Лекция 10
Если в линейном однородном уравнении
(1)
все коэффициенты постоянны, то его частные решения могут быть найдены в виде , где — постоянная. Действительно, подставляя в уравнение (1) и , будем иметь . Сокращая на необращающийся в нуль множитель , получим так называемое характеристическое уравнение
. (2)
Это уравнение -й степени определяет те значения , при которых является решением исходного линейного однородного уравнения с постоянными коэффициентами (1). Если все корни характеристического уравнения различны, то, тем самым, найдено линейно независимых решений уравнения (1). Следовательно, , где — произвольные постоянные, является общим решением исходного уравнения (1).
Пример 1. . Характеристическое уравнение имеет вид , его корни . Следовательно, общее решение исходного уравнения имеет вид .
Пример 2. . Характеристическое уравнение имеет корни . Общее решение рассматриваемого уравнения .
Теорема. Если линейное однородное уравнение с действительными коэффициентами имеет комплексное решение , то действительная часть этого решения и его мнимая часть в отдельности являются решениями того же однородного уравнения.
Доказательство. Дано . Надо доказать, что .
Пользуясь двумя свойствами линейного оператора, получим , откуда , так как комплексная функция действительной переменной обращается тождественно в нуль тогда и только тогда, когда ее действительная и мнимая части тождественно равны нулю.
Мы применили два свойства оператора к комплексной функции действительной переменной, что, очевидно, допустимо, так как при доказательстве двух свойств были использованы лишь следующие свойства производных: , где — постоянная, и , остающиеся справедливыми и для комплексных функций действительной переменной.
Так как коэффициенты уравнения (1) предполагаются действительными, то комплексные корни характеристического уравнения могут появляться лишь сопряженными парами. Комплексные решения и , соответствующие паре комплексных сопряженных корней , могут быть заменены двумя действительными решениями: действительной и мнимой частями одного из решений: или . Таким образом, паре комплексных сопряженных корней соответствуют два действительных решения: и .
Пример 3. . Характеристическое уравнение имеет вид , его корни . Общее решение .
Пример 4. . Характеристическое уравнение имеет корни . Общее решение .
Если среди корней характеристического уравнения имеются кратные, то число различных решений вида меньше и, следовательно, недостающие линейно независимые решения надо искать в ином виде.
Докажем, что если характеристическое уравнение имеет корень кратности , то решениями исходного уравнения будет не только , но и .
Предположим вначале, что характеристическое уравнение имеет корень кратности . Следовательно, левая часть характеристического уравнения (2) имеет в этом случае общий множитель , т.е. коэффициенты , и характеристическое уравнение имеет вид . Соответствующее линейное однородное дифференциальное уравнение , очевидно, имеет частные решения , так как уравнение не содержит производных порядка ниже чем . Итак, кратному корню кратности соответствует линейно независимых решений .
Если характеристическое уравнение имеет корень кратности , то замена переменных
(3)
сводит задачу к уже рассмотренному случаю равного нулю кратного корня.
Действительно, линейное однородное преобразование неизвестной функции (3) сохраняет линейность и однородность уравнения. Постоянство коэффициентов при замене переменных (3) также сохраняется, так как , и после подстановки в уравнение (1) и сокращения на при остаются лишь постоянные коэффициенты.
Итак, преобразованное уравнение будет линейным однородным уравнением -го порядка с постоянными коэффициентами
, (4)
причем корни характеристического уравнения
. (2)
отличаются от корней характеристического уравнения для преобразованного уравнения (4)
(5)
на слагаемое , так как между решениями уравнения (1) и уравнения (4) должна быть зависимость или , откуда . Следовательно, корню уравнения (2) соответствует корень уравнения (5).
Как нетрудно проверить, при этом соответствии сохранится и кратность корня, т.е. корень будет иметь кратность .
Действительно, кратный корень уравнения (2) можно рассматривать как результат совпадения различных корней этого уравнения при изменении его коэффициентов, но тогда в силу зависимости совпадут с и корней уравнения (5).
Корню кратности соответствуют частные решения . Следовательно, в силу зависимости , корню кратности уравнения (2) будут соответствовать частных решений
. (6)
Можно показать, что решения
, (7)
где — число различных корней характеристического уравнения, линейно независимы.
Следовательно, общее решение уравнения (1) имеет вид , где — произвольные постоянные.
Пример 5. . Характеристическое уравнение или имеет трехкратный корень . Следовательно, общее решение имеет вид .
Если характеристическое уравнение имеет кратный комплексный корень кратности , то соответствующие ему решения можно преобразовать по формулам Эйлера и, отделяя действительную и мнимую части, получить действительных решений:
(8)
Взяв действительные и мнимые части решений, соответствующих сопряженному корню характеристического уравнения, мы не получим новых линейно независимых решений. Таким образом, паре комплексных сопряженных корней кратности соответствуют линейно независимых действительных решений (8).
Пример 6. . Характеристическое уравнение или имеет двукратные корни . Следовательно, общее решение имеет вид .