Antrosios eilės tiesine homogenine diferencialine lygtimi su pastoviaisiais koeficientais vadinama lygtis
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0.
{\displaystyle y''+py'+qy=0.}
Tokia lygtis išsprendžiama parinkus
y
=
e
k
x
.
{\displaystyle y=e^{kx}.}
Toliau gauname,
(
e
k
x
)
″
+
p
(
e
k
x
)
′
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle (e^{kx})''+p(e^{kx})'+qe^{kx}=0,}
k
2
e
k
x
+
k
p
e
k
x
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle k^{2}e^{kx}+kpe^{kx}+qe^{kx}=0,}
(
k
2
+
k
p
+
q
)
e
k
x
=
0.
{\displaystyle (k^{2}+kp+q)e^{kx}=0.}
Kadangi nėra tokio k , kad
e
k
x
{\displaystyle e^{kx}}
būtų lygi nuliui, tai
k
2
+
k
p
+
q
=
0.
{\displaystyle k^{2}+kp+q=0.}
Išsprendžiant šią lygtį ir bus gautas diferencialinės lygties sprendinys (arba du sprendiniai). Yra trys atvejai, kai
k
1
≠
k
2
,
{\displaystyle k_{1}\neq k_{2},}
kai
k
1
=
k
2
{\displaystyle k_{1}=k_{2}}
ir kai sprendiniai yra kompleksiniai skaičiai.
Vronskio determinantas pavadintas Juzefo Vronskio (J. Wronski, 1776-1853) vardu. Oficialiai laikoma, kad Vronskio determinantas padeda spręsti Antrosios eilės tiesines homogenines diferencialines lygtis su pastoviaisiais koeficientais , tačiau teisybė yra, kad jis neturi su jomis nieko bendro (senovėje šito nesuprato arba ir dabar ne visi supranta, todėl neišima jo iš vadovelių). Dėl šios priežasties Vronskio determinantas čia nebus nagrinėjamas. Bent jau Vronskio determinantas tikrai nereikalingas kai
k
1
=
k
2
.
{\displaystyle k_{1}=k_{2}.}
Vronskio determinanto radimas:
W
(
y
1
,
y
2
)
=
[
y
1
y
2
y
1
′
y
2
′
]
{\displaystyle W(y_{1},y_{2})={\begin{bmatrix}y_{1}&&y_{2}\\y'_{1}&&y'_{2}\end{bmatrix}}}
Kai
y
1
{\displaystyle y_{1}}
ir
y
2
{\displaystyle y_{2}}
yra atskirieji lygties sprendiniai.
Charakteringosios lygties šaknys
k
1
{\displaystyle k_{1}}
ir
k
2
{\displaystyle k_{2}}
yra realios ir skirtingos
keisti
Jeigu lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
sprendiniai
k
1
{\displaystyle k_{1}}
ir
k
2
{\displaystyle k_{2}}
yra realieji skaičiai ir skirtingi, tuomet diferencialinės lygties sprendiniai yra
y
1
=
e
k
1
x
,
y
2
=
e
k
2
x
.
{\displaystyle y_{1}=e^{k_{1}x},\quad y_{2}=e^{k_{2}x}.}
Bendrasis lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
sprendinys yra
y
=
C
1
e
k
1
x
+
C
2
e
k
2
x
.
{\displaystyle y=C_{1}e^{k_{1}x}+C_{2}e^{k_{2}x}.}
Įrodymas . Turime lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0.
{\displaystyle y''+py'+qy=0.}
Tokia lygtis išsprendžiama parinkus
y
=
e
k
x
.
{\displaystyle y=e^{kx}.}
Toliau gauname,
(
e
k
x
)
″
+
p
(
e
k
x
)
′
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle (e^{kx})''+p(e^{kx})'+qe^{kx}=0,}
k
2
e
k
x
+
k
p
e
k
x
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle k^{2}e^{kx}+kpe^{kx}+qe^{kx}=0,}
(
k
2
+
k
p
+
q
)
e
k
x
=
0.
{\displaystyle (k^{2}+kp+q)e^{kx}=0.}
Kadangi nėra tokio k , kad
e
k
x
{\displaystyle e^{kx}}
būtų lygi nuliui, tai
k
2
+
k
p
+
q
=
0.
{\displaystyle k^{2}+kp+q=0.}
Gavome, kad
k
1
≠
k
2
.
{\displaystyle k_{1}\neq k_{2}.}
Tuomet yra du elementariausi diferencialinės lygties sprendiniai:
y
1
=
e
k
1
x
{\displaystyle y_{1}=e^{k_{1}x}}
ir
y
2
=
e
k
2
x
.
{\displaystyle y_{2}=e^{k_{2}x}.}
Bet mes tikimes, kad gali būti ir sudetingesni sprendiniai, todėl parenkame tokią funkciją z , kuri gali buti arba funkcija nuo x (kaip pavyzdžiui
z
=
C
x
+
C
1
{\displaystyle z=Cx+C_{1}}
), arba konstanta (
z
=
C
{\displaystyle z=C}
). Šią funkciją z padauginame su diferencialinės lygties sprendiniais ir gauname:
y
10
=
z
e
k
1
x
{\displaystyle y_{10}=ze^{k_{1}x}}
ir
y
20
=
z
e
k
2
x
.
{\displaystyle y_{20}=ze^{k_{2}x}.}
Randame
y
10
{\displaystyle y_{10}}
ir
y
20
{\displaystyle y_{20}}
pirmos ir antros eilės išvestines:
y
10
′
=
(
z
e
k
1
x
)
′
=
z
′
e
k
1
x
+
z
k
1
e
k
1
x
,
{\displaystyle y_{10}'=(ze^{k_{1}x})'=z'e^{k_{1}x}+zk_{1}e^{k_{1}x},}
y
10
″
=
(
z
′
e
k
1
x
+
z
k
1
e
k
1
x
)
′
=
(
z
″
e
k
1
x
+
z
′
k
1
e
k
1
x
)
+
(
z
′
k
1
e
k
1
x
+
z
k
1
2
e
k
1
x
)
,
{\displaystyle y_{10}''=(z'e^{k_{1}x}+zk_{1}e^{k_{1}x})'=(z''e^{k_{1}x}+z'k_{1}e^{k_{1}x})+(z'k_{1}e^{k_{1}x}+zk_{1}^{2}e^{k_{1}x}),}
y
10
″
=
z
″
e
k
1
x
+
2
k
1
z
′
e
k
1
x
+
k
1
2
z
e
k
1
x
;
{\displaystyle y_{10}''=z''e^{k_{1}x}+2k_{1}z'e^{k_{1}x}+k_{1}^{2}ze^{k_{1}x};}
y
20
′
=
(
z
e
k
2
x
)
′
=
z
′
e
k
2
x
+
k
2
z
e
k
1
x
,
{\displaystyle y_{20}'=(ze^{k_{2}x})'=z'e^{k_{2}x}+k_{2}ze^{k_{1}x},}
y
20
″
=
z
″
e
k
2
x
+
2
k
2
z
′
e
k
2
x
+
k
2
2
z
e
k
2
x
.
{\displaystyle y_{20}''=z''e^{k_{2}x}+2k_{2}z'e^{k_{2}x}+k_{2}^{2}ze^{k_{2}x}.}
Įstatome
y
10
,
y
10
′
,
y
10
″
{\displaystyle y_{10},\;y_{10}',\;y_{10}''\;}
reikšmes į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
ir gauname:
z
″
e
k
1
x
+
2
k
1
z
′
e
k
1
x
+
k
1
2
z
e
k
1
x
+
p
(
z
′
e
k
1
x
+
k
1
z
e
k
1
x
)
+
q
z
e
k
1
x
=
0
,
{\displaystyle z''e^{k_{1}x}+2k_{1}z'e^{k_{1}x}+k_{1}^{2}ze^{k_{1}x}+p(z'e^{k_{1}x}+k_{1}ze^{k_{1}x})+qze^{k_{1}x}=0,}
z
″
e
k
1
x
+
(
2
k
1
+
p
)
z
′
e
k
1
x
+
(
k
1
2
+
p
k
1
+
q
)
z
e
k
1
x
=
0
,
{\displaystyle z''e^{k_{1}x}+(2k_{1}+p)z'e^{k_{1}x}+(k_{1}^{2}+pk_{1}+q)ze^{k_{1}x}=0,}
z
″
+
(
2
k
1
+
p
)
z
′
+
(
k
1
2
+
p
k
1
+
q
)
z
=
0.
{\displaystyle z''+(2k_{1}+p)z'+(k_{1}^{2}+pk_{1}+q)z=0.}
Mums reikia, kad
z
″
{\displaystyle z''}
būtų lygi nuliui ir
z
′
=
0
{\displaystyle z'=0}
(tada reiškinys
k
1
2
+
p
k
1
+
q
=
0
{\displaystyle k_{1}^{2}+pk_{1}+q=0}
su reikšme
k
1
{\displaystyle k_{1}}
). Suprantame, kad z turi būti konstanta, nes tik tada
z
″
=
0
{\displaystyle z''=0}
ir
z
′
=
0
{\displaystyle z'=0}
. Suradus, kad
z
=
C
1
{\displaystyle z=C_{1}}
, gauname:
C
1
″
+
(
2
k
1
+
p
)
C
1
′
+
(
k
1
2
+
p
k
1
+
q
)
C
1
=
0
,
{\displaystyle C_{1}''+(2k_{1}+p)C_{1}'+(k_{1}^{2}+pk_{1}+q)C_{1}=0,}
(
k
1
2
+
p
k
1
+
q
)
C
1
=
0.
{\displaystyle (k_{1}^{2}+pk_{1}+q)C_{1}=0.}
Šis paskutinis reiškinys tikrai lygus nuliui su bet kokiu skaičiumi
C
1
{\displaystyle C_{1}}
ir su reikšme
k
1
{\displaystyle k_{1}}
.
Analogiškai randame, kad
(
k
2
2
+
p
k
2
+
q
)
C
2
=
0.
{\displaystyle (k_{2}^{2}+pk_{2}+q)C_{2}=0.}
Vadinasi,
y
10
=
C
1
e
k
1
x
,
{\displaystyle y_{10}=C_{1}e^{k_{1}x},}
y
20
=
C
2
e
k
2
x
.
{\displaystyle y_{20}=C_{2}e^{k_{2}x}.}
Suprantame, kad tiek su
C
1
e
k
1
x
{\displaystyle C_{1}e^{k_{1}x}}
reikšme išraiška
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
lygi nuliui, tiek su
C
2
e
k
2
x
{\displaystyle C_{2}e^{k_{2}x}}
reikšme išraiška
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
lygi nuliui. Iš diferenciavimo taisyklės žinome, kad
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
′
=
f
′
(
x
)
+
g
′
(
x
)
,
{\displaystyle (f(x)+g(x))'=f'(x)+g'(x),\;}
todėl įstačius į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
reikšmę
y
=
y
10
+
y
20
=
C
1
e
k
1
x
+
C
2
e
k
2
x
,
{\displaystyle y=y_{10}+y_{20}=C_{1}e^{k_{1}x}+C_{2}e^{k_{2}x},}
diferencialinės lygties (
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
) lygybė bus patenkinta (abiejose pusėse bus nulis). Todėl bendrasis diferencialinės lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
sprendinys yra
y
=
C
1
e
k
1
x
+
C
2
e
k
2
x
.
{\displaystyle y=C_{1}e^{k_{1}x}+C_{2}e^{k_{2}x}.}
Išspręskime lygtį
y
″
+
y
′
−
6
y
=
0.
{\displaystyle y''+y'-6y=0.}
Sprendimas . Įstatome vietoje y reikšmę
e
k
x
{\displaystyle e^{kx}}
ir gauname
(
e
k
x
)
″
+
(
e
k
x
)
′
−
6
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle (e^{kx})''+(e^{kx})'-6e^{kx}=0,}
k
2
e
k
x
+
k
e
k
x
−
6
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle k^{2}e^{kx}+ke^{kx}-6e^{kx}=0,}
padalinus abi puses iš
e
k
x
{\displaystyle e^{kx}}
gauname
k
2
+
k
−
6
=
0
;
{\displaystyle k^{2}+k-6=0;}
D
=
b
2
−
4
a
c
=
1
2
−
4
⋅
1
⋅
(
−
6
)
=
1
+
24
=
25
;
{\displaystyle D=b^{2}-4ac=1^{2}-4\cdot 1\cdot (-6)=1+24=25;}
k
1
=
−
b
−
D
2
a
=
−
1
−
25
2
⋅
1
=
−
6
2
=
−
3
;
{\displaystyle k_{1}={\frac {-b-{\sqrt {D}}}{2a}}={\frac {-1-{\sqrt {25}}}{2\cdot 1}}={\frac {-6}{2}}=-3;}
k
2
=
−
b
+
D
2
a
=
−
1
+
25
2
⋅
1
=
4
2
=
2.
{\displaystyle k_{2}={\frac {-b+{\sqrt {D}}}{2a}}={\frac {-1+{\sqrt {25}}}{2\cdot 1}}={\frac {4}{2}}=2.}
Charakteringoji lygtis
y
″
+
y
′
−
6
y
=
0
{\displaystyle y''+y'-6y=0}
turi dvi skirtingas realiąsias šaknis
k
1
=
−
3
{\displaystyle k_{1}=-3}
ir
k
2
=
2.
{\displaystyle k_{2}=2.}
Todėl bendrasis sprendinys yra
y
=
C
1
e
−
3
x
+
C
2
e
2
x
.
{\displaystyle y=C_{1}e^{-3x}+C_{2}e^{2x}.}
Patikriname, kad
y
=
C
1
e
−
3
x
+
C
2
e
2
x
{\displaystyle y=C_{1}e^{-3x}+C_{2}e^{2x}}
tikrai yra lygties
y
″
+
y
′
−
6
y
=
0
{\displaystyle y''+y'-6y=0}
sprendinys:
y
′
=
−
3
C
1
e
−
3
x
+
2
C
2
e
2
x
,
{\displaystyle y'=-3C_{1}e^{-3x}+2C_{2}e^{2x},}
y
″
=
9
C
1
e
−
3
x
+
4
C
2
e
2
x
;
{\displaystyle y''=9C_{1}e^{-3x}+4C_{2}e^{2x};}
(
9
C
1
e
−
3
x
+
4
C
2
e
2
x
)
+
(
−
3
C
1
e
−
3
x
+
2
C
2
e
2
x
)
−
6
(
C
1
e
−
3
x
+
C
2
e
2
x
)
=
0
,
{\displaystyle (9C_{1}e^{-3x}+4C_{2}e^{2x})+(-3C_{1}e^{-3x}+2C_{2}e^{2x})-6(C_{1}e^{-3x}+C_{2}e^{2x})=0,}
9
C
1
e
−
3
x
+
4
C
2
e
2
x
−
3
C
1
e
−
3
x
+
2
C
2
e
2
x
−
6
C
1
e
−
3
x
−
6
C
2
e
2
x
=
0
,
{\displaystyle 9C_{1}e^{-3x}+4C_{2}e^{2x}-3C_{1}e^{-3x}+2C_{2}e^{2x}-6C_{1}e^{-3x}-6C_{2}e^{2x}=0,}
9
C
1
e
−
3
x
+
6
C
2
e
2
x
−
9
C
1
e
−
3
x
−
6
C
2
e
2
x
=
0.
{\displaystyle 9C_{1}e^{-3x}+6C_{2}e^{2x}-9C_{1}e^{-3x}-6C_{2}e^{2x}=0.}
Charakteringosios lygties šaknys
k
1
{\displaystyle k_{1}}
ir
k
2
{\displaystyle k_{2}}
yra vienodos
keisti
Kadangi šiuo atveju
e
k
1
x
=
e
k
2
x
,
{\displaystyle e^{k_{1}x}=e^{k_{2}x},}
tai turime vieną atskirąjį sprendinį
y
1
=
e
k
x
.
{\displaystyle y_{1}=e^{kx}.}
Kad rasti bendrąjį sprendinį užrašykime
y
2
=
z
(
x
)
e
k
x
.
{\displaystyle y_{2}=z(x)e^{kx}.}
Tuomet
y
2
′
=
(
z
(
x
)
e
k
x
)
′
=
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
z
(
x
)
e
k
x
,
{\displaystyle y_{2}'=(z(x)e^{kx})'=z'(x)e^{kx}+kz(x)e^{kx},\;}
y
2
″
=
(
z
(
x
)
e
k
x
)
″
=
z
″
(
x
)
e
k
x
+
k
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
2
z
(
x
)
e
k
x
,
{\displaystyle y_{2}''=(z(x)e^{kx})''=z''(x)e^{kx}+kz'(x)e^{kx}+kz'(x)e^{kx}+k^{2}z(x)e^{kx},}
y
2
″
=
(
z
(
x
)
e
k
x
)
″
=
z
″
(
x
)
e
k
x
+
2
k
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
2
z
(
x
)
e
k
x
.
{\displaystyle y_{2}''=(z(x)e^{kx})''=z''(x)e^{kx}+2kz'(x)e^{kx}+k^{2}z(x)e^{kx}.\;}
Įrašę
y
2
,
{\displaystyle y_{2},}
y
2
′
{\displaystyle y_{2}'}
ir
y
2
″
{\displaystyle y_{2}''}
išraiškas į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
,
{\displaystyle y''+py'+qy=0,}
gauname
z
″
(
x
)
e
k
x
+
2
k
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
2
z
(
x
)
e
k
x
+
p
(
z
′
(
x
)
e
k
x
+
k
z
(
x
)
e
k
x
)
+
q
z
(
x
)
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle z''(x)e^{kx}+2kz'(x)e^{kx}+k^{2}z(x)e^{kx}+p(z'(x)e^{kx}+kz(x)e^{kx})+qz(x)e^{kx}=0,}
z
″
(
x
)
e
k
x
+
(
2
k
+
p
)
z
′
(
x
)
e
k
x
+
(
k
2
+
p
k
+
q
)
z
(
x
)
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle z''(x)e^{kx}+(2k+p)z'(x)e^{kx}+(k^{2}+pk+q)z(x)e^{kx}=0,}
z
″
(
x
)
+
(
2
k
+
p
)
z
′
(
x
)
+
(
k
2
+
p
k
+
q
)
z
(
x
)
=
0.
{\displaystyle z''(x)+(2k+p)z'(x)+(k^{2}+pk+q)z(x)=0.}
Pagal Vieto teoremą
p
=
−
(
k
1
+
k
2
)
=
−
(
k
+
k
)
=
−
2
k
,
{\displaystyle p=-(k_{1}+k_{2})=-(k+k)=-2k,}
todėl
2
k
=
−
p
{\displaystyle 2k=-p}
ir
2
k
+
p
=
0.
{\displaystyle 2k+p=0.}
Todėl gauta forma supaprastėja:
z
″
(
x
)
+
0
⋅
z
′
(
x
)
+
(
k
2
+
p
k
+
q
)
z
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle z''(x)+0\cdot z'(x)+(k^{2}+pk+q)z(x)=0,}
z
″
(
x
)
+
(
k
2
+
p
k
+
q
)
z
(
x
)
=
0.
{\displaystyle z''(x)+(k^{2}+pk+q)z(x)=0.}
Kad gauti nulį ir kaip nors išspręsti šitą lygtį mums reikia, kad reikšmė
z
″
(
x
)
{\displaystyle z''(x)}
būtų lygį nuliui, tuomet liks lygtis
(
k
2
+
p
k
+
q
)
z
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle (k^{2}+pk+q)z(x)=0,}
kurią mes jau galime išspresti reikalaudami, kad
k
2
+
p
k
+
q
=
0
{\displaystyle k^{2}+pk+q=0}
.
Matome, kad
z
″
(
x
)
=
0
,
{\displaystyle z''(x)=0,}
kai
z
(
x
)
=
A
x
+
A
1
,
{\displaystyle z(x)=Ax+A_{1},}
nes
z
′
(
x
)
=
(
A
x
+
A
1
)
′
=
A
,
{\displaystyle z'(x)=(Ax+A_{1})'=A,}
z
″
(
x
)
=
A
′
=
0.
{\displaystyle z''(x)=A'=0.}
Todėl turime bendrąjį sprendinį
y
=
y
2
=
z
(
x
)
e
k
x
=
(
A
x
+
A
1
)
e
k
x
,
{\displaystyle y=y_{2}=z(x)e^{kx}=(Ax+A_{1})e^{kx},}
kurį galime užrašyti taip:
y
=
C
1
e
k
x
+
C
2
x
e
k
x
=
e
k
x
(
C
1
+
x
C
2
)
.
{\displaystyle y=C_{1}e^{kx}+C_{2}xe^{kx}=e^{kx}(C_{1}+xC_{2}).}
Išspręskime lygtį
y
″
+
8
y
′
+
16
y
=
0.
{\displaystyle y''+8y'+16y=0.}
Sprendimas . Įstatę
y
=
e
k
x
{\displaystyle y=e^{kx}}
į lygtį, gauname
k
2
e
k
x
+
8
k
e
k
x
+
16
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle k^{2}e^{kx}+8ke^{kx}+16e^{kx}=0,}
k
2
+
8
k
+
16
=
0.
{\displaystyle k^{2}+8k+16=0.}
Charakteringoji lygtis
k
2
+
8
k
+
16
=
0
{\displaystyle k^{2}+8k+16=0}
turi dvi vienodas realiąsias šaknis
k
1
=
k
2
=
−
4
{\displaystyle k_{1}=k_{2}=-4}
(pagal Vieto teorema
k
1
⋅
k
2
=
−
4
⋅
(
−
4
)
=
16
=
q
{\displaystyle k_{1}\cdot k_{2}=-4\cdot (-4)=16=q}
ir
p
=
−
(
k
1
+
k
2
)
=
−
(
−
4
−
4
)
=
8
{\displaystyle p=-(k_{1}+k_{2})=-(-4-4)=8}
; diskriminantas
D
=
8
2
−
4
⋅
16
=
0
{\displaystyle D=8^{2}-4\cdot 16=0}
), todėl bendrasis duotosios lygties sprendinys yra
y
=
e
−
4
x
(
C
1
+
x
C
2
)
.
{\displaystyle y=e^{-4x}(C_{1}+xC_{2}).}
Patikriname:
y
′
=
(
C
1
e
−
4
x
+
C
2
x
e
−
4
x
)
′
=
−
4
C
1
e
−
4
x
+
C
2
e
−
4
x
−
4
C
2
x
e
−
4
x
;
{\displaystyle y'=(C_{1}e^{-4x}+C_{2}xe^{-4x})'=-4C_{1}e^{-4x}+C_{2}e^{-4x}-4C_{2}xe^{-4x};}
y
″
=
(
−
4
C
1
e
−
4
x
+
C
2
e
−
4
x
−
4
C
2
x
e
−
4
x
)
′
=
16
C
1
e
−
4
x
−
4
C
2
e
−
4
x
−
4
C
2
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
,
{\displaystyle y''=(-4C_{1}e^{-4x}+C_{2}e^{-4x}-4C_{2}xe^{-4x})'=16C_{1}e^{-4x}-4C_{2}e^{-4x}-4C_{2}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x},}
y
″
=
16
C
1
e
−
4
x
−
8
C
2
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
.
{\displaystyle y''=16C_{1}e^{-4x}-8C_{2}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}.}
Įstatome
y
{\displaystyle y}
,
y
′
{\displaystyle y'}
ir
y
″
{\displaystyle y''}
reikšmes į lygtį
y
″
+
8
y
′
+
16
y
=
0
{\displaystyle y''+8y'+16y=0}
ir gauname:
16
C
1
e
−
4
x
−
8
C
2
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
+
8
(
−
4
C
1
e
−
4
x
+
C
2
e
−
4
x
−
4
C
2
x
e
−
4
x
)
+
16
(
C
1
e
−
4
x
+
C
2
x
e
−
4
x
)
=
0
,
{\displaystyle 16C_{1}e^{-4x}-8C_{2}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}+8(-4C_{1}e^{-4x}+C_{2}e^{-4x}-4C_{2}xe^{-4x})+16(C_{1}e^{-4x}+C_{2}xe^{-4x})=0,}
16
C
1
e
−
4
x
−
8
C
2
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
−
32
C
1
e
−
4
x
+
8
C
2
e
−
4
x
−
32
C
2
x
e
−
4
x
+
16
C
1
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
=
0
,
{\displaystyle 16C_{1}e^{-4x}-8C_{2}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}-32C_{1}e^{-4x}+8C_{2}e^{-4x}-32C_{2}xe^{-4x}+16C_{1}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}=0,}
16
C
1
e
−
4
x
−
32
C
1
e
−
4
x
+
16
C
1
e
−
4
x
−
8
C
2
e
−
4
x
+
8
C
2
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
−
32
C
2
x
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
=
0
,
{\displaystyle 16C_{1}e^{-4x}-32C_{1}e^{-4x}+16C_{1}e^{-4x}-8C_{2}e^{-4x}+8C_{2}e^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}-32C_{2}xe^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x}=0,}
(
16
C
1
e
−
4
x
−
32
C
1
e
−
4
x
+
16
C
1
e
−
4
x
)
+
(
−
8
C
2
e
−
4
x
+
8
C
2
e
−
4
x
)
+
(
16
C
2
x
e
−
4
x
−
32
C
2
x
e
−
4
x
+
16
C
2
x
e
−
4
x
)
=
0.
{\displaystyle (16C_{1}e^{-4x}-32C_{1}e^{-4x}+16C_{1}e^{-4x})+(-8C_{2}e^{-4x}+8C_{2}e^{-4x})+(16C_{2}xe^{-4x}-32C_{2}xe^{-4x}+16C_{2}xe^{-4x})=0.}
Charakteringosios lygties šaknys
k
1
{\displaystyle k_{1}}
ir
k
2
{\displaystyle k_{2}}
yra kompleksinės
keisti
k
1
=
α
+
β
i
,
{\displaystyle k_{1}=\alpha +\beta i,}
k
2
=
α
−
β
i
;
{\displaystyle k_{2}=\alpha -\beta i;}
čia
α
=
−
p
2
,
β
=
q
−
p
2
4
,
{\displaystyle \alpha =-{\frac {p}{2}},\;\beta ={\sqrt {q-{\frac {p^{2}}{4}}}},}
be to,
q
−
p
2
4
>
0.
{\displaystyle q-{\frac {p^{2}}{4}}>0.}
Įrodyta, kad tokiu atveju bendrasis lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
sprendinys užrašomas formule
y
=
e
α
x
(
C
1
cos
(
β
x
)
+
C
2
sin
(
β
x
)
)
.
{\displaystyle y=e^{\alpha x}(C_{1}\cos(\beta x)+C_{2}\sin(\beta x)).}
Įrodymas . Į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
įstatome
y
=
e
k
x
{\displaystyle y=e^{kx}}
ir gauname:
(
e
k
x
)
″
+
p
(
e
k
x
)
′
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle (e^{kx})''+p(e^{kx})'+qe^{kx}=0,}
k
2
e
k
x
+
k
p
e
k
x
+
q
e
k
x
=
0
,
{\displaystyle k^{2}e^{kx}+kpe^{kx}+qe^{kx}=0,}
k
2
+
k
p
+
q
=
0
;
{\displaystyle k^{2}+kp+q=0;}
D
=
p
2
−
4
q
,
(
D
<
0
)
{\displaystyle D=p^{2}-4q,\quad (D<0)}
k
1
=
−
p
+
D
2
=
−
p
+
p
2
−
4
q
2
=
−
p
+
i
2
(
4
q
−
p
2
)
2
=
−
p
+
i
4
q
−
p
2
2
=
−
p
2
+
i
4
q
−
p
2
4
,
{\displaystyle k_{1}={\frac {-p+{\sqrt {D}}}{2}}={\frac {-p+{\sqrt {p^{2}-4q}}}{2}}={\frac {-p+{\sqrt {i^{2}(4q-p^{2})}}}{2}}={\frac {-p+i{\sqrt {4q-p^{2}}}}{2}}=-{\frac {p}{2}}+i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}},}
k
2
=
−
p
−
D
2
=
−
p
−
p
2
−
4
q
2
=
−
p
−
i
2
(
4
q
−
p
2
)
2
=
−
p
−
i
4
q
−
p
2
2
=
−
p
2
−
i
4
q
−
p
2
4
.
{\displaystyle k_{2}={\frac {-p-{\sqrt {D}}}{2}}={\frac {-p-{\sqrt {p^{2}-4q}}}{2}}={\frac {-p-{\sqrt {i^{2}(4q-p^{2})}}}{2}}={\frac {-p-i{\sqrt {4q-p^{2}}}}{2}}=-{\frac {p}{2}}-i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}}.}
Taigi, gauname du sprendinius
k
1
=
α
+
i
β
{\displaystyle k_{1}=\alpha +i\beta }
ir
k
2
=
α
−
i
β
.
{\displaystyle k_{2}=\alpha -i\beta .}
Nesunku suprasti, kad jeigu vieną sprendinį (pavyzdžiui,
k
1
=
α
+
i
β
{\displaystyle k_{1}=\alpha +i\beta }
) įstatysime į reiškinį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
tai gausime nulį. Taip pat nulį gausime jei įstatysime į reiškinį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
kitą sprendinį (
k
2
=
α
−
i
β
{\displaystyle k_{2}=\alpha -i\beta }
). Įstatant
y
=
e
k
1
x
=
e
(
α
+
i
β
)
x
{\displaystyle y=e^{k_{1}x}=e^{(\alpha +i\beta )x}}
į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
,
{\displaystyle y''+py'+qy=0,}
gauname:
(
e
(
α
+
i
β
)
x
)
″
+
p
(
e
(
α
+
i
β
)
x
)
′
+
q
e
(
α
+
i
β
)
x
=
0
,
{\displaystyle (e^{(\alpha +i\beta )x})''+p(e^{(\alpha +i\beta )x})'+qe^{(\alpha +i\beta )x}=0,}
(
α
+
i
β
)
2
e
(
α
+
i
β
)
x
+
(
α
+
i
β
)
p
e
(
α
+
i
β
)
x
+
q
e
(
α
+
i
β
)
x
=
0
,
{\displaystyle (\alpha +i\beta )^{2}e^{(\alpha +i\beta )x}+(\alpha +i\beta )pe^{(\alpha +i\beta )x}+qe^{(\alpha +i\beta )x}=0,}
(
−
p
2
+
i
4
q
−
p
2
4
)
2
+
(
−
p
2
+
i
4
q
−
p
2
4
)
p
+
q
=
0
,
{\displaystyle (-{\frac {p}{2}}+i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}})^{2}+(-{\frac {p}{2}}+i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}})p+q=0,}
p
2
4
−
2
⋅
p
2
⋅
i
4
q
−
p
2
4
−
4
q
−
p
2
4
+
(
−
p
2
+
i
4
q
−
p
2
4
)
p
+
q
=
0
,
{\displaystyle {\frac {p^{2}}{4}}-2\cdot {\frac {p}{2}}\cdot i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}}-{\frac {4q-p^{2}}{4}}+(-{\frac {p}{2}}+i{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}})p+q=0,}
p
2
4
−
i
p
4
q
−
p
2
4
−
4
q
−
p
2
4
−
p
2
2
+
i
p
4
q
−
p
2
4
+
q
=
0
,
{\displaystyle {\frac {p^{2}}{4}}-ip{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}}-{\frac {4q-p^{2}}{4}}-{\frac {p^{2}}{2}}+ip{\sqrt {\frac {4q-p^{2}}{4}}}+q=0,}
p
2
4
−
4
q
−
p
2
4
−
p
2
2
+
q
=
0
,
{\displaystyle {\frac {p^{2}}{4}}-{\frac {4q-p^{2}}{4}}-{\frac {p^{2}}{2}}+q=0,}
−
4
q
−
p
2
4
−
p
2
4
+
q
=
0
,
{\displaystyle -{\frac {4q-p^{2}}{4}}-{\frac {p^{2}}{4}}+q=0,}
−
q
+
p
2
4
−
p
2
4
+
q
=
0.
{\displaystyle -q+{\frac {p^{2}}{4}}-{\frac {p^{2}}{4}}+q=0.}
Abiejose lygybės pusėse gausime nulius, taip pat įstačius
y
=
e
k
2
x
=
e
(
α
−
i
β
)
x
{\displaystyle y=e^{k_{2}x}=e^{(\alpha -i\beta )x}}
į lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0.
{\displaystyle y''+py'+qy=0.}
Be abejonės gausime abiejose lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
pusėse nulius įstačius
y
=
C
1
e
k
1
x
=
C
1
e
(
α
+
i
β
)
x
,
{\displaystyle y=C_{1}e^{k_{1}x}=C_{1}e^{(\alpha +i\beta )x},}
nes tai tas pats kas padauginti visą lygtį iš konstantos:
(
C
f
(
x
)
)
″
+
(
C
f
(
x
)
)
′
+
(
C
f
(
x
)
)
=
C
f
″
(
x
)
+
C
f
′
(
x
)
+
C
f
(
x
)
.
{\displaystyle (Cf(x))''+(Cf(x))'+(Cf(x))=Cf''(x)+Cf'(x)+Cf(x).\;}
Taipogi, gausime, kad reiškinys
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
lygus nuliui, jei įstatysime
y
=
C
2
e
k
2
x
=
C
2
e
(
α
−
i
β
)
x
.
{\displaystyle y=C_{2}e^{k_{2}x}=C_{2}e^{(\alpha -i\beta )x}.}
Nesunku suprasti, kad į reiškinį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
{\displaystyle y''+py'+qy}
įstačius
y
=
e
k
1
x
+
e
k
2
x
=
e
(
α
+
i
β
)
x
+
e
(
α
−
i
β
)
x
{\displaystyle y=e^{k_{1}x}+e^{k_{2}x}=e^{(\alpha +i\beta )x}+e^{(\alpha -i\beta )x}}
gausime nulį (0+0=0), nes
(
f
(
x
)
+
g
(
x
)
)
′
=
f
′
(
x
)
+
g
′
(
x
)
.
{\displaystyle (f(x)+g(x))'=f'(x)+g'(x).\;}
Dėl to, taip pat gausime nulį įstačius
y
=
C
1
e
(
α
+
i
β
)
x
+
C
2
e
(
α
−
i
β
)
x
{\displaystyle y=C_{1}e^{(\alpha +i\beta )x}+C_{2}e^{(\alpha -i\beta )x}}
į reiškinį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
.
{\displaystyle y''+py'+qy.}
Kad atsikratyti i užrašykime sprendinį taip:
y
10
=
C
1
e
α
x
+
i
β
x
+
C
2
e
α
x
−
i
β
x
=
e
α
x
(
C
1
e
i
β
x
+
C
2
e
−
i
β
x
)
.
{\displaystyle y_{10}=C_{1}e^{\alpha x+i\beta x}+C_{2}e^{\alpha x-i\beta x}=e^{\alpha x}(C_{1}e^{i\beta x}+C_{2}e^{-i\beta x}).\;}
Toliau iš trigonometrijos ir kompleksinių skaičių žinome, kad
cos
x
=
e
i
x
+
e
−
i
x
2
{\displaystyle \cos x={\frac {e^{ix}+e^{-ix}}{2}}}
ir
sin
x
=
e
i
x
−
e
−
i
x
2
i
.
{\displaystyle \sin x={\frac {e^{ix}-e^{-ix}}{2i}}.}
Todėl parenkame
C
1
=
1
2
{\displaystyle C_{1}={\frac {1}{2}}}
ir
C
2
=
1
2
{\displaystyle C_{2}={\frac {1}{2}}}
ir gauname:
y
11
=
1
2
e
α
x
+
i
β
x
+
1
2
e
α
x
−
i
β
x
=
e
α
x
e
i
β
x
+
e
−
i
β
x
2
=
e
α
x
cos
(
β
x
)
.
{\displaystyle y_{11}={\frac {1}{2}}e^{\alpha x+i\beta x}+{\frac {1}{2}}e^{\alpha x-i\beta x}=e^{\alpha x}{\frac {e^{i\beta x}+e^{-i\beta x}}{2}}=e^{\alpha x}\cos(\beta x).}
Toliau parinkime
C
1
=
1
2
i
{\displaystyle C_{1}={\frac {1}{2i}}}
ir
C
2
=
−
1
2
i
{\displaystyle C_{2}=-{\frac {1}{2i}}}
(šįkart panaudojame kompleksinius skaičius konstantose, kad atsikratyti kompleksinių skaičių galutiniame sprendinyje) ir užrašykime:
y
12
=
1
2
i
e
α
x
+
i
β
x
−
1
2
i
e
α
x
−
i
β
x
=
e
α
x
e
i
β
x
−
e
−
i
β
x
2
i
=
e
α
x
sin
(
β
x
)
.
{\displaystyle y_{12}={\frac {1}{2i}}e^{\alpha x+i\beta x}-{\frac {1}{2i}}e^{\alpha x-i\beta x}=e^{\alpha x}{\frac {e^{i\beta x}-e^{-i\beta x}}{2i}}=e^{\alpha x}\sin(\beta x).}
Vėl žinome, kad jeigu sprendinys
y
11
=
e
α
x
cos
(
β
x
)
{\displaystyle y_{11}=e^{\alpha x}\cos(\beta x)}
tenkina lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
ir jeigu sprendinys
y
12
=
e
α
x
sin
(
β
x
)
{\displaystyle y_{12}=e^{\alpha x}\sin(\beta x)}
tenkina lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
, tai ir jų suma
y
20
=
y
11
+
y
12
=
e
α
x
cos
(
β
x
)
+
e
α
x
sin
(
β
x
)
{\displaystyle y_{20}=y_{11}+y_{12}=e^{\alpha x}\cos(\beta x)+e^{\alpha x}\sin(\beta x)}
turi tenkinti lygtį
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
,
{\displaystyle y''+py'+qy=0,}
nes
(
y
11
+
y
12
)
′
=
y
11
′
+
y
12
′
.
{\displaystyle (y_{11}+y_{12})'=y_{11}'+y_{12}'.}
Be to, jei prirašysime konstantas tai sprendinys
y
21
=
C
1
y
11
+
C
2
y
12
{\displaystyle y_{21}=C_{1}y_{11}+C_{2}y_{12}}
taip pat tenkins lygtį, pagal anksčiau minėta logiką. Todėl galime užrašyti galutinį bendrąjį lygties
y
″
+
p
y
′
+
q
y
=
0
{\displaystyle y''+py'+qy=0}
sprendinį (be kompleksinių skaičių):
y
=
C
1
e
α
x
cos
(
β
x
)
+
C
2
e
α
x
sin
(
β
x
)
=
e
α
x
(
C
1
cos
(
β
x
)
+
C
2
sin
(
β
x
)
)
.
{\displaystyle y=C_{1}e^{\alpha x}\cos(\beta x)+C_{2}e^{\alpha x}\sin(\beta x)=e^{\alpha x}(C_{1}\cos(\beta x)+C_{2}\sin(\beta x)).\;}
y
″
−
8
y
′
+
25
y
=
0.
{\displaystyle y''-8y'+25y=0.}
Sprendimas . Charakteringoji lygtis
k
2
−
8
k
+
25
=
0
{\displaystyle k^{2}-8k+25=0}
turi dvi kompleksines šaknis:
k
1
,
2
=
4
±
3
i
.
{\displaystyle k_{1,2}=4\pm 3i.}
Taigi
α
=
4
,
β
=
3.
{\displaystyle \alpha =4,\;\beta =3.}
Todėl remiantis formule
y
=
e
α
x
(
C
1
cos
(
β
x
)
+
C
2
sin
(
β
x
)
)
,
{\displaystyle y=e^{\alpha x}(C_{1}\cos(\beta x)+C_{2}\sin(\beta x)),}
bendrasis duotosios lygties sprendinys yra
y
=
e
4
x
(
C
1
cos
(
3
x
)
+
C
2
sin
(
3
x
)
)
.
{\displaystyle y=e^{4x}(C_{1}\cos(3x)+C_{2}\sin(3x)).}
Čia
α
=
−
p
2
=
−
−
8
2
=
4
,
{\displaystyle \alpha =-{\frac {p}{2}}=-{\frac {-8}{2}}=4,}
β
=
q
−
p
2
4
=
25
−
(
−
8
)
2
4
=
25
−
64
4
=
25
−
16
=
9
=
3.
{\displaystyle \beta ={\sqrt {q-{\frac {p^{2}}{4}}}}={\sqrt {25-{\frac {(-8)^{2}}{4}}}}={\sqrt {25-{\frac {64}{4}}}}={\sqrt {25-16}}={\sqrt {9}}=3.}