Реферат: Загальні властивості однорідних лінійних диференціальних рівнянь n-го порядку

+x + ... +x=0 , в якому не всі дорівнюють нулю, не може виконуватися для будь-яких x , так як рівняння (n-1) – го степеня має не більше (n-1) – го коренів.

Приклад 5.4. Функції , - лінійно незалежні, так як співвідношення , де не рівні одночасно нулю, виконуються не більше ніж в одній точці. Це випливає з =.

Приклад 5.5. Функції =sinx , =cosx , =1 – лінійно залежні на , так як для будь-якого х справджується співвідношення

sinx + cosx – 1 = 0 .

Розглянемо необхідні умови лінійної залежності n - функцій .

Теорема 5.1. Якщо функції (x), (x), ... , - лінійно залежні на (a,b) , то їх вронскіан W (x) тотожньо дорівнює нулю на (a,b) . Тут

W (x) = (5.14)

Доведення. Згідно умови теореми

(x) + (x) + ... + 0 , a < x < b , де не всі одночасно рівні нулю . Нехай , тоді

(5.15)

Диференціюємо (5.15) (n-1)-раз і підставляємо в (5.14)

W (x) =(5.16)

Розкладаючи визначник (5.16) на суму визначників, будемо мати в кожному з них два однакові стовпці, тому всі визначники будуть рівні нулю і отже

W (x) 0 , a < x < b. Теорема доведена.

Нехай кожна з функцій (x), (x), ... , - розв’язок диференціального рівняння (5.5) . Тоді необхідні і достатні умови лінійної незалежності цих

розв’язків даються теоремою 5.1. і слідуючою теоремою .

Теорема 5.2. Якщо функції (x), (x), ... , - суть лінійно незалежні розв’язки диференціального рівняння (5.5), всі коефіцієнти якого неперервні на (a,b) , то вронскіан цих розв’язків W не дорівнює нулю в жодній точці інтервалу (a,b) .

Доведення. Припустимо протилежне , що в точці (a,b). Складемо систему рівнянь

(5.17)

Так як визначник системи (5.17) , то вона має ненульовий розв’язок

. Розглянемо функцію y =, (5.18)

яка являється розв’язком диференціального рівняння (5.5).

Система (5.17) показує , що в точці розв’язок (5.18) перетворюється в нуль разом із своїми похідними до (n-1) –го порядку . В силу теореми існування і єдиності це значить , що має місце тотожність y (x) = , a < x < b, де не всі дорівнюють нулю . Останнє означає , що розв’язки (x), (x), ... , - лінійно залежні на (a,b). Це протиріччя і доводить теорему.

З теорем 5.1. і 5.2. випливає : для того , щоб n розв’язків диференціального рівняння (5.5) були лінійно незалежними на (a,b) необхідно і достатньо , щоб їх вронскіан не дорівнював нулю в жодній точці цього інтервалу.

Виявляється , для вияснення лінійної незалежності n розв’язків диференціального рівняння (5.5) достатньо переконатися , що W (x) не дорівнює нулю хоча б в одній точці інтервалу (a,b) . Це випливає з наступних властивостей вронскіана від n розв’язків диференціального рівняння (5.5):

а) Якщо вронскіан дорівнює нулю в одній точці (a,b) і всі коєфіцієнти диференціального рівняння (5.5) являються неперервними , то на (a,b).

Дійсно, якщо , то по теоремі 5.2. функції (x), (x), ... , - лінійно залежні на (a,b). Тоді , по теоремі 5.1. на (a,b);

б) якщо вронскіан n розв’язків диференціального рівняння (5.5) відмінний від нуля в одній точці (a,b) , то на (a,b) .

Дійсно , якби W (x) дорівнював в одній точці з (a,b) нулю , то згідно а) на (a,b) , в тому числі і в точці (a,b) , що протирічить умові.