background image

R

ÓWNANIA  RÓŻNICZKOWE  RZĘDU  DRUGIEGO

 

 
Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu drugiego nazywamy  równanie  postaci 

0

)

,

,

,

(



y

y

y

x

F

 

gdzie  F oznacza  znaną  funkcję,  niewiadomą  jest funkcja 

)

(x

y

y

 jednej  zmiennej  x i w 

którym  występuje  druga  pochodna  tej funkcji. 
 
Rozwiązać  równanie  z podanymi  warunkami  początkowymi 

1

)

1

(

,

2

)

1

(

,

0



y

y

y

 

 
R

ÓWNANIE 

LINIOWE

  RZĘDU  DRUGIEGO

 

 
Równanie  liniowe  rzędu  drugiego  zapisujemy  w postaci   

)

(

)

(

)

(

x

f

y

x

q

y

x

p

y



                   ( skrót RL) 

gdzie  pq i f są to dane  funkcje  ciągłe,  określone  w przedziale  X. 
 
Równanie  nazywamy   
jednorodnym jeśli 

0

)

(

x

f

 na przedziale  X (skrót RJ),  

niejednorodnym jeśli  f(x)

0 (skrót RN). 

0

)

(

)

(



y

x

q

y

x

p

y

 

RJ 

)

(

)

(

)

(

x

f

y

x

q

y

x

p

y



 

RN  

Dla  dowolnych  wartości  początkowych 

1

0

0

,

,

y

y

x

 gdzie 

R

y

y

X

x

1

0

0

,

,

 równanie  linowe 

ma  dokładnie  jedno rozwiązanie  spełniające  zadany  warunek  początkowy 

0

0

)

(

y

x

y

,

1

0

)

(

y

x

y

Wszystkie  rozwiązania  istnieją  w całym  przedziale  X
 
R

ÓWNANIE 

LINIOWE  JEDNORODNE

  RZĘDU  DRUGIEGO 

 

0

)

(

)

(



y

x

q

y

x

p

y

 

RJ 

TW. 
Całka ogólna  równania  liniowego  jednorodnego  jest funkcją  postaci 
 

)

(

)

(

2

2

1

1

0

x

y

C

x

y

C

y

 

 RORJ 

 
gdzie 

R

C

C

2

1

,

 są  dowolnymi  stałymi,  a funkcje 

)

(

),

(

2

2

1

1

x

y

y

x

y

y

są liniowo 

niezależnymi  rozwiązaniami  równania  jednorodnego  tzn. 

const

x

y

x

y

)

(

)

(

2

1

. lub 

0

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

x

y

x

y

x

y

x

y

x

W

 

 
Mówimy  wówczas,  że  funkcje 

)

(

),

(

2

2

1

1

x

y

y

x

y

y

tworzą  układ  podstawowy  całek 

równania  jednorodnego.  Wyznacznik  W nazywamy  wrońskianem  (wyznacznikiem 
Wrońskiego). 
 
Uwaga 
Jeżeli  znamy  niezerowe  rozwiązanie  równania  jednorodnego 

1

y

, to drugiego  rozwiązania 

poszukujemy  w postaci 

)

(

)

(

)

(

1

2

x

y

x

C

x

y

 gdzie 

)

(x

C

C

jest szukaną  funkcją.   

 

background image

R

ÓWNANIE 

LINIOWE  JEDNORODNE 

RZĘDU  DRUGIEGO 

O STAŁYCH WSPÓŁCZYNNIKACH

 

0



qy

y

p

y

    

R

q

p

,

  RJ 

 

Przewidujemy  RSRJ  w postaci 

rx

e

y

, gdzie  r jest pewną  stałą.  W celu  wyznaczenia  stałej  r 

podstawiamy  funkcję  i  jej pochodne

rx

re

y

 

rx

e

r

y

2



do RJ. Otrzymujemy  tzw.  równanie 

charakterystyczne 

0

2

q

pr

r

Możliwe  są trzy  sytuacje 
1. 

0

4

2

q

p

 

Równania  charakterystyczne  ma  dwa różne  pierwiastki  rzeczywiste 

2

1

r

r

. Odpowiadają  im 

dwie  liniowo  niezależne  funkcje   

x

r

x

r

e

y

e

y

2

1

2

1

,

które tworzą  układ  podstawowy  całek  RJ. Ich kombinacja  liniowa  o dowolnych 
współczynnikach 

R

C

C

2

1

,

 tworzy  RORJ. 

x

r

x

r

e

C

e

C

y

2

1

2

1

 

R

C

C

2

1

,

 RORJ 

2. 

0

4

2

q

p

 

Równania  charakterystyczne  ma  jeden  pierwiastek  rzeczywisty 

0

r

. Odpowiada  mu 

rozwiązanie  RJ 

x

r

e

y

0

1

. Drugą  funkcję  wyznaczamy  metodą  uzmiennia  stałej.  Otrzymujemy   

x

r

xe

y

0

2

Zatem  funkcja 

x

r

e

x

C

C

y

0

2

1

 

R

C

C

2

1

,

  

jest RORJ. 
3. 

0

 

Brak pierwiastków  rzeczywistych.  Rozwiązania  zespolone 

i

r

1

i

r

2

 

Funkcje   

x

e

y

x

sin

1

x

e

y

x

cos

2

 

tworzą  układ  podstawowy  całek  RJ. 
 

x

C

x

C

e

y

x

cos

sin

2

1

 

R

C

C

2

1

,

 RORJ. 

 
 

RORJ o stałych  współczynnikach 

0

 

x

r

x

r

e

C

e

C

y

2

1

2

1

 

R

C

C

2

1

,

 

0

   

x

r

e

x

C

C

y

0

2

1

 

R

C

C

2

1

,

  

0

 

x

C

x

C

e

y

x

cos

sin

2

1

 

R

C

C

2

1

,

 

Zadanie 
Wyznaczyć  RO równania   
a) 

0

2

3



y

y

y

 

b) 

0

4

4



y

y

y

 

c) 

0

5

6

5



y

y

y

 

 
 
 

background image

R

ÓWNANIE 

LINIOWE  NIEJEDNORODNE

  RZĘDU  DRUGIEGO 

 

)

(

)

(

)

(

x

f

y

x

q

y

x

p

y

 

 

RN  

 

RORN=RORJ+RSRN 

-

 

M

ETODA  PRZEWIDYWANIA 

RSRN

 

 

 
W przypadku  równania 

o stałych  współczynnikach

  z 

prawą stroną   postaci

 

- wielomianu 
- funkcji 

x

b

x

a

cos

sin

 

- funkcji  typu 

kx

ae

 

- suma  lub  iloczyn  funkcji  wymienionych  typów 

tak jak dla  równania  liniowego  rzędu  pierwszego,  w celu  wyznaczenia  RSRN można 
stosować  metodę  przewidywania. 
 
zadanie 

2

3

8

4

4

4

x

x

y

y

y



 

 
-

 

M

ETODA  UZMIENNIANIA  STAŁYCH 

 

RSRN wyznaczamy  metodą  uzmienniania  stałych  w RORJ 

)

(

)

(

2

2

1

1

0

x

y

C

x

y

C

y

RSRN poszukujemy  w postaci 

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

x

y

x

C

x

y

x

C

y

s

,gdzie 

)

(

),

(

2

2

1

1

x

C

C

x

C

C

 

szukane  funkcje. 
Pochodne 

)

(

),

(

2

1

x

C

x

C

 szukanych  funkcji  wyznaczamy  z układu  równań   

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

2

2

1

1

x

f

x

y

x

C

x

y

x

C

x

y

x

C

x

y

x

C

 

W przypadku  równania  o stałych  współczynnikach  z prawą stroną  jak dla równania  liniowego 
rzędu  pierwszego  w celu  wyznaczenia  RSRN można  stosować  metodę  przewidywania. 
 
Zadanie 
Wyznaczyć  RORJ 

0

3

2

2



y

y

x

y

x

 

jeżeli  funkcja   

x

y

1

 jest całką  tego równania. 

 
Zadanie   

x

x

y

y

x

y

x

ln

5

3

2

2



  

odp. 

x

x

x

C

x

C

y

ln

9

1

2

2

5

1

 

 
R

ÓWNANIA RZĘDU  DRUGIEGO  SPROWADZALNE  DO RÓWNAŃ RZĘDU  PIERWSZEGO

 

 
1. Jeżeli  w równaniu  nie  występuje  funkcja 

y

 

0

)

,

,

(



y

y

x

F

 

podstawiamy 

)

(x

u

y

Zatem

)

(x

u

y



,  po podstawieniu  do równania  dostajemy   

0

)

,

,

(

u

u

x

F

 

równanie  rzędu  pierwszego  dla  funkcji 

)

(x

u

u

Po wyznaczeniu  funkcji  u, obliczamy  funkcję  

background image

dx

x

u

x

y

)

(

)

(

 

2. Jeżeli  w równaniu  nie  występuje  zmienna  niezależna  x 

0

)

,

,

(



y

y

y

F

 

podstawiamy 

)

y

u

y

Zatem

 

u

dy

du

dx

dy

dy

du

y

u

dx

d

y

dx

d

y



)

(

,  po podstawieniu  do równania  dostajemy   

0

)

),

(

,

(

u

dy

du

y

u

y

F

 

równanie  rzędu  pierwszego  dla  funkcji 

)

y

u

u

Po wyznaczeniu  funkcji  u, obliczamy  funkcję  z równania  różniczkowego  o zmiennych 
rozdzielonych 

)

y

u

dx

dy

 

dx

u

dy

 dla 

0

u

(sprawdzamy  czy  kładąc 

0

u

 dostajemy  rozwiązania  równania).