Линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами — обыкновенное дифференциальное уравнение вида:

где  — искомая функция,  — её -я производная,  — фиксированные числа,  — заданная функция (когда , имеем линейное однородное уравнение, иначе — линейное неоднородное уравнение).

Однородное уравнение

Определение Корень кратности многочлена  это число , такое что этот многочлен делится без остатка на , но не на .

Уравнение порядка n Однородное уравнение:

интегрируется следующим образом:

Пусть  — все различные корни характеристического многочлена, являющегося левой частью характеристического уравнения

кратностей , соответственно, .

Тогда функции

являются линейно независимыми (вообще говоря, комплексными) решениями однородного уравнения, они образуют фундаментальную систему решений.

Общее решение уравнения является линейной комбинацией с произвольными постоянными (вообще говоря, комплексными) коэффициентами фундаментальной системы решений.

Воспользовавшись формулой Эйлера для пар комплексно сопряженных корней можно заменить соответствующие пары комплексных функций в фундаментальной системе решений парами вещественных функций вида

и построить общее решение уравнения в виде линейной комбинации с произвольными вещественными постоянными коэффициентами.

Уравнение второго порядка Однородное уравнение второго порядка:

интегрируется следующим образом:

Пусть  — корни характеристического уравнения , являющегося квадратным уравнением.

Вид общего решения однородного уравнения зависит от значения дискриминанта : при уравнение имеет два различных вещественных корня

Общее решение имеет вид:

при  — два совпадающих вещественных корня

Общее решение имеет вид:

при существуют два комплексно сопряженных корня

Общее решение имеет вид:

Неоднородное уравнение Неоднородное уравнение интегрируется методом вариации произвольных постоянных (Метод Лагранжа).

Вид общего решения неоднородного уравнения Если дано частное решение неоднородного уравнения , и  — фундаментальная система решений соответствующего однородного уравнения, то общее решение уравнения задается формулой

где  — произвольные постоянные.

Принцип суперпозиции Как в общем случае линейных уравнений, имеет место принцип суперпозиции, используемый в разных формулировках принципа суперпозиции в физике.

В случае, когда функция в правой части состоит из суммы двух функций , частное решение неоднородного уравнения тоже состоит из суммы двух функций , где являются решениями неоднородного уравнения с правыми частями , соответственно.

Частный случай: квазимногочлен В случае, когда  — квазимногочлен, то есть

где  — многочлены, частное решение уравнения ищется в виде

где многочлены, , коэффициенты которых находятся подстановкой в уравнение и вычисление методом неопределенных коэффициентов. является кратностью комплексного числа , как корня характеристического уравнения однородного уравнения.

В частности, когда

где  — многочлен, частное решение уравнения ищется в виде

Здесь  — многочлен, , с неопределенными коэффициентами, которые находятся подстановкой в уравнение. является кратностью , как корня характеристического уравнения однородного уравнения.

Когда же

где  — многочлен, частное решение уравнения ищется в виде

Здесь  — многочлен, , а является кратностью нуля, как корня характеристического уравнения однородного уравнения.

Уравнение Коши — Эйлера Уравнение Коши — Эйлера является частным случаем линейного дифференциального уравнения вида: , приводимым к линейному дифференциальному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой вида .

Применение Дифференциальные уравнения являются наиболее часто используемой и классической формой математического описания процессов. Разные формы математических описаний являются инструментальным средством аналитического анализа и синтеза динамических систем и систем автоматического управления. Дифференциальные уравнения, параметры которых зависят от переменных, называются нелинейными и не имеют общих решений. В настоящее время в теории автоматического управления широко используется математический аппарат интегральных преобразований Лапласа и Фурье. Из математики известно, что в частотную область компактно преобразуется д.у. с постоянными коэффициентами и при нулевых начальных условиях. И в теории управления такое уравнение является линейным.А. В. Андрюшин, В. Р. Сабанин, Н. И. Смирнов. Управление и инноватика в теплоэнергетике. — М: МЭИ, 2011. — С. 41. — 392 с. — ISBN 978-5-38300539-2.

Если динамическая система представлена нелинейными дифференциальными уравнениями математической физики, то для применения классических методов анализа этих систем требуется их линеаризация.

См. также Линейная рекуррентная последовательность — дискретный аналог линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами.

Примечания

Категория:Дифференциальные уравнения