирать коэффициент при старшей производной равным 1.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.