Характеристическое уравнение имеет сопряженные комплексные корни

Для понимания третьего случая требуются элементарные знания про комплексные числа.

Если характеристическое уравнение имеет сопряженные комплексные корни , (дискриминант ), то общее

решение однородного уравнения принимает вид:
, где – константы.

Примечание: Сопряженные комплексные корни почти всегда записывают кратко следующим образом:

Если получаются чисто мнимые сопряженные комплексные корни: , то общее решение упрощается:

Пример 5

Решить однородное дифференциальное уравнение второго порядка

Решение: Составим и решим характеристическое уравнение:

– получены сопряженные комплексные корни

Ответ: общее решение:

Пример 6

Решить однородное дифференциальное уравнение второго порядка

Полное решение и ответ в конце урока.

Иногда в заданиях требуется найти частное решение однородного ДУ второго порядка, удовлетворяющее заданным начальным условиям, то есть, решить задачу Коши. Алгоритм решения полностью сохраняется, но в конце задачи добавляется один пункт.

Пример 7

Найти частное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее начальным условиям ,

Решение: составим и решим характеристическое уравнение:

,
Получены два различных действительных корня, поэтому общее решение:

Теперь нужно найти частное решение, соответствующее заданным начальным условиям. Наша задача состоит в том, чтобы найти ТАКИЕ значения констант , чтобы выполнялись ОБА условия.

Алгоритм нахождения частного решения следующий:

Сначала используем начальное условие :

Согласно начальному условию, получаем первое уравнение: или просто

Далее берём наше общее решение и находим производную:

Используем второе начальное условие :

Согласно второму начальному условию, получаем второе уравнение: или просто

Составим и решим систему из двух найденных уравнений:

Допустимо использовать «школьный» метод решения, но в высшей математике чаще применяют метод почленного сложения/вычитания уравнений системы.

В составленной системе удобно разделить второе уравнение на 2 и почленно сложить уравнения:

Всё, что осталось сделать – подставить найденные значения констант в общее решение :

Ответ: частное решение:

Проверка осуществляется по следующей схеме:
Сначала проверим, выполняется ли начальное условие :
– начальное условие выполнено.

Находим первую производную от ответа:

– второе начальное условие тоже выполнено.

Находим вторую производную:

Подставим и в левую часть исходного дифференциального уравнения :
, что и требовалось проверить.

Такие образом, частное решение найдено верно.

Пример 8

Найти частное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее начальным условиям , . Выполнить проверку.

Как видите, особых сложностей с однородными уравнениями нет, главное, правильно решить квадратное уравнение.

Иногда встречаются нестандартные однородные уравнения, например уравнение в виде , где при второй производной есть некоторая константа , отличная от единицы (и, естественно, отличная от нуля). Алгоритм решения ничуть не меняется, следует невозмутимо составить характеристическое уравнение и найти его корни. Если характеристическое уравнение будет иметь два различных действительных корня, например: , то общее решение запишется по обычной схеме: .

В ряде случаев из-за опечатки в условии могут получиться «нехорошие» корни, что-нибудь вроде . Что делать, ответ придется записать так:

С «плохими» сопряженными комплексными корнями наподобие тоже никаких проблем, общее решение:

То есть, общее решение в любом случае существует. Потому что любое квадратное уравнение имеет два корня.

Решения и ответы:

Пример 2:

Р ешение: Составим и решим характеристическое уравнение:

, – различные действительные корни
Ответ: общее решение:
Проверка: Найдем производную:

Найдем вторую производную:

Подставим и в левую часть исходного уравнения :
, таким образом, общее решение найдено правильно.

Пример 4:

Решение: составим и решим характеристическое уравнение:


Получены два кратных действительных корня
Ответ: общее решение:

Пример 6:

Решение: Составим и решим характеристическое уравнение:


– сопряженные комплексные корни

Ответ: общее решение:

Пример 8:

Решение: Составим и решим характеристическое уравнение:

– получены сопряженные комплексные корни, поэтому общее решение:

Найдем частное решение, удовлетворяющее заданным начальным условиям:
, то есть , (значение константы получилось сразу же).

.
То есть .
Составим и решим систему:

Ответ: частное решение:
Проверка: – начальное условие выполнено.

– второе начальное условие выполнено.

Подставим и в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения (ноль).
Такие образом, задание выполнено верно.

Варианты

Если Ваш вариант №10, то Вашему варианту соответствуют задания:

В, 3а, 10.3, 12.2, 16, 20.7

Указания к выполнению контрольных заданий:

1. Каждое контрольное задание должно выполняться в

отдельной тонкой тетради в клетку, чернилами чёрного или синего цвета.

Необходимо оставлять поля для замечаний преподавателя.

2. На титульном листе тетради должны быть чётко написаны фамилия

студента, его инициалы, название дисциплины, номер выполняемого варианта.

Как правило, номер варианта задаётся преподавателем.

3. Решения задач нужно располагать в порядке возрастания их номеров,

обязательно записывая условие каждой задачи.

4. Решения задач следует излагать подробно и аккуратно, объясняя и

мотивируя все действия по ходу решения и делая необходимые чертежи.

5. Оформление решения задачи следует завершать словом «Ответ».

6. После получения проверенной преподавателем работы студент должен

в этой же тетради исправить все отмеченные ошибки и недочёты. Вносить

исправления в текст работы после её рецензирования запрещается.

Поиск по сайту: