что такое неоднородное дифференциальное уравнение

Неоднородные дифференциальные уравнения

Определение и формулы неоднородных дифференциальных уравнений

Например:

Решение неоднородных дифференциальных уравнений

Если неоднородное уравнение является линейным

то алгоритм нахождения его решения следующий:

Для этого записывается характеристическое уравнение

и находятся его корни. По виду корней характеристического уравнения записывается общее решение этого однородного дифференциального уравнения

По виду правой части неоднородного дифференциального уравнения подбирается его частное решение, так называемая «вынужденная» составляющая решения исходного неоднородного дифференциального уравнения

Записывается полное решение неоднородного дифференциального уравнения как сумма общего решения однородного дифференциального уравнения и вынужденной составляющей решения неоднородного дифференциального уравнения с неизвестными постоянными интегрирования. Если требуется, из начальных условий определяются постоянные интегрирования.

Источник

Неоднородное дифференциальное уравнение

Неоднородное дифференциальное уравнение — дифференциальное уравнение (обыкновенное или в частных производных), которое содержит не равный тождественно нулю свободный член — слагаемое, не зависящее от неизвестных функций.

Обычно имеет те же свойства, что и соответствующее однородное уравнение — уравнение с отброшенным свободным членом.

В физике часто называют свободный член «неоднородностью» или «возмущением», а соответствующее решение — «возмущённым». Если уравнение представляет собой закон колебаний, то в случае неоднородных уравнений говорят о вынужденных колебаниях.

Алгоритм решения

Решение задачи анализа в системе, поведение которой описывается неоднородным дифференциальным уравнением n-го порядка с постоянными коэффициентами:

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Неоднородное дифференциальное уравнение» в других словарях:

Дифференциальное уравнение — Дифференциальное уравнение уравнение, связывающее значение некоторой неизвестной функции в некоторой точке и значение её производных различных порядков в той же точке. Дифференциальное уравнение содержит в своей записи неизвестную функцию,… … Википедия

Дифференциальное уравнение Бернулли — У этого термина существуют и другие значения, см. Уравнение Бернулли. Обыкновенное дифференциальное уравнение вида: называется уравнением Бернулли (при или получаем неоднородное или однородное линейное уравнение). При является частным случаем… … Википедия

Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами — Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами обыкновенное дифференциальное уравнение вида: где искомая функция, её тая производная, фиксированные числа … Википедия

ЛИНЕЙНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ — обыкновенное уравнение вида где x(t) искомая функция, заданные действительные числа, f(t) заданная действительная функция. Соответствующее (1) однородное уравнение интегрируется следующим образом. Пусть все различные корни характеристич.… … Математическая энциклопедия

Уравнение Коши — Эйлера — В математике ( дифференциальных уравнениях), уравнение Коши Эйлера (Эйлера Коши) является частным случаем линейного дифференциального уравнения (см. линейное дифференциальное уравнение), приводимым к линейному дифференциальному уравнению с… … Википедия

Уравнение Лапласа — Уравнение Лапласа дифференциальное уравнение в частных производных. В трёхмерном пространстве уравнение Лапласа записывается так: и является частным случаем уравнения Гельмгольца. Уравнение рассматривают также в двумерном и одномерном… … Википедия

Уравнение Коши — В математике (дифференциальных уравнениях), уравнение Коши Эйлера (Эйлера Коши) является частным случаем линейного дифференциального уравнения (см. линейное дифференциальное уравнение), приводимым к линейному дифференциальному… … Википедия

Уравнение колебаний струны — Волновое уравнение в математике линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, задающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах (акустика,… … Википедия

Источник

Линейные однородные дифференциальные уравнения и линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка

Линейные однородные дифференциальные уравнения (ЛОДУ) и линейные неоднородные дифференциальные уравнения (ЛНДУ) второго порядка .

Частным случаем дифференциальных уравнений (ДУ) такого типа называют линейные однородные дифференциальные уравнения и линейные неоднородные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.

Общее решение линейного однородного дифференциального уравнения на отрезке [a;b] представляет собой линейную комбинацию 2х линейно независимых частных решений y₁ и y₂ нашего уравнения, т.е.:

.

Самое сложное заключается в определении линейно независимых частных решений ДУ такого типа. Зачастую, частные решения выбирают из таких систем линейно независимых функций:

Но достаточно редко частные решения представляются именно так.

Примером линейного однородного дифференциального уравнения можно назвать .

Общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения определяется как ,

где y₀ является общим решением соответствующего линейного однородного дифференциального уравнения,

а является частным решением исходного ДУ. Метод определения y₀ мы сейчас обсудили, а вычисляют, используя метод вариации произвольных постоянных.

Как пример линейного неоднородного дифференциального уравнения приводим .

Познакомиться ближе с теорией и просмотреть примеры решений можете здесь: Линейные дифференциальные уравнения второго порядка.

Источник

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Данная статья раскрывает вопрос о решении линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами. Будет рассмотрена теория вместе с примерами приведенных задач. Для расшифровки непонятных терминов необходимо обращаться к теме об основных определениях и понятиях теории дифференциальных уравнений.

Перейдем к формулировке теоремы общего решения ЛНДУ.

Теорема общего решения ЛДНУ

, где исходным неоднородным уравнением является y = y 0 + y

Отсюда видно, что решение такого уравнения второго порядка имеет вид y = y 0 + y

. Алгоритм нахождения y 0 рассмотрен в статье о линейных однородных дифференциальных уравнениях второго порядка с постоянными коэффициентами. После чего следует переходить к определению y

является частным решением y

Решение

Общим решением линейного неоднородного уравнения является сумма общего решения, которое соответствует уравнению y 0 или частному решению неоднородного уравнения y

Для начала найдем общее решение для ЛНДУ, а после чего – частное.

Получили, что корни различные и действительные. Поэтому запишем

. Видно, что правая часть заданного уравнения является многочленом второй степени, тогда один из корней равняется нулю. Отсюда получим, что частным решением для y

Найдем их из равенства вида y

Эта запись называется общим решением исходного линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

Применив теорему Коши, имеем, что

Коэффициенты, принадлежащие Q n ( x ) находятся по равенству y

Решение

Уравнение общего вида y = y 0 + y

‘ = e x · A x 2 + B x + C ‘ = e x · A x 2 + B x + C + e x · 2 A x + B = = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C y

‘ ‘ = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C ‘ = = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C + e x · 2 A x + 2 A + B = = e x · A x 2 + x 4 A + B + 2 A + 2 B + C

Ответ: видно, что y

Решение

Имеем пару комплексно сопряженных корней. Преобразуем и получим:

y 0 = e 0 · ( C 1 cos ( 2 x ) + C 2 sin ( 2 x ) ) = C 1 cos 2 x + C 2 sin ( 2 x )

будет производиться из y

Необходимо приравнять коэффициенты синусов и косинусов. Получаем систему вида:

Ответ: общим решением исходного ЛНДУ второго порядка с постоянными коэффициентами считается

Решение

По условию видно, что

= e α x · ( L m ( x ) sin ( β x ) + N m ( x ) cos ( β x ) · x γ = = e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) · x 0 = = e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) )

Нахождение производной и подобных слагаемых дает

После приравнивания коэффициентов получаем систему вида

Из всего следует, что

= e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) = = e 3 x · ( ( x + 1 ) cos ( 5 x ) + ( x + 1 ) sin ( 5 x ) )

Ответ: теперь получено общее решение заданного линейного уравнения:

= = C 1 e x + C 2 e 2 x + e 3 x · ( ( x + 1 ) cos ( 5 x ) + ( x + 1 ) sin ( 5 x ) )

Алгоритм решения ЛДНУ

Любой другой вид функции f ( x ) для решения предусматривает соблюдение алгоритма решения:

Решение

Необходимо произвести решение относительно C 1 ‘ ( x ) и C 2 ‘ ( x ) при помощи любого способа. Тогда запишем:

Отсюда следует, что общее решение будет иметь вид:

Ответ: y = y 0 + y

Источник

Что такое неоднородное дифференциальное уравнение

Пусть общее решение однородного дифференциального уравнения второго порядка имеет вид: \[\left( x \right) = \left( x \right) + \left( x \right).\] Вместо постоянных \(\) и \(\) будем рассматривать вспомогательные функции \(\left( x \right)\) и \(\left( x \right).\) Будем искать эти функции такими, чтобы решение \[y = \left( x \right)\left( x \right) + \left( x \right)\left( x \right)\] удовлетворяло неоднородному уравнению с правой частью \(f\left( x \right).\)

Неизвестные функции \(\left( x \right)\) и \(\left( x \right)\) определяются из системы двух уравнений: \[\left\< \begin \left( x \right)\left( x \right) + \left( x \right)\left( x \right) = 0\\ \left( x \right) \left( x \right) + \left( x \right) \left( x \right) = f\left( x \right) \end \right..\]

Подчеркнем, что данный метод работает лишь для ограниченного класса функций в правой части, таких как

\(f\left( x \right) = \left[ <\left( x \right)\cos\left( <\beta x>\right) + \left( x \right)\sin\left( <\beta x>\right)> \right]>,\) где \(<\left( x \right)>\) и \(<\left( x \right)>\) − многочлены степени \(n\) и \(m,\) соответственно.

В обоих случаях выбор частного решения должен соответствовать структуре правой части неоднородного дифференциального уравнения.

В случае \(1,\) если число \(\alpha\) в экспоненциальной функции совпадает с корнем характеристического уравнения, то частное решение будет содержать дополнительный множитель \(,\) где \(s\) − кратность корня \(\alpha\) в характеристическом уравнении.

В случае \(2,\) если число \(\alpha + \beta i\) совпадает с корнем характеристического уравнения, то выражение для частного решения будет содержать дополнительный множитель \(x.\)

Неизвестные коэффициенты можно определить подстановкой найденного выражения для частного решения в исходное неоднородное дифференциальное уравнение.

Если правая часть неоднородного уравнения представляет собой сумму нескольких функций вида \[ <\left( x \right)>\;\;\text<и/или>>\;\; <\left[ <\left( x \right)\cos\left( <\beta x>\right) + \left( x \right)\sin\left( <\beta x>\right)> \right]>,> \] то частное решение дифференциального уравнения также будет являться суммой частных решений, построенных отдельно для каждого слагаемого в правой части.

Источник