Используя свойства линейного дифференциального оператора, сформулируем свойство решений линейного дифференциального уравнения (4), которое дает ключ к пониманию структуры (устройства) общего решения.
Если h (x) и g (x) − решения линейного однородного уравнения (4), то для любых констант С 1 и С 2 функция j (х) = С 1 h (x) + С 2 g (x) − решение уравнения (4).
Известно, что общее решение уравнения n -го порядка содержит n произвольных констант. В связи с этим возникают следующие вопросы. Можно ли найти такие n решений j1(х), j2(х) ,..., j n (х), что функция
j (х) = , (5)
где Сi (i = 1, 2 ,..., n) − константы, будет общим решением линейного однородного уравнения (4)? Какими свойствами должны обладать функции j i (х), чтобы составленная из них по формуле (5) функция являлась общим решением?
На основании свойства решений линейных однородных дифференциальных уравнений можно сделать вывод, что множество всех решений данного уравнения образует линейное пространство. Известно, что в любом линейном пространстве каждый элемент является линейной комбинацией базиса.
|
|
Введем понятия линейной зависимой и линейной независимой системы функций.
Определение 2. Система функций y 1(х), y 2(х), ..., ym (х) называется линейно зависимой на интервале (a, b), если на этом интервале выполняется тождество:
α1 y 1(х) + α2 y 2(х) +...+ α m ym (х) ≡ 0, (6)
в котором, по крайней мере, один из коэффициентов α i (i = 1, 2,..., m) отличен от нуля (α12 + α22 +... + α m 2 ≠ 0).
Определение 3. Система функций y 1(х), y 2(х), ..., ym (х) называется линейно независимой на интервале (a, b), если на этом интервале тождество (6) выполняется только в том случае, когда все коэффициенты α i (i = 1, 2,..., m) равны нулю (α12 + α22 +... + α m 2 = 0).
Пример 2. Исследовать на линейную зависимость системы функций:
а) у 1(х) = х, у 2(х) = 3 х;
б) у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх.
Решение. В случае (а) тождество α1 y 1(х) + α2 y 2(х) ≡ 0 выполняется при α1 = −3 и α2 = 1 для всех х, т. е. по определению 2 эта система функций линейно зависима на всей числовой прямой.
В случае (б) предположим, что α1 sinх + α2 cosх ≡ 0 и один из коэффициентов, допустим α1, отличен от нуля. Тогда
показывает, что это невозможно, так как выражение слева зависит от х, а справа − константа. Таким образом, функции sinx и сosx являются линейно независимой системой на (−∞, ∞).
Анализируя решение примера 2, можно сформулировать утверждение общего характера: система, состоящая из двух функций, линейно зависима тогда и только тогда, когда их отношение является константой.
Для того чтобы сформулировать условия линейной зависимости системы функций, нам потребуется понятие определителя Вронского (вронскиана).
|
|
Определение 4. Определителем Вронского системы функций y 1(х), y 2(х) ,..., ym (х) называется функциональный определитель порядка m:
= W [ y 1, y 2, ..., ym ]. (7)
Пример 3. Найти определитель Вронского системы функций:
а) у 1(х) = х, у 2(х) = 3 х;
б) у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх.
Решение. В случае (а)
W [ x, 3 x ] = .
Для системы функций у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх имеем
W [ sinx, cosx ] =
Теорема 2 (необходимое условие линейной зависимости) Если система функций y 1 (х), y 2 (х),..., ym (х) линейно зависима на интервале (а, b), то ее определитель Вронского W [ y 1, y 2 ,..., ym ] ≡ 0 на (a, b).
В примере 2 (а) мы установили линейную зависимость системы функций, а в примере 3 (а) показали, что ее определитель Вронского равен нулю. Данное условие является необходимым, но недостаточным. Сформулируем необходимое и достаточное условие линейной зависимости не для произвольной системы функций, а для решений линейного однородного дифференциального уравнения.
Теорема 3. Функции y 1 (х), y 2 (х),..., ym (х) − решения линейного дифференциального уравнения (4), все коэффициенты которого непрерывны на интервале (а, b), образуют линейно независимую систему тогда и только тогда, когда ее определитель Вронского W [ y 1, y 2 ,..., ym ] ≠ 0 ни в одной точке интервала (a, b).
Пример 4. Очевидно, что функции у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх являются решениями уравнения у ′′(х) + у (х) = 0. По теореме 3 мы можем утверждать, что они линейно независимы на всей числовой оси, так как W [ sinx, cosx ] ≡ −1 (см. пример 3).
Для установления линейной независимости решений линейного однородного дифференциального уравнения нужно по теореме 3 проверить, что определитель Вронского ни в одной точке интервала не равен нулю. В этом заключается неудобство данного критерия. Однако его можно упростить, если воспользоваться формулой Остроградского − Лиувилля:
(8)
где y 1(х), y 2(х), ..., уn (x) − решения линейного однородного дифференциального уравнения (4), в котором все коэффициенты непрерывны на интервале (а, b), х 0∈ (а, b) и р 1(t) − коэффициент перед производной (n − 1)-го порядка в (4).
Действительно, равенство (8) означает: из того, что определитель Вронского не обращается в нуль в некоторой точке х 0∈ (а, b) следует, что он не равен нулю ни в какой другой точке этого интервала, так как функция ех ≠ 0 при любом х. Таким образом, получаем
Следствие. Совокупность n решений линейного однородного дифференциального уравнения порядка n с непрерывными на (а, b) коэффициентами линейно независима тогда и только тогда, когда определитель Вронского отличен от нуля хотя бы в одной точке этого интервала.
Определение 5. Совокупность n решений линейного однородного дифференциального уравнения n -го порядка, которая определена и линейно независима на интервале (a, b), называется фундаментальной системой решений (ФСР) этого уравнения.
Теорема 4. Если коэффициенты линейного однородного дифференциального уравнения порядка n непрерывны на интервале (а, b), то для него на этом интервале существует фундаментальная система решений:
y 1(х), y 2(х) ,..., yn (х).
Следующая теорема дает ответ на один из основных вопросов в теории линейных дифференциальных уравнений.
Теорема 5. Если y 1(х), y 2(х) ,..., yn (х) − фундаментальная система решений линейного однородного дифференциального уравнения порядка n, то его общее решение определяется формулой
y (x) = С 1 y 1(х) + С 2 y 2(х) +... + Сnyn (х), (9)
где Сi (i = 1, 2,..., n) − произвольные константы.
Таким образом, теорема 5 фактически утверждает, что пространство решений данного линейного однородного уравнения n -го порядка имеет базис − ФСР, который состоит из n решений.
Пример 5. Показать, что функции у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх образуют фундаментальную систему решений уравнения у ′′(х) + у (х) = 0. Записать общее решение уравнения.
|
|
Решение. Очевидно, что функции у 1(х) = sinх, у 2(х) = cosх удовлетворяют данному уравнению. По теореме 3 они линейно независимы на всей числовой оси, так как W [ sinx, cosx ] ≡ −1 (см. пример 3). Таким образом, они являются фундаментальной системой решений. Общим решением является функция у (х) = С 1 sinx + C 2 cosx (cм. теорему 5).