Files

121 lines
5.0 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

>Линейные ДУ 1-го порядка. Теорема о структуре общего решения линейного неоднородного уравнения. Метод интегрирования линейного неоднородного уравнения (метод Лагранжа вариации произвольной постоянной).
1. Линейные ДУ 1-го порядка
Линейное дифференциальное уравнение 1-го порядка имеет вид:
$$
\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x) \tag{1}
$$
где $y = y(x)$ - неизвестная функция, $x$ - независимая переменная, $P(x)$ и $Q(x)$ - непрерывные функции на некотором интервале $(a, b)$.
2. Теорема о структуре общего решения линейного неоднородного уравнения
Теорема. Общее решение линейного неоднородного уравнения (1) представляет собой сумму общего решения соответствующего однородного уравнения (решения с нулевым правой частью) и одного частного решения неоднородного уравнения:
$$
y(x) = y_0(x) + y_p(x) \tag{2}
$$
где $y_0(x)$ - общее решение однородного уравнения $\frac{dy}{dx} + P(x)y = 0$, а $y_p(x)$ - частное решение неоднородного уравнения (1).
3. Метод Лагранжа вариации произвольной постоянной
Для нахождения частного решения неоднородного уравнения (1) можно воспользоваться методом Лагранжа вариации произвольной постоянной. Этот метод заключается в следующем:
- Найти общее решение однородного уравнения $y_0(x) = C \cdot e^{-\int P(x) dx}$, где $C$ - произвольная постоянная.
- Предположить, что частное решение неоднородного уравнения имеет вид $y_p(x) = C(x) \cdot e^{-\int P(x) dx}$, где $C(x)$ - некоторая функция от $x$.
- Найти функцию $C(x)$, подставляя $y_p(x)$ в уравнение (1) и решая полученное дифференциальное уравнение относительно $C(x)$.
- Найти частное решение $y_p(x)$ и построить общее решение неоднородного уравнения (1) по формуле (2).
4. Примеры решения линейных неоднородных ДУ 1-го порядка
Рассмотрим несколько примеров решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений 1-го порядка с помощью метода Лагранжа вариации произвольной постоянной.
Пример 1. Решить уравнение:
$$
\frac{dy}{dx} + y = e^x \tag{3}
$$
Решение. Найдем общее решение однородного уравнения $\frac{dy}{dx} + y = 0$:
$$
y_0(x) = C \cdot e^{-\int dx} = C \cdot e^{-x}
$$
Предположим, что частное решение неоднородного уравнения (3) имеет вид $y_p(x) = C(x) \cdot e^{-x}$. Подставим это выражение в уравнение (3):
$$
-C(x)e^{-x} + C'(x)e^{-x} + C(x)e^{-x} = e^x
$$
Отсюда находим $C'(x)$:
$$
C'(x) = e^{2x}
$$
Интегрируя эту функцию, получим $C(x)$:
$$
C(x) = \int e^{2x} dx = \frac{1}{2}e^{2x} + C_1
$$
Найдем частное решение $y_p(x)$:
$$
y_p(x) = C(x) \cdot e^{-x} = \frac{1}{2}e^x
$$
Общее решение уравнения (3):
$$
y(x) = y_0(x) + y_p(x) = C \cdot e^{-x} + \frac{1}{2}e^x \tag{4}
$$
Пример 2. Решить уравнение:
$$
\frac{dy}{dx} - \frac{2}{x}y = x^3 \tag{5}
$$
Решение. Найдем общее решение однородного уравнения $\frac{dy}{dx} - \frac{2}{x}y = 0$:
$$
y_0(x) = C \cdot e^{\int \frac{2}{x} dx} = C \cdot x^2
$$
Предположим, что частное решение неоднородного уравнения (5) имеет вид $y_p(x) = C(x) \cdot x^2$. Подставим это выражение в уравнение (5):
$$
2C(x)x + C'(x)x^2 - 2C(x)x = x^3
$$
Отсюда находим $C'(x)$:
$$
C'(x) = x
$$
Интегрируя эту функцию, получим $C(x)$:
$$
C(x) = \int x dx = \frac{1}{2}x^2 + C_1
$$
Найдем частное решение $y_p(x)$:
$$
y_p(x) = C(x) \cdot x^2 = \frac{1}{2}x^4
$$
Общее решение уравнения (5):
$$
y(x) = y_0(x) + y_p(x) = C \cdot x^2 + \frac{1}{2}x^4 \tag{6}
$$