Лекция 19

Линеаризация диффе6ренциальных уравнений. Линейные дифференциальные уравнения высших порядков. Однородные уравнения, свойства их решений. Свойства решений неоднородных уравнений.

Определение 19.1. Линейным дифференциальным уравнением п -го порядка называется уравнение, линейное относительно неизвестной функции и ее производных:

. (19.1)

Если , уравнение называется линейным однородным.

Если а ₀(х) не равно нулю ни в одной точке некоторого отрезка [ a,b ], линейное однородное уравнение удобно записывать в форме

(19.2)

или . (19.2′)

Замечание 1. Если коэффициенты p_i (x) непрерывны на [ a,b ], то в окрестности любых начальных значений при удовлетворяются условия теоремы суще6ствования и единственности.

Замечание 2. Линейность и однородность уравнения сохраняются при любом преобразовании , где - п раз дифференцируемая функция и на [ a,b ], так как и т.д., то есть производная любого порядка по х является линейной однородной функцией производных по t.

Замечание 3. Линейность и однородность уравнения сохраняются также при линейном однородном преобразовании неизвестной функции y(x) = α(x)z(x).

Определение 19.2. Назовем линейным дифференциальным оператором

(19.3)

результат применения к функции у операций, задаваемых левой частью уравнения (19.2).

При этом уравнение (19.2) можно записать в виде L [ y ] = 0.

Свойства линейного дифференциального оператора.

1) Постоянный множитель выносится за знак линейного оператора: L [ cy ] = cL [ y ], так как (су)⁽ ⁱ ⁾ = cy ⁽ ⁱ ⁾.

2) L [ y₁ + y₂ ] = L [ y₁ ] + L [ y₂ ].

Действительно, (у₁ + у₂)⁽ ⁱ ⁾ = y₁ ⁽ ⁱ ⁾ + y₂ ⁽ ⁱ ⁾, откуда следует справедливость сформулированного свойства.

Следствие.

. (19.4)

Используя свойства линейного оператора, можно указать некоторые свойства решений линейного однородного уравнения (19.2).

Теорема 19.1. Если у₁ – решение уравнения (19.2), то и су₁, где с – произвольная постоянная, – тоже решение этого уравнения.

Доказательство. Если L [ y₁ ] = 0, то по свойству 1) линейного оператора L [ сy₁ ] = 0, что и требовалось доказать.

Теорема 19.2. Сумма у₁ + у₂ решений уравнения (19.2) тоже является решением этого уравнения.

Доказательство. Так как L [ y₁ ] = 0 и L [ y₂ ] = 0, по свойству 2) линейного оператора L [ y₁ + у₂ ] = L [ y₁ ] + L [ y₂ ] = 0, что доказывает утверждение теоремы.

Следствие теорем 19.1 и 19.2. Линейная комбинация решений уравнения (19.2) у₁, у₂,…,у_т с произвольными постоянными коэффициентами тоже является решением этого уравнения.

Если рассматривается линейное неоднородное уравнение (19.1), которое при можно записать в виде

(19.5)

или L [ y ] = f(x), то при непрерывности функций p_i (x) и f (x) оно имеет единственное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям (18.3).

Из свойств линейного оператора следуют свойства решений неоднородного линейного уравнения:

1) Сумма решения неоднородного уравнения (19.5) и решения у₁ соответствующего однородного уравнения (19.2) является решением неоднородного уравнения (19.5). Доказательство. .

2) Если y_i – решение уравнения L [ y ] = f_i(x), то является решением уравнения , где α_i – постоянные (принцип суперпозиции или наложения). Доказательство.