Лінійні диференціальні рівняння
Диференціальне рівняння вигляду
, (13.12)
де - відомі неперервні функції, називається лінійним рівнянням. Якщо
, то (13.12) називається лінійним неоднорідним, а якщо
, то – лінійним однорідним.
Інтегрування лінійних рівнянь здійснюється методом Лагранжа (варіації довільної сталої) або методом Бернуллі.
За методом Лагранжа спочатку розв’язують лінійне однорідне рівняння
, (13.13)
яке є рівнянням з відокремлюваними змінними, тому при мають
;
;
. (13.14)
Рівняння (13.14) є загальним розв’язком (13.13), причому частинний розв’язок міститься у ньому при
.
Загальний розв’язок лінійного неоднорідного рівняння шукають у вигляді
, (13.15)
де - невідома диференційовна функція. Диференціюючи (13.15), мають:
,
тоді (13.12) набуде вигляду:
,
звідки ;
.
Отже, загальний розв’язок лінійного неоднорідного рівняння має вигляд:
, (13.16)
де перший доданок є загальним розв’язком лінійного однорідного рівняння, а другий – частинним розв’язком лінійного неоднорідного рівняння.
За методом Бернуллі шукають загальний розв’язок лінійного неоднорідного рівняння у вигляді , де
- невідомі диференційовні функції. Враховуючи співвідношення
, рівняння (12) перетворюється у наступне:
, звідки
. (13.17)
Зауважимо, що одну з функцій можна обирати довільним чином, тому шукають
як розв’язок рівняння з відокремлюваними змінними
, звідки
. Обирають значення довільної сталої
та повертаються до рівняння (13.17), підставивши в нього знайдену функцію
, тоді
, звідки
. Остаточно, враховуючи
, одержують загальний розв’язок, що співпадає з (13.16).
Диференціальне рівняння вигляду
, (13.18)
де - відомі неперервні функції,
називається рівнянням Бернуллі. Це рівняння перетворюється і лінійне неоднорідне, якщо зробити заміну невідомої функції
, тоді (18) набуде вигляду:
. Зауважимо, що при інтегруванні рівняння Бернуллі не обов’язково виконувати запропоновану заміну, а можна зразу застосовувати методи Лагранжа або Бернуллі.
Приклад 8.Розв’язати диференціальне рівняння .
Рівняння є лінійним неоднорідним, застосуємо метод Лагранжа. Інтегруємо відповідне однорідне рівняння:
;
;
;
.
Шукаємо розв’язок неоднорідного рівняння у вигляді
, тоді
.
Підставимо вказані та
у неоднорідне рівняння
;
;
.
Отже, загальний розв’язок заданого рівняння має вигляд
.
Приклад 9.Розв’язати диференціальне рівняння .
Запропоноване рівняння стане лінійним, якщо поміняти місцями шукану функцію та незалежну змінну, тобто будемо вважати , тоді рівняння можна переписати у диференціалах
, звідки одержимо лінійне рівняння відносно невідомої функції
:
.
Розв’яжемо це рівняння методом Бернуллі. Зробимо заміну , тоді
;
;
.
Шукаємо невідому функцію як розв’язок лінійного однорідного рівняння:
;
;
;
.
Вибираємо , тоді
та
, звідки
. Тоді, маємо
.
Приклад 10.Розв’язати задачу Коші .
Маємо рівняння Бернуллі (18) з . Зробимо заміну
, тоді
. Одержане рівняння є лінійним неоднорідним відносно невідомої функції
. Застосуємо метод варіації довільної сталої:
;
;
.
Нехай , тоді
, звідки
;
;
;
.
Розв’яжемо задачу Коші: ,тому
.
Приклад 11.Розв’язати диференціальне рівняння .
Будемо вважати , тоді рівняння перетвориться у наступне
, яке є рівнянням Бернуллі з
. Застосуємо метод Лагранжа:
;
;
;
. Нехай
, тоді
;
;
;
.
Остаточно, загальним розв’язком рівняння є .