background image

Wykład czternasty

Wyznaczanie CO równania niejednorodnego

Równanie liniowe jednorodne rzędu n o stałych współczynnikach ma postać:

y

(n)

p

n−1

y

(n−1)

. . . p

1

y

0

p

0

= 0.

(1)

gdzie p

0

, p

1

, . . . , p

n−1

∈ R.

Poszukujemy rozwiązań równania (1) w postaci funkcji wykładniczej e

rx

, gdzie jest liczbą

zespoloną. Wstawiając tę funkcję i jej kolejne pochodne do równania (1) otrzymujemy równanie
algebraiczne, zwane równaniem charakterystycznym,

r

n

p

n−1

r

n−1

. . . p

1

p

0

= 0.

(2)

Dla znalezienia CORN stosujemy metodę przewidywań lub metodę uzmienniania stałych (me-
toda uniwersalna). Wykorzystujemy przy tym twierdzenie:

Twierdzenie. CORN=CORJ+CSRN

Metoda przewidywań

Metodę przewidywań stosujemy, gdy dla wszystkich = 01, . . . , n−1 funkcje p

k

(x≡ p

k

p

k

∈ R

zaś funkcja jest postaci (x) = e

αx

(W

1

(x· cos βx W

2

(x· sin βx)gdzie W

i

(x, i = 12 są

wielomianami zmiennej x. CSRN przewidujemy w postaci: x

k

· e

αx

(V

1

(x· cos βx V

2

(x· sin βx),

przy czym V

i

(x, i = 12 są wielomianami zmiennej i st(V

1

) = st(V

2

) = max( st(W

1

),st(W

2

))

zaś liczba całkowita k ­ 0 jest równa krotności pierwiastka α jβ w równaniu charakterystycz-
nym (2).

Przykłady.

1. Znaleźć całkę ogólną równania

y

0

− 432x

2

CORJ jest: C · e

4x

. Ponieważ (x) = 32x

2

, więc CSRN przewidujemy w postaci

y

1

Ax

2

Bx C.

Wstawiając y

1

y

0

1

do równania niejednorodnego i przyrównując współczynniki otrzymu-

jemy: = 8, B = 4, C = 1. Zatem CORN jest równa

Ce

4x

+ 8x

2

+ 4+ 1 , C ∈ R

2. Znaleźć całkę ogólną równania

y

0

+ 2= 9xe

x

CORJ jest tu Ce

2x

. CSRN przewidujemy w postaci y

1

= (Ax B)e

x

.

Otrzymujemy = 3, B 1.

Ce

2x

+ (3x − 1)e

x

, C ∈ R

przedstawia CORN.

1

background image

3. Znaleźć całkę ogólną równania y

00

+ 3y

0

+ 2= 5 cos x.

Równanie charakterystyczne r

2

+ 3+ 2 = 0 ma pierwiastki r

1

1, r

2

2. CORJ ma

postać C

1

e

−x

C

2

e

2x

, C

1

, C

2

∈ R. CSRN przewidujemy w postaci: cos +

sin x. Różniczkując dwa razy i wstawiając do równania otrzymujemy: =

1

2

, B =

3

2

.

CORN jest określona wzorem

C

1

e

−x

C

2

e

2x

+

1

2

cos +

3

2

sin x , C

1

, C

2

∈ .

4. Wyznaczyć CORN y

00

+ 3y

0

+ 2e

−x

.

Ponieważ α 1 jest pierwiastkiem równania charakterystycznego, więc CSRN przewi-
dujemy w postaci: xAe

−x

. Po obliczeniach otrzymujemy: = 1. CORN określa wzór

C

1

e

−x

C

2

e

2x

xe

−x

, C

1

, C

2

∈ .

5. Znaleźć całkę ogólną równania y

00

= 4cos x.

Równanie charakterystyczne r

2

+ 1 = 0 ma dwa pierwiastki: r

1

j, r

2

−j, a zatem

C

1

sin C

2

cos jest CORJ. CSRN przewidujemy w postaci

y

1

(A

1

B

1

) sin (A

2

B

2

) cos x

Po obliczeniu i wstawieniu y

00

1

, y

0

1

, y

1

do równania niejednorodnego otrzymujemy

2A

1

sin + 2(2A

1

B

1

) cos + 2A

2

cos x − 2(2A

2

B

2

) sin x ≡ 4cos x

Ta równość jest spełniona dla każdego x, gdy A

1

= 1, A

2

= 0, B

1

= 0, B

2

= 1 Zatem:

y

1

x

2

sin cos i CORN ma postać

C

1

sin C

2

cos x

2

sin cos x , C

1

, C

2

∈ .

6. Wyznaczyć CORN y

00

y

0

= 2e

x

x

2

.

Równanie charakterystyczne r

2

= 0 ma pierwiastki: r

1

= 0, r

2

1. CORJ jest równa

C

1

·1+C

2

e

−x

, C

1

, C

2

∈ R. CSRN przewidujemy w postaci: y

1

Ae

x

+x(Bx

2

+Cx+D).

Po obliczeniach otrzymujemy: = 1, B =

1

3

, C 1, D = 2. CORN dana jest wzorem

C

1

C

2

e

−x

e

x

+

1

3

x

3

− x

2

+ 2x , C

1

, C

2

∈ R

2

background image

Metoda uzmienniania stałej dla = 1

Metoda uzmienniania stałej polega na tym, że we wzorze na całkę ogólną równania jednorod-

nego, y(x) = C · exp(

Z

p(x)dx) , C ∈ R zastępujemy stałą C - nieznaną funkcją C(x) ,

którą dobieramy w ten sposób, aby funkcje postaci C(x· exp(

Z

p(x)dx) spełniały równanie

niejednorodne. Zakładając, że taka funkcja C(x) istnieje, otrzymujemy wówczas

C(x) =

Z



(x· exp(

Z

p(x)dx)



dx C

1

, gdzie C

1

∈ R

Wzór

y(x) = C

1

· exp(

Z

p(x)dx) + exp(

Z

p(x)dx·

Z



(x· exp(

Z

p(x)dx)



dx

przedstawia CORN y

0

p(x· y (x), przy czym wszystkie całki występujące w tym wzorze

rozumiane są jako dowolne, lecz ustalone funkcje pierwotne.

Metoda uzmienniania stałych dla n ­ 2

Metoda ta polega na zastąpieniu stałych C

1

, C

2

, . . . , C

n

we wzorze na CORJ funkcjami C

1

(x,

C

2

(x, . . . , C

n

(x), których pochodne wyznaczamy z układu równań algebraicznych

C

0

1

(x)y

1

(x)

+

C

0

2

(x)y

2

(x)

. . . +

C

0

n

(x)y

n

(x)

= 0

C

0

1

(x)y

0

1

(x)

+

C

0

2

(x)y

0

2

(x)

. . . +

C

0

n

(x)y

0

n

(x)

= 0

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . .

. . . . . . . . .

. . .

C

0

1

(x)y

(n−1)

1

(x) + C

0

2

(x)y

(n−1)

2

(x)

. . . C

0

n

(x)y

(n−1)

n

(x) = (x)

gdzie funkcje y

1

, y

2

, . . . , y

n

stanowią układ podstawowy całek równania równania jednorodnego.

Dla = 2 ten układ równań ma postać

(

C

0

1

(x)y

1

(x) + C

0

2

(x)y

2

(x) = 0

C

0

1

(x)y

0

1

(x) + C

0

2

(x)y

0

2

(x) = (x)

skąd obliczamy

C

1

(x) =

Z





0

y

2

(x)

(xy

0

2

(x)





(x)

dx A , C

2

(x) =

Z





y

1

(x)

0

y

0

1

(x(x)





(x)

dx B , A, B ∈ R

gdzie (x) oznacza wrońskian. Wzór

Ay

1

(x) + By

2

(x) + y

1

(x·

Z





0

y

2

(x)

(xy

0

2

(x)





(x)

dx y

2

(x·

Z





y

1

(x)

0

y

0

1

(x(x)





(x)

dx

określa CORN.

Przykłady.

3

background image

1. Znaleźć całkę ogólną równania

dy

dx

− ctg x · y = sin

3

x

Rozwiązanie. CORJ

sin x , C ∈ R

Dla znalezienia CORN stosujemy metodę uzmiennienia stałej.
Przyjmujemy C(x) sin x. Wówczas y

0

C

0

(x) sin C(x) cos x. Wstawiając oraz y

0

do RN otrzymujemy

C

0

(x) = sin

2

x

a następnie C(x) =

1

2

x −

1

4

sin 2C

1

Stąd CORN: y(x) = C

1

sin +

1

2

sin x −

1

2

sin

2

cos x.

2. Znaleźć CORN: y

00

− 3y

0

+ 2= sin (e

−x

).

Rozwiązanie. CORJ jest: C

1

e

x

C

2

e

2x

. CORN wyznaczamy metodą uzmienniania

stałych (metody przewidywań nie można tu zastosować!). Należy więc rozwiązać układ
równań

(

C

0

1

(x)e

x

+

C

0

2

(x)e

2x

= 0

C

0

1

(x)e

x

+ 2C

0

2

(x)e

2x

= sin (e

−x

)

z niewiadomymi funkcjami C

0

1

(x) i C

0

2

(x). Mamy

C

0

1

(x) =





0

e

2x

sin (e

−x

) 2e

2x









e

x

e

2x

e

x

2e

2x





−e

−x

sin



e

−x



C

0

2

(x) =





e

x

0

e

x

sin (e

−x

)









e

x

e

2x

e

x

2e

2x





e

2x

sin



e

−x



,

skąd C

1

(x) = − cos (e

−x

) + C

2

(x) = e

−x

cos (e

−x

− sin (e

−x

) + B, a zatem CORN jest

Ae

x

Be

2x

− e

2x

sin



e

−x



.

Dodatek

Wyznaczanie układu podstawowego całek dla równania liniowego o
stałych współczynnikach rzędu 
n ­ 2

1.

Równanie (2) ma n różnych pierwiastków rzeczywistych r

1

, r

2

, . . . , r

n

. Wówczas funkcje

y

1

(x) = e

r

1

x

, y

2

(x) = e

r

2

x

, . . . , y

n

(x) = e

r

n

x

tworzą układ podstawowy całek RJ.

4

background image

2.

Równanie (2) ma n różnych pierwiastków r

1

, r

2

, . . . , r

n

, wśród których znajdują się pier-

wiastki zespolone. Niech np. r

1

α jβ , r

2

α − jβ oraz r

3

, . . . , r

n

∈ R. Wówczas funkcje

y

1

(x) = e

αx

cos βx , y

2

(x) = e

αx

sin βx , y

3

(x) = e

r

3

x

, . . . , y

n

(x) = e

r

n

x

tworzą układ podstawowy całek RJ.

3.

Równanie (2) ma n pierwiastków rzeczywistych r

1

, r

2

, . . . , r

n

, wśród których znajdują się

pierwiastki wielokrotne. Niech np. r

1

r

2

. . . r

k

oraz pozostałe r

k+1

, . . . , r

n

są różne

między sobą i różne od r.
Wówczas funkcje e

rx

, xe

rx

, x

2

e

rx

, . . . , x

k−1

e

rx

są rozwiązaniami równania (1). Funkcje

e

rx

, xe

rx

, x

2

e

rx

, . . . , x

k−1

e

rx

, e

r

k+1

x

, . . . , e

r

n

x

tworzą układ podstawowy całek RJ.

4.

Równanie (2) ma n pierwiastków r

1

, r

2

, . . . , r

n

, wśród których są pierwiastki zespolone wie-

lokrotne. Niech np. r

1

r

2

. . . r

k

α jβ oraz r

k+1

r

k+2

. . . r

2k

α − jβ

zaś pozostałe pierwiastki r

2k+1

, . . . , r

n

są rzeczywiste i różne między sobą. Wówczas funkcje

e

αx

cos βx , xe

αx

cos βx , . . . , x

k−1

e

αx

cos βx , e

αx

sin βx , xe

αx

sin βx , . . . , x

k−1

e

αx

sin βx są są roz-

wiązaniami równania (1). Funkcje

e

αx

cos βx , xe

αx

cos βx , . . . , x

k−1

e

αx

cos βx , e

αx

sin βx , xe

αx

sin βx ,

. . . , x

k−1

e

αx

sin βx, e

r

2k+1

x

, . . . , e

r

n

x

tworzą układ podstawowy całek RJ.

5