3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Transkriptio

1 3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt 3.1 Homogeeniset lineaariset differentiaaliyhtälöt Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon Jos r(x) = 0, saadaan homogeeninen yhtälö: y + p(x)y + q(x)y = r(x) (1) Jos r(x) 0, yhtälö (1) on epähomogeeninen. p:tä ja q:ta kutsutaan yhtälön kertoimiksi. y + p(x)y + q(x)y = 0 (2) 1

2 Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälön ratkaisu avoimella välillä a < x < b on funktio y = h(x), jolla on derivaatat y = h (x) ja y = h (x) ja joka toteuttaa ko. yhtälön tällä välillä. Superpositioperiaate: Mikä tahansa lineaarikombinaatio homogeenisen differentiaaliyhtälön ratkaisuista välillä I on myös ratkaisu välillä I. Erityisesti ratkaisujen summa ja vakiokertoimella kerrotut ratkaisut ovat myös ratkaisuja. Huom. Ei päde epähomogeenisille eikä epälineaarisille yhtälöille. Toisen kertaluvun homogeenisen lineaarisen differentiaaliyhtälön yleinen ratkaisu on kahden ratkaisun lineaarikombinaatio: y = c 1 y 1 + c 2 y 2 (3) Alkuarvoprobleema koostuu yhtälöstä (2) ja alkuehdoista y(x 0 ) = K 0, y (x 0 ) = K 1 (4) 2

3 Homogeenisen yhtälön yleinen ratkaisu avoimella välillä I on (3), missä c 1 ja c 2 ovat mielivaltaisia, eivätkä y 1 ja y 2 ole toisistaan lineaarisesti riippuvia (toisin sanoen y 1 ja y 2 eivät ole keskenään verrannollisia). k 1 y 1 (x) + k 2 y 2 (x) = 0 k 1 = 0, k 2 = 0 (5) Jos p(x) ja q(x) ovat jatkuvia avoimella välillä I, ratkaisut y 1 ja y 2 ovat lineaarisesti riippumattomia välillä I, jos Wronskin determinantti W(y 1, y 2 ) 0 tällä välillä. y W(y 1, y 2 ) = 1 y 2 y 1 y 2 = y 1y 2 y 2 y 1 (6) Funktiot y 1 ja y 2 muodostavat yhtälön (2) kannan välillä I. Erityisratkaisu välillä I saadaan, kun valitaan kertoimille c 1 ja c 2 kiinteät arvot. 3

4 3.2 Vakiokertoimiset homogeeniset differentiaaliyhtälöt Tarkastellaan yhtälöitä, jotka ovat muotoa y + ay + by = 0, (7) missä a ja b ovat vakioita. Ratkaisu: vertaamalla 1. kertaluvun yhtälöön saadaan yrite y = e λx (8) Sijoittamalla yrite ja sen derivaatat y = λe λx ja y = λ 2 e λx, (9) saadaan λ 2 + aλ + b = 0 (10) Tämä on yhtälön (7) karakteristinen yhtälö. 4

5 Karakteristisen yhtälön ratkaisut ovat jolloin yhtälön (7) ratkaisuksi saadaan λ 1,2 = a ± a 2 4b, (11) 2 y 1 = e λ 1x ja y 2 = e λ 2x (12) Riippuen diskriminantin D = a 2 4b arvosta saadaan kolme tapausta: Tapaus I: Kaksi reaalijuurta, λ 1 ja λ 2 y 1 = e λ 1x ja y 2 = e λ 2x muodostavat kannan; yleinen ratkaisu on y = c 1 y 1 = e λ 1x + c 2 e λ 2x (13) 5

6 Tapaus II: Reaalinen kaksoisjuuri Kun D = 0, saadaan yksi juuri λ = λ 1 = λ 2 = a/2, jolloin yksi ratkaisu on y 1 = e (a/2)x (14) Toisen ratkaisun saamiseksi käytetään kertaluvun pudotusta (reduction of order). Asetetaan y 2 = uy 1 (15) ja etsitään u siten, että y 2 on yhtälön (7) ratkaisu. Sijoitetaan y 2 = uy 1 ja derivaatat yhtälöön (7), saadaan y 2 = u y 1 + uy 1 y 2 = u y 1 + 2u y 1 + uy 1 (16) u y 1 + u (2y 1 + ay 1 ) + u(y 1 + ay 1 + by 1 ) = 0 (17) 6

7 Saadaan siis u y 1 = 0 u = 0, josta integroimalla u = c 1 x + c 2. Valitaan u = x, jolloin yleinen ratkaisu on y = (c 1 + c 2 x)e ax/2 (18) Huom. Jos juuri on yksinkertainen, tämä ratkaisu ei päde. Tapaus III: Kompleksiset juuret Jos D < 0, saadaan juuret, jotka ovat toistensa kompleksikonjugaatteja: missä ω = λ 1 = 1 2 a + iω, λ 2 = 1 a iω, (19) 2 b 1 4 a2. Kompleksiset ratkaisut e λ1x ja e λ 2x 7

8 Sijoittamalla λ 1 ja λ 2 ja ottamalla huomioon, että saadaan reaaliset ratkaisut e z = e s+it = e s (cos t + isint), (20) y 1 = e ax/2 cos ωx y 2 = e ax/2 sinωx (21) Nämä ovat kantaratkaisuja y 1 ja y 2 eivät ole verrannollisia; toteuttavat alkuperäisen yhtälön Yleinen ratkaisu y = e ax/2 (A cos ωx + B sinωx) (22) 8

9 3.3 Euler Cauchy differentiaaliyhtälö Euler Cauchy differentiaaliyhtälö x 2 y + axy + by = 0 (23) voidaan ratkaista sijoittamalla y = x m ja sen derivaatat yhtälöön (23), jolloin saadaan x 2 m(m 1)x m 2 + axmx m 1 + bx m = 0 (24) Koska x m 0, kun x 0, saadaan m 2 + (a 1)m + b = 0 (25) Tämän yhtälön juurista riippuen saadaan jälleen 3 erilaista ratkaisua 9

10 Tapaus I: Kaksi reaalijuurta Jos kaksi juurta m 1 ja m 2 ovat reaalisia ja erisuuria, kantaratkaisut ovat y 1 (x) = x m 1 ja y 2 (x) = x m 2, (26) jolloin yleinen ratkaisu on (c 1 ja c 2 mielivaltaisia): y = c 1 x m 1 + c 2 x m 2 (27) Tapaus II: Kaksinkertainen juuri Jos yhtälöllä (23) on kaksinkertainen juuri 1 2 (1 a), yksi ratkaisu on y 1 = x (1 a)/2 (28) 10

11 Toinen ratkaisu saadaan kertaluvun pudotuksella, tulos y 2 = y 1 lnx, joten yleinen ratkaisu on y = (c 1 + c 2 lnx)x (1 a)/2 (29) Tapaus III: Kompleksiset juuret Jos juuret ovat kompleksisia, ne ovat toistensa konjugaatteja: m 1 = µ + iν ja m 2 = µ iν. Kantaratkaisut ovat tällöin Yleinen ratkaisu y 1 = x µ cos(ν lnx) ja y 2 = x µ sin(ν lnx) (30) y = x µ [A cos(ν lnx) + B sin(ν lnx)] (31) 11