Когда дифференциальное уравнение явно не содержит у, т.е. F(x,y’,y”)=0

2. Когда дифференциальное уравнение явно не содержит у, т.е. F(x,y’,y”)=0

С помощью замены у’=р;  это уравнение приводим к уравнению первого порядка .

3. Когда дифференциальное уравнение явно не содержит х, т.е. F(y,y’,y”)=0.

С помощью замены y’=p,  это уравнение приводим к уравнению первого порядка .

 

Линейные однородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Линейными однородными дифурами второго порядка с постоянными коэффициентами называются уравнения вида:

y’’+py’+qy=0,

где p и q – некоторые числа.

Составим характеристическое уравнение:

,

которое получается из данного уравнения путем замены в нем производных искомой функции соответствующими степенями “к”. Причем сама функция заменяется единицей.

Если к1 и к2 – корни характериситического уравнения, то общее решение однородного уравнения имеет один из следующих трех видов:

1). , если к1 и к2 – действительные и различные, т.е.  D>0.

2). , если к1 и к2 – действительные и равные, т.е. к1=к2, D=0.

3). , если к1 и к2 – комплексные, т.е. ; D<0.

 

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Имеют вид:

,

где p и q– некоторые числа.

Общее решение имеет вид:, где

y0 - общее решение соответствующего однородного уравнения; - частное решение соответствующего однородного уравнения.

Т.е. для нахождения общего решения неоднородного уравнения ‘у’, сначала находят общее решение соответствующего однородного уравнения у0, а затем частное решение , и складывают их.

Частное решение неоднородного уравнения находится методом неопределенных коэффициентов.

Для нахождения частных решений  рассмотрим несколько случаев.

1. Пусть правая часть f(x) имеет вид:

, где P_n(x) – многочлен n–ой степени.

Тогда возможны следующие 3 случая:

А). Если ‘а’ не является корнем характеристического уравнения k²+pk+q=0, то частное решение  имеет вид: , где Q_n(x) – многочлен той же степени, что и P_n(x), только с неопределенными коэффициентами.

Например.

P_n(x)=8 - многочлен 0-ой степени (n=0). Q_n(x)=A;

P_n(x)=2x-3 - многочлен 1-ой степени (n=1). Q_n(x)=Ax+B;

P_n(x)=x² - многочлен 2-ой степени (n=2). Q_n(x)=Ax²+Bx+C;

P_n(x)=3x³-3x - многочлен 3-ей степени (n=3). Q_n(x)=Ax³+Bx²+Cx+D.

Замечание. Многочлен Q_n(x) всегда должен быть полный, т.е. содержать все степени х. Коэффициенты А,В,С,Д и т.д. находим по методу неопределенных коэффициентов непосредственно при решении каждого конкретного уравнения.

Б). Если а является однократным корнем характеристического уравнения k²+pk+q=0, то есть совпадает с одним из корней характеристического уравнения, то частное решение  имеет вид: .

В). Если а является двукратным корнем характеристического уравнения k²+pk+q=0, то есть совпадает с двумя корнями характеристического уравнения, то частное решение  имеет вид: .

Итог.

Если , то , где r– кратность корня ‘а’ в характеристическом уравнении, т.е. r=0, если ‘а’ не есть корень; r=1, если ‘а’ совпадает с одним из корней; r=2, если ‘а’ совпадает с двумя корнями.

2. Если правая часть f(x) имеет вид:, где P_n(x)–многочлен n–ой степени; Q_m(x)-многочлен m–ой степени.

Тогда возможны следующие два случая:

А). Если  не является корнем характеристического уравнения k²+pk+q=0 (), то частное решение  имеет вид: , где S_N(x), T_N(x)–многочлены степени N с неопределенными коэффициентами, где N=max из n и m (N=max{n,m}), т.е. степень N многочленов S_N(x) и T_N(x) равна наибольшей из степеней многочленов P_n(x) и Q_m(x).

Б). Если  является корнем характеристического уравнения k²+pk+q=0 (), то частное решение  имеет вид:

Замечание.

- Если в правой части f(x) неоднородного уравнения во 2 случае отсутствует одно из слагаемых, т.е. P_n(x)=0 или Q_m(x)=0, то частное решение  все равно записывается в полоном виде.

- Если правая часть f(x) неоднородного уравнения в 1 и 2 случаях есть сумма нескольких функций (f(x)= f₁(x)+ f₂(x)+… f_n(x)), то .

- Так же рассматриваем все комбинации при расчете : cosx, sinx, xcosx, xsinx,x²cosx, x²sinx.

КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА

Комплексным числом (z) называется выражение z=x+iy, где х и у- действительные числа, i-мнимая единица.

i определяется: i²=-1 , отсюда .

х- действительная часть (x=Rez);

у- мнимая часть (y=Imz).

 

Геометрическое изображение комплексных чисел

Существуют следующие формы комплексных чисел: алгебраическая (x+iy), тригонометрическая (r(cos+isin)), показательная (reⁱ).

Всякое комплексное число z=x+iy можно изобразить на плоскости ХОУ в виде точки А(х,у).

Плоскость, на которой изображаются комплексные числа, называется плоскостью комплексного переменного z (на плоскости ставим символ z).

Ось ОХ – действительная ось, т.е. на ней лежат действительные числа. ОУ – мнимая ось с мнимыми числами.

x+iy - алгебраическая форма записи комплексного числа.

Выведем тригонометрическую форму записи комплексного числа.

;

Подставляем полученные значения в начальную форму:

, т.е.

 

r(cos+isin) - тригонометрическая форма записи комплексного числа.

Показательная форма записи комплексного числа следует из формулы Эйлера:

, тогда

z=reⁱ - показательная форма записи комплексного числа.

Действия над комплексными числами

 

1. сложение. z₁+z₂=(x1+iy1)+ (x2+iy2)=(x1+x2)+i(y1+y2);

2. вычитание. z₁-z₂=(x1+iy1)- (x2+iy2)=(x1-x2)+i(y1-y2);

3. умножение. z₁z₂=(x1+iy1)*(x2+iy2)=x1x2+i(x1y2+x2y1+iy1y2)=(x1x2-y1y2 )+i(x1y2+x2y1);

4. деление. z₁/z₂=(x1+iy1)/(x2+iy2)=[(x1+iy1)*(x2-iy2)]/[ (x2+iy2)*(x2-iy2)]=

Два комплексных числа, которые отличаются только знаком мнимой единицы, т.е. z=x+iy (z=x-iy), называются сопряженными.

 

Произведение

- Если комплексные числа заданы в тригонометрической форме.

z1=r(cos+isin); z2=r(cos+isin).

То произведение z1*z2 комплексных чисел находится: , т.е. модуль произведения равен произведению модулей, а аргумент произведения равен сумме аргументов сомножителей.

- Если комплексные числа заданы в показательной форме.

; ;

 

Частное

- Если комплексные числа заданы в тригонометрической форме.

- Если комплексные числа заданы в показательной форме.

Возведение в степень