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 .