Лекция 9
Линейным дифференциальным уравнением
-го порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и ее производных и, следовательно, имеющее вид
, (1)
где коэффициенты
(так же как и
) являются заданными непрерывными функциями от
(в частности, они могут быть постоянными или нулями). Если уравнение имеет порядок
, то, естественно, коэффициент
не должен быть тождественно равен нулю. Допустим, что для значений
в интервале
(2)
и что все остальные коэффициенты и
непрерывны в этом интервале. Разделив обе части уравнения на
и введя обозначения
, мы приведем уравнение (1) к виду
, (1.1)
где
и
— известные непрерывные функции от
. В дальнейшем будем преимущественно рассматривать линейное уравнение, приведенное к виду (1.1).
Уравнение (1) или (1.1) называется линейным неоднородным уравнением или уравнением с правой частью. Если же правая часть (или свободный член) уравнения,
или
, тождественно равен нулю, то уравнение называется линейным однородным:
, (3)
или
. (3.1)
Если уравнение (3) или (3.1) имеет те же коэффициенты, что и (1) или (1.1), то оно называется однородным уравнением, соответствующим неоднородному уравнению (1) или (1.1).
Отметим следующие общие свойства линейных дифференциальных уравнений.
1) Уравнение остается линейным при замене независимой переменной. В самом деле, преобразуем независимую переменную подстановкой
, (4)
где
есть произвольная непрерывно дифференцируемая
раз функция, производная которой
не обращается в нуль в рассматриваемом интервале
, причем этот интервал соответствует изменению
в интервале (2) (это условие достаточно для существования обратной функции
, определенной в интервале (2)). Из равенства (4) имеем
. Вычисляя выражения производных от
по
через производные по новой независимой переменной, находим
,
, … Легко видеть, что вообще
выразится линейно (и однородно) через
, с коэффициентами — непрерывными функциями от
. Подставляя эти выражения в уравнение (1) и производя в коэффициентах
и правой части
замену (4), мы опять получим линейное уравнение
, причем
в интервале
. Очевидно, подстановка (4) преобразует однородное линейное уравнение снова в однородное.
2) Уравнение остается линейным при линейном преобразовании зависимой переменной. Вводим новую функцию
, связанную с
уравнением
, (5)
где
имеют непрерывные производные до порядка
включительно и
в интервале (2). Мы имеем
,
. Очевидно, что вообще производная
-го порядка от
по
выразится линейно (но неоднородно) через
первых производных от
по
. Результат подстановки этих выражений в (1) дает опять линейное уравнение. Его коэффициент при старшей производной
, в силу сделанных предположений, не обращается в нуль в интервале (2).